橋梁拉索HDPE護(hù)套日光老化試驗(yàn)

張春雷，李國平，雷 洛，2

(1.同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，200092上海;2.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，610041成都)

HDPE(High density polyethylene)作為拱橋、斜拉橋、懸索橋中拉索的護(hù)套已得到了大量的應(yīng)用.然而，在施工及使用過程中，由于受到外部荷載和環(huán)境作用，HDPE護(hù)套將出現(xiàn)不同程度的病害，如護(hù)套表層褪色、出現(xiàn)龜裂等.

國內(nèi)針對(duì)橋梁拉索用HDPE材料老化進(jìn)行的研究相對(duì)較少，如李國芬等對(duì)南京三橋斜拉索護(hù)套所用的HDPE材料做了人工日光老化試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)［1］.而針對(duì)HDPE材料本身的性能試驗(yàn)研究卻得到了廣泛開展，如耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能(ESCR)、戶外自然老化力學(xué)性能、老化后微觀結(jié)構(gòu)分析與機(jī)械性能對(duì)比等方面［2－4］.國外主要在包含HDPE材料在內(nèi)的高分子材料的性能方面進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究.如Parsons M等針對(duì)應(yīng)變速率對(duì)HDPE慢速裂縫增長的影響進(jìn)行了研究，Kurelec L等提出將應(yīng)變強(qiáng)化模量作為HDPE耐環(huán)境應(yīng)力開裂的度量，Schouwenaars R等對(duì)加工缺陷引起的HDPE管慢速裂紋增長和失效進(jìn)行了研究，Gulmine J V等對(duì)聚乙烯材料進(jìn)行了紫外線和氙燈照射人工老化，并利用電子顯微鏡等分析了材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)方面的變化［5－8］.

目前，國內(nèi)外主要針對(duì)材料本身或工程管道用HDPE的性能開展研究，但拉索用HDPE護(hù)套因承受較大的初應(yīng)變而具有不同于純材料和工程管道用HDPE的特點(diǎn).本試驗(yàn)正是基于以上考慮，設(shè)計(jì)了HDPE試片并對(duì)其施加初應(yīng)變，然后將試片放入老化箱進(jìn)行老化試驗(yàn)，老化結(jié)束后將試片切割成試樣再進(jìn)行拉伸試驗(yàn).通過上述過程研究試片老化后的外觀及其力學(xué)性能，探討初應(yīng)變對(duì)HDPE護(hù)套光老化的影響，尋求橋梁拉索護(hù)套褪色、開裂等病害的原因.

1 人工日光老化試驗(yàn)

如前所述，為了真實(shí)模擬橋梁拉索用HDPE護(hù)套的使用情況，需要對(duì)HDPE試片進(jìn)行張拉，然后再進(jìn)行人工日光老化試驗(yàn).

1.1 試驗(yàn)依據(jù)

由于國內(nèi)還沒有橋梁拉索用HDPE護(hù)套的老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，所以試驗(yàn)借鑒了國家標(biāo)準(zhǔn)中的電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［9］中附錄A中的人工氣候老化試驗(yàn)方法(氙燈法).該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定放入老化箱的試件保持5%的伸長率，而在本試驗(yàn)中采用了拉索護(hù)套可能產(chǎn)生的實(shí)際初應(yīng)變.下面對(duì)拉索護(hù)套可能產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)變值進(jìn)行分析.

在護(hù)套的擠制過程中，聚乙烯在100℃的時(shí)候開始凝固冷卻直至溫度降至20℃.一般取護(hù)套的溫度收縮系數(shù)為1.0×10－4℃-1，則擠制過程中產(chǎn)生的軸向和橫向拉伸應(yīng)變?yōu)?/p>

橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，拉索中鋼絲束的恒載應(yīng)力約為其靜力抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的30% ～35%，常用鋼絲束的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1570 MPa，因鋼絲束的彈性模量約為1.95×105MPa，故恒載作用下鋼絲束應(yīng)變約為2 415.4με;可變荷載作用下鋼絲束的應(yīng)力幅一般不超過其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的10%，其相應(yīng)的應(yīng)變幅約為805.1με［10］.可變荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)變幅是較小的.熱擠HDPE護(hù)套對(duì)鋼絲束有很好的握裹力，故近似認(rèn)為護(hù)套的應(yīng)變與鋼絲束相等.

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，鋼索護(hù)套長期的應(yīng)變主要是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的應(yīng)變和恒載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變.其中軸向的長期應(yīng)變?yōu)閮烧咧?，?0415με，橫向的長期應(yīng)變?yōu)樯a(chǎn)過程中產(chǎn)生的應(yīng)變，即8000με.因此，試驗(yàn)中就以此數(shù)值分別作為試片的軸向和橫向的初應(yīng)變.

試驗(yàn)箱采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氙燈老化試驗(yàn)箱，考慮到標(biāo)準(zhǔn)新近的修訂情況，將老化試驗(yàn)時(shí)間延長到3000h以上.根據(jù)李國芬［1］等在南京長江第三大橋斜拉索的防腐系統(tǒng)研究中提到的，人工加速老化試驗(yàn)的光照條件下，試驗(yàn)箱中的200h相當(dāng)于大氣環(huán)境中1a.因此，本試驗(yàn)采用的超過3000h老化時(shí)間相當(dāng)于大氣中15a，滿足拉索壽命要求.

1.2 試片制作及初應(yīng)變實(shí)現(xiàn)

本試驗(yàn)的試件為施加初應(yīng)變的HDPE矩形試片，HDPE的原料采用韓國三星110A，由國家化學(xué)建筑材料測(cè)試中心制造，采用注塑工藝成型.

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1套鐵制夾具來實(shí)現(xiàn)HDPE板的張拉，如圖1所示.夾具的4條邊由4根鐵條組成，通過調(diào)節(jié)4個(gè)角上相互垂直的螺栓可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)移動(dòng).4根鐵條上都有螺栓孔，可將打好對(duì)應(yīng)孔洞的HDPE試件安裝上去;蓋上壓板、擰緊螺栓后，HDPE板的4邊就可被夾具固定;通過調(diào)節(jié)螺栓，就可以實(shí)現(xiàn)試件隨4根鐵條伸縮.

圖1 鐵制夾具示意圖

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)要求的初應(yīng)變，試片拉伸過程中需要對(duì)其應(yīng)變值進(jìn)行控制.試片應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置如圖2所示.測(cè)點(diǎn)編號(hào)方法為“橫向/豎向分辨號(hào)—測(cè)點(diǎn)號(hào)”，設(shè)定1為豎向測(cè)點(diǎn)對(duì)，2為橫向測(cè)點(diǎn)對(duì)).

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

本試驗(yàn)原計(jì)劃通過在試片表面粘貼應(yīng)變片來測(cè)量其應(yīng)變值，但由于應(yīng)變片與HDPE片之間的粘結(jié)不牢固，張拉過程中發(fā)生滑脫，測(cè)量數(shù)據(jù)無效.之后只能在試片上粘貼標(biāo)記，采用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量成對(duì)標(biāo)記處的拉伸值.由于電子游標(biāo)卡尺讀數(shù)精度為0.1mm，相當(dāng)于標(biāo)距間的應(yīng)變?yōu)?000με，近似滿足試驗(yàn)要求.

通過對(duì)備用試片進(jìn)行張拉方法和過程的多次嘗試，得到如下張拉步驟:1)將試片置于鐵制夾具上，蓋上短邊壓條并擰緊螺栓，進(jìn)行標(biāo)距初值測(cè)量;2)調(diào)節(jié)螺栓施加橫向(即拉索橫向)張拉力，待應(yīng)變達(dá)到目標(biāo)值的1.5倍左右時(shí)停止張拉;3)蓋上長邊壓條、擰緊螺栓，放松短邊上螺栓，量取試片標(biāo)距并計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)變值;4)調(diào)節(jié)螺栓施加豎向(即拉索軸向)張拉力，直至應(yīng)變值達(dá)到目標(biāo)值，停止張拉;5)將全部螺栓擰緊，張拉過程完畢.

最后，試片的應(yīng)變均達(dá)到了拉索軸向10000με，橫向8000με的要求，即成功模擬了橋梁拉索護(hù)套的長期應(yīng)變值.

1.3 試驗(yàn)儀器及過程

試驗(yàn)在上海電纜研究所進(jìn)行，老化試驗(yàn)箱氙燈功率6kV，輻射度規(guī)定為290～800nm波長之間的譜帶，選擇輻射強(qiáng)度550 W/m2作為參考.試驗(yàn)箱內(nèi)轉(zhuǎn)架的直徑為800～900mm、高為365mm，轉(zhuǎn)架每分鐘旋轉(zhuǎn)1周;箱內(nèi)溫度為(55±3)℃，相對(duì)濕度為85%±5%.試驗(yàn)以18min噴水、光照和102min單獨(dú)光照為周期循環(huán)進(jìn)行.噴水水壓為0.12～0.15MPa，噴水嘴內(nèi)徑為0.8mm.

試件分為3組:第1組(共4片)作為對(duì)照組，保存于陰涼干燥處，2片施加初應(yīng)變、2片無初應(yīng)變;第2組(共3片)進(jìn)行0～1512 h光照老化試驗(yàn)，1片施加初應(yīng)變、2片無初應(yīng)變;第3組(共3片)進(jìn)行0～3528h光照老化試驗(yàn)，1片施加初應(yīng)變、2片無初應(yīng)變.

試驗(yàn)以每星期為1次循環(huán)，其中6d在老化箱中進(jìn)行試驗(yàn)，第7天將試片從老化箱移至(－25±2)℃冷凍箱內(nèi)，進(jìn)行冷熱調(diào)節(jié)試驗(yàn).在1個(gè)試驗(yàn)循環(huán)中，冷熱調(diào)節(jié)試驗(yàn)需進(jìn)行3次，試片在冷凍箱內(nèi)的時(shí)間為2h，兩次間隙時(shí)間等于或大于1h.

在達(dá)到規(guī)定的老化時(shí)間后取出試片，置于環(huán)境溫度下存放至少16h，然后用有機(jī)溶劑洗凈試片，與第1組的對(duì)照試片進(jìn)行對(duì)比觀察.

2 拉伸試驗(yàn)

為了測(cè)定光老化后HDPE試件的性能變化，考察初應(yīng)變對(duì)HDPE材料力學(xué)性能的影響，決定對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以測(cè)試其力學(xué)性能，并與未進(jìn)行光老化試驗(yàn)的試件進(jìn)行對(duì)比.

2.1 拉伸試件加工制作

拉伸試件由試片裁剪、加工而成.試件尺寸根據(jù)文獻(xiàn)［11］的規(guī)定，采用1B型試件，試件尺寸如圖3所示.

每塊試件可以裁剪成6片拉伸試件，對(duì)拉伸試件進(jìn)行編號(hào).拉伸試件的裁剪是在上海塑料研究所進(jìn)行的.首先將老化后的試板在剪板機(jī)上裁剪為矩形，然后在萬能工具銑床上精加工成符合上述尺寸要求的拉伸試件.編號(hào)注明是否對(duì)試件施加了初應(yīng)變以及試件的光老化時(shí)間.拉伸試件的編號(hào)原則為:板號(hào)－樣品號(hào)，比如，1號(hào)板1號(hào)片為“1-1”.

圖3 HDPE拉伸試驗(yàn)試樣尺寸(mm)

2.2 拉伸試驗(yàn)設(shè)備及過程

拉伸試驗(yàn)同樣是在上海塑料研究所進(jìn)行的，采用Zwick/RoellZ010型拉伸機(jī)，見圖4，拉伸速度為10mm/min.整個(gè)過程的力和應(yīng)變數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)記錄，并通過試驗(yàn)機(jī)自帶軟件處理成圖形和所需要的數(shù)據(jù).

圖4 拉伸試驗(yàn)機(jī)

3 結(jié)果與討論

為了分析初應(yīng)變對(duì)于老化試驗(yàn)的影響，對(duì)于人工光老化試驗(yàn)結(jié)束后的試片進(jìn)行觀察，通過對(duì)比分析尋找其異同.隨后對(duì)加工成的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)比其受力性能.

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 老化后試件的外觀變化

對(duì)于從老化箱中取出的試片，通過目測(cè)，觀察其外觀變化，并與未進(jìn)行老化試驗(yàn)的試片進(jìn)行對(duì)比分析.外觀檢測(cè)結(jié)果見圖5.其中圖5(a)、(b)為3528h光照試驗(yàn)后試片外觀變化.

第1組無初應(yīng)變的2片試片顏色基本不變，無裂紋、凸起等現(xiàn)象，相應(yīng)的施加初應(yīng)變的2片試片顏色要淺，亦無裂紋、凸起等現(xiàn)象;第2組試片經(jīng)過光照試驗(yàn)后，無初應(yīng)變的2片試片顏色稍稍變淺，施加初應(yīng)變的1片試片比這兩片和第1組的4片顏色都要淺，該組試片均無裂紋、凸起等現(xiàn)象;第3組結(jié)果與第2組相同，經(jīng)過光照試驗(yàn)后，試片顏色明顯變淺，施加初應(yīng)變的2片試片顏色更淺一些，該組試片均無裂紋、凸起等現(xiàn)象.根據(jù)比較可以看出，經(jīng)老化后，無論有無施加應(yīng)變，都沒有出現(xiàn)明顯的裂紋、凸起等現(xiàn)象.試片的顏色經(jīng)老化后變淺，有應(yīng)力的試片比無應(yīng)力的試片顏色變得更淺.有初應(yīng)變?cè)嚻?jīng)過老化3528h后顏色變化最大，無初應(yīng)變老化3528h的試片次之.

切開試件觀察試件的顏色變化，還可以看出，老化后的試件只在其表面出現(xiàn)褪色現(xiàn)象，而試件內(nèi)部仍然為黑色，見圖5(c).可見，光老化只是在試件表面出現(xiàn)，而內(nèi)部并未受到氙燈光照的影響.

圖5 試片試驗(yàn)后外觀及內(nèi)外顏色對(duì)比

3.1.2 試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)機(jī)自帶程序繪出的試件拉伸曲線圖分析發(fā)現(xiàn)，所有試件拉伸曲線的形狀相似，均有一個(gè)平穩(wěn)的上升段、屈服點(diǎn)和發(fā)生屈服后的平穩(wěn)下降段，如圖6所示.由此，可以得到各試件的屈服強(qiáng)度(定義為曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值)、峰值應(yīng)變(即屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值)和斷裂應(yīng)變(定義為下降段斜率突然增大的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值).

圖6 初應(yīng)變的第一組試件拉伸曲線

通過對(duì)不同老化時(shí)間試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性比較大，很難得到統(tǒng)一的規(guī)律，如表1所示.對(duì)于施加初應(yīng)變的試件，隨著老化時(shí)間的增長，試件的屈服強(qiáng)度有降低趨勢(shì)，而峰值應(yīng)變和斷裂應(yīng)變均有增加趨勢(shì)，這可能是由于試驗(yàn)箱中溫度所產(chǎn)生的熱效應(yīng)造成HDPE材料的流動(dòng)性增加而導(dǎo)致的.對(duì)于無初應(yīng)變的試件，試件的屈服強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和斷裂應(yīng)變變化均無規(guī)律.總體看來，試件的老化特性并不明顯.

通過對(duì)施加初應(yīng)變與無初應(yīng)變的兩組試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果的比較，可以發(fā)現(xiàn)，施加初應(yīng)變的試件與無初應(yīng)變的試件相比，其屈服強(qiáng)度是增加的，而其峰值應(yīng)變和斷裂應(yīng)變是減少的，對(duì)于第3組試片，施加初應(yīng)變的試件斷裂應(yīng)變要大于未施加初應(yīng)變的試件.這說明施加初應(yīng)變會(huì)使得HDPE材料強(qiáng)度增大，但同時(shí)脆性也增加，即初應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬显黾恿薍DPE材料的老化進(jìn)程.

總體上由拉伸試驗(yàn)結(jié)果來看，無論是施加初應(yīng)變的試件還是無初應(yīng)變的試件，其老化特性并不明顯，盡管施加初應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬显黾恿薍DPE材料的老化進(jìn)程，但其增加程度不足以導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋、凸起病害現(xiàn)象.試驗(yàn)未反映初應(yīng)變是HDPE護(hù)套開裂的主要原因.

表1 老化時(shí)間及初應(yīng)變對(duì)試件拉伸性能的影響

3.2 討論

國內(nèi)普遍認(rèn)為，橋梁拉索HDPE護(hù)套開裂與護(hù)套的初應(yīng)變有關(guān)，而本試驗(yàn)在某種程度上反映出HDPE護(hù)套嚴(yán)重開裂的原因并不主要是應(yīng)變的作用.事實(shí)上，國內(nèi)一些無應(yīng)力拉索護(hù)套也出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象.

朱志鵬等［12］指出:對(duì)材料老化產(chǎn)生影響的應(yīng)力與其數(shù)值的大小有關(guān);存在一個(gè)臨界應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力小于這個(gè)臨界應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力一方面降低鏈斷裂活化能，加速老化反應(yīng)，另一方面又會(huì)通過減少氧的擴(kuò)散來阻礙老化反應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力對(duì)老化性能影響不大.根據(jù)Chen R等的研究［13］，應(yīng)力對(duì)老化的影響隨著應(yīng)力的增大而增大，較小的應(yīng)力對(duì)老化的促進(jìn)作用并不明顯.這也許解釋了按目前橋梁拉索HDPE護(hù)套可能存在的初應(yīng)變，本試驗(yàn)試片不會(huì)出現(xiàn)明顯老化或開裂.

試驗(yàn)老化環(huán)境與護(hù)套所處的自然環(huán)境之間存在差別，護(hù)套實(shí)際是在循環(huán)應(yīng)力作用下工作的，且在冬季所經(jīng)歷的低溫環(huán)境時(shí)間在整個(gè)過程中的比例較冷熱調(diào)節(jié)試驗(yàn)要大.低溫、循環(huán)應(yīng)力的作用均有可能是導(dǎo)致護(hù)套開裂的重要因素，這可以從冬季發(fā)生脆裂的HDPE管道的實(shí)例中得出.

4 結(jié)論

1)采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的施加初應(yīng)變的HDPE材料經(jīng)老化試驗(yàn)后未出現(xiàn)開裂，這與目前國內(nèi)很多橋梁拉索HDPE護(hù)套存在開裂的現(xiàn)象不符.試驗(yàn)表明初應(yīng)變并不是HDPE護(hù)套開裂的主要原因.

2)HDPE材料的選取將影響試驗(yàn)的結(jié)果，因此再次試驗(yàn)時(shí)需要根據(jù)出現(xiàn)病害的已建橋梁拉索護(hù)套材料的調(diào)查結(jié)果，選取最具有代表性的材料品種作為樣本，以揭示國內(nèi)大量HDPE護(hù)套開裂的主要原因.

3)試驗(yàn)反映了額定電壓10 kV、35 kV架空絕緣電纜試驗(yàn)方法用于橋梁HDPE護(hù)套老化試驗(yàn)尚有不足之處，冷熱循環(huán)控制宜考慮橋梁實(shí)際環(huán)境狀況.用于橋梁HDPE護(hù)套老化試驗(yàn)方法尚需完善.

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(編輯魏希柱)