土工格柵戶外老化試驗(yàn)初步研究

童 軍，丁金華，胡 波,孫 慧

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

土工格柵戶外老化試驗(yàn)初步研究

童 軍，丁金華，胡 波,孫 慧

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

作為一類特殊的高分子材料，土工合成材料越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于水利、交通、環(huán)境工程等各個(gè)領(lǐng)域。在其服役期限內(nèi)，能否保持一定的力學(xué)性能對(duì)整個(gè)工程的穩(wěn)定性至關(guān)重要。研究高分子土工合成材料的老化性狀，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土工合成材料在各種環(huán)境條件下的使用壽命，已成為目前巖土工程的研究熱點(diǎn)之一。在長(zhǎng)江科學(xué)院土工合成材料戶外老化試驗(yàn)基地開(kāi)展了HDPE土工格柵的戶外光氧老化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在9個(gè)月內(nèi)，土工格柵的拉伸強(qiáng)度基本保持不變甚至還有增高的趨勢(shì)，這可能是由于高分子內(nèi)部的二級(jí)反應(yīng)補(bǔ)償了紫外線的老化。紫外線提供了化學(xué)交聯(lián)所需的能量，使得聚合物分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，輕微的收縮導(dǎo)致織物纖維被拉緊，使強(qiáng)度增大。這使得土工格柵強(qiáng)度在前期(9個(gè)月)得到一定程度的改善。9個(gè)月后，強(qiáng)度開(kāi)始降低。本老化試驗(yàn)基地的遠(yuǎn)期研究成果可提供長(zhǎng)時(shí)序土工合成材料老化性能物理力學(xué)指標(biāo)的第一手資料。

土工格柵；HDPE；光氧；戶外試驗(yàn)；老化性能；拉伸強(qiáng)度

1 研究背景

土工合成材料作為一類特殊的高分子材料在20世紀(jì)中后期進(jìn)入我國(guó)，目前已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于水利、交通、環(huán)境工程等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。土工格柵作為一種典型的土工合成材料，日益廣泛應(yīng)用于永久性加筋工程中。實(shí)際工程中，土工合成材料要承受紫外線的長(zhǎng)期作用，使土工格柵的加筋功能大大減弱甚至使建筑物喪失穩(wěn)定。在其設(shè)定的使用壽命里，能否保持一定的力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性將產(chǎn)生決定性影響。因此,有關(guān)土工合成材料的老化問(wèn)題顯得日趨重要，特別是如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)土工合成材料的使用壽命，已成為目前的研究熱點(diǎn)之一。

現(xiàn)行《公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(JTJ/T019—98)[4]采用單一折減系數(shù)來(lái)考慮老化、蠕變等引起的土工合成材料強(qiáng)度降低的問(wèn)題，沒(méi)有研究提出土工合成材料在不同應(yīng)用條件下相應(yīng)的折減系數(shù)，因而也無(wú)法提出各種土工合成材料的具體應(yīng)用條件。這種一刀切的處理辦法導(dǎo)致了在實(shí)際工程應(yīng)用中，僅憑單一的強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)選擇和評(píng)價(jià)土工合成材料，出現(xiàn)錯(cuò)誤選擇材料，未能達(dá)到預(yù)計(jì)效果的現(xiàn)象。目前國(guó)外先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)對(duì)土工合成材料的老化、蠕變等特性進(jìn)行了較為深入的研究，提出了不同的折減系數(shù)[5-6]，分別來(lái)考慮老化、蠕變等影響引起的土工合成材料強(qiáng)度的降低，就其提出的折減系數(shù)值來(lái)看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中提出的折減系數(shù)。按我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范的設(shè)計(jì)由于過(guò)于保守而造成極大的材料浪費(fèi)[7]。我國(guó)多年來(lái)土工合成材料的推廣應(yīng)用和實(shí)踐也表明，采用單一系數(shù)考慮土工合成材料的折減是十分不恰當(dāng)?shù)模仨氠槍?duì)不同的材質(zhì)和使用的環(huán)境條件分項(xiàng)進(jìn)行考慮，特別是必須考慮紫外線引起的土工合成材料強(qiáng)度降低的問(wèn)題。目前，亦鮮見(jiàn)長(zhǎng)時(shí)序的老化研究報(bào)道。因此，有必要研究長(zhǎng)時(shí)序土工格柵的物理力學(xué)老化性能，從而提出合理的老化折減系數(shù)。

本文介紹了長(zhǎng)江科學(xué)院土工合成材料戶外老化試驗(yàn)基地的情況及初步試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)HDPE土工格柵在戶外老化過(guò)程中的物理力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

2 戶外老化試驗(yàn)

戶外老化試驗(yàn)是將土工合成材料的試樣或制品曝露于戶外大氣環(huán)境中，使其受各種大氣因素的綜合作用，通過(guò)周期性的外觀和性能的變化(即老化)，從而考核和評(píng)價(jià)其耐久性[8-11]。由于戶外老化試驗(yàn)與材料的實(shí)際使用環(huán)境比較接近，特別是對(duì)于材料耐久性能，能夠獲得比較可靠的結(jié)果，因而一直受到人們的重視和采用。戶外老化試驗(yàn)具有數(shù)據(jù)比較可靠、所需的試驗(yàn)設(shè)備比較簡(jiǎn)單、可投試的樣品較多等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)序土工合成材料戶外老化試驗(yàn)可為獲取較高可信度的老化性能的物理力學(xué)指標(biāo)提供第一手資料，并可為室內(nèi)加速老化試驗(yàn)預(yù)測(cè)土工合成材料老化性能提供基本依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及儀器

試驗(yàn)場(chǎng)地位于武漢市漢陽(yáng)區(qū)，場(chǎng)地面積約600 m2。試驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)闊無(wú)遮擋，陽(yáng)光可直射場(chǎng)地。試驗(yàn)場(chǎng)地用鐵欄打圍作為戶外老化試驗(yàn)專用場(chǎng)地，并設(shè)專人對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行維護(hù)，擬作為長(zhǎng)時(shí)序典型土工合成材料老化試驗(yàn)基地。場(chǎng)地相關(guān)氣象條件見(jiàn)表1。7，8月份為紫外輻射最強(qiáng)的時(shí)期。為使試樣盡可能受到一年中最強(qiáng)的紫外線輻射，試驗(yàn)于7月1日開(kāi)始。

表1 戶外老化試驗(yàn)氣象條件(自2014年7月1日開(kāi)始)Table 1 Weather conditions during outdoor aging test started from July 1, 2014

圖1 戶外老化試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Outdoor aging test system

根據(jù)ASTM D5970標(biāo)準(zhǔn)[11]，土工格柵放置在自行加工的戶外老化試驗(yàn)支架上，試樣架向南且與水平面呈45°以最大可能吸收太陽(yáng)光的輻射。試驗(yàn)支架照片如圖1(a)所示。

試驗(yàn)期間，利用位于老化場(chǎng)地內(nèi)的氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地的溫度、濕度、降水量等；利用紫外輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地的紫外輻射量。氣象站及紫外輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別見(jiàn)圖1中的(b),(c)。

2.2 試驗(yàn)材料

試樣為國(guó)內(nèi)某廠商提供的單向土工格柵，其基本力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。試樣平鋪在朝南且與水平面呈45°的支架上，以使得試樣接受最大程度的紫外光照。單向HDPE土工格柵基本物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》(SL235—2012)[8]進(jìn)行試驗(yàn)獲得。

表2 單向HDPE土工格柵基本物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Basic physical and mechanical parameters of uniaxial HDPE geogrid used in the test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表3所示為不同曝露時(shí)間格柵力學(xué)強(qiáng)度，圖2和圖3所示為不同曝露時(shí)間格柵拉伸強(qiáng)度、強(qiáng)度保持率及斷裂延伸率的時(shí)程曲線。

表3 戶外老化試驗(yàn)HDPE土工格柵力學(xué)強(qiáng)度Table 3 Mechanical strengths of HDPE geogrid exposed outdoor

圖2 戶外老化試驗(yàn)格柵拉伸強(qiáng)度、強(qiáng)度保持率時(shí)程曲線Fig.2 Time-historycurvesoftensilestrengthandstrengthretentionratioofgeogridinoutdooragingtest

圖3 戶外老化試驗(yàn)斷裂延伸率時(shí)程曲線Fig.3 Time-historycurveofextensionatbreakofgeogridinoutdooragingtest

當(dāng)曝露老化時(shí)間為1個(gè)月時(shí)，拉伸強(qiáng)度略有減少，斷裂延伸率略為增加;當(dāng)曝露時(shí)間為3，6，9個(gè)月時(shí)，拉伸強(qiáng)度最高增加了約5%；5%和2%應(yīng)變對(duì)應(yīng)強(qiáng)度基本不變或略有增加，斷裂延伸率略有降低，格柵呈現(xiàn)出變硬變脆的趨勢(shì)。在9個(gè)月內(nèi)，土工格柵的拉伸強(qiáng)度基本保持不變甚至還有增高的趨勢(shì)。這可能是由于高分子材料早期老化時(shí)的“退火效應(yīng)”，即高分子材料受到紫外光的作用后，發(fā)生分子鏈的重整和聚合，消除了材料內(nèi)應(yīng)力和材料的內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度略有上升。也可能由于二級(jí)反應(yīng)補(bǔ)償了紫外線的老化：由于紫外線提供了發(fā)生化學(xué)交聯(lián)所需的能量，使得聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，輕微的收縮導(dǎo)致織物纖維被拉緊，使強(qiáng)度增大，這使得材料強(qiáng)度在老化前期得到一定程度的改善。但隨著時(shí)間推移，光照能量最終將導(dǎo)致并加速氧化老化過(guò)程，而使聚合物物理性能衰減和軟化，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能都產(chǎn)生了破壞。如圖2所示，9個(gè)月后，格柵的強(qiáng)度開(kāi)始降低。

4 結(jié)論與展望

本文介紹了位于武漢市漢陽(yáng)區(qū)的長(zhǎng)江科學(xué)院戶外老化試驗(yàn)基地。通過(guò)開(kāi)展戶外老化試驗(yàn)，對(duì)HDPE土工格柵在老化過(guò)程中的物理力學(xué)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在老化試驗(yàn)前期(9個(gè)月內(nèi))，強(qiáng)度保持率不穩(wěn)定，但基本呈現(xiàn)不變甚至增高的趨勢(shì)。這是由于高分子材料早期老化時(shí)的“退火效應(yīng)”，即在紫外光的作用下，分子鏈進(jìn)行了重整和聚合，消除了材料內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度略有上升。也可能由于二級(jí)反應(yīng)補(bǔ)償了紫外線的老化。由于紫外線對(duì)試樣提供了化學(xué)交聯(lián)所需的能量，使得聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，輕微的收縮導(dǎo)致織物纖維被拉緊，使強(qiáng)度增大。這使得材料強(qiáng)度在前期(9個(gè)月)得到一定程度的改善。

今后擬在該戶外老化試驗(yàn)基地繼續(xù)開(kāi)展不同原材料、不同類型土工合成材料的長(zhǎng)時(shí)序戶外老化試驗(yàn)，遠(yuǎn)期研究成果可提供長(zhǎng)時(shí)序土工合成材料戶外老化性能物理力學(xué)指標(biāo)的第一手資料。

[1] 龔壁衛(wèi), 童 軍.土工合成材料在南水北調(diào)膨脹巖渠坡加固中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2009,26 (11): 81-84.

[2] 董 健, 張 明, 羅玉珊,等.山區(qū)復(fù)雜地形條件下超高土工格柵加筋土路堤的穩(wěn)定性分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2014, 31(3): 134-138.

[3] 包承綱.關(guān)于環(huán)境巖土工程的若干問(wèn)題[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003,20 (3): 32-34.

[4] JTJ/T019—98，公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1999.

[5] FHWA-SA-93-025, Guidelines for Design Specification and Contracting of Geosynthetic Mechanically Stabilized Earth Slopes on Firm Foundation[S]. U.S.: U.S. Department of Transportation, 1993.

[6] HOLTZ R D, CHRISTOPHER B R, BERG R R. Geosynthetic Design and Construction Guidelines Participant Notebook[M]. U.S.: Federal Highway Administration, 2000.

[7] 包承綱.我國(guó)土工合成材料應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的若干評(píng)述[C]∥全國(guó)第五屆土工合成材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.香港：現(xiàn)代知識(shí)出版社,2000.

[8] SL235—2012，土工合成材料測(cè)試規(guī)程[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2012.

[9] ASTM D5819, Standard Guide for Selecting Test Methods for Experimental Evaluation of Geosynthetic Durability[S]. Pennsylvania: American Society for Testing and Materials, 1999.

[10]ASTM D 4595, Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method[S]. Pennsylvania: American Society for Testing and Materials, 2011.

[11]ASTM D5970, Standard Practice for Deterioration of Geotextiles from Outdoor Exposure[S]. Pennsylvania: American Society for Testing and Materials, 2003.

(編輯：陳 敏)

Preliminary Study on Deterioration of HDPE Geogridfrom Outdoor Exposure

TONG Jun, DING Jin-hua, HU Bo, SUN Hui

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

As a special polymer material, geosynthetics is widely used in hydraulic, transportation and environmental engineering. In its service period, the capability of maintaining mechanical properties is of vital importance to the stability of the whole project. The aging properties of geosynthetics are important for predicting the accurate life time of geosynthetics, which is a current hot research topic. Outdoor photo-oxygen aging test on HDPE geogrid was carried out at the outdoor test base of Yangtze River Scientific Research Institute. Test results showed that in the initial 9 months, the tensile strength of geogrid remained unchanged or even increased due to secondary compensatory responses to the UV aging. UV provided required energy for chemical crosslinking, which resulted in the polymer crosslinking reaction and slight contraction in woven fabric. As a result, the tensile strength of geogrid increased in the initial period (9 months), but decreased after 9 months. The long-term research results of the test base could provide first-hand data for the physical and mechanical indexes of the aging properties of geogrid under outdoor exposure.

geogrid; HDPE; photo-oxidation; outdoor test; aging property; tensile strength

2016-07-05；

2016-08-29

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目(2015BAB07B04)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2014060/YT，CKSF2016044/YT)；水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(YK914023)

童 軍(1983-)，男，湖北仙桃人，高級(jí)工程師，博士，主要從事環(huán)境巖土工程、土工合成材料相關(guān)的研究工作，(電話)027-82927645(電子信箱)tongjun@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20161016

TU413.1

A

1001-5485(2017)02-0013-04

2017,34(2):13-16