管材專用高剛性聚丙烯耐蠕變性能評價方法影響因素研究

李玉娥，俞 峰，者東梅，武志軍

（中石化（北京）化工研究院有限公司，北京 100013）

高剛性聚丙烯具有高模量和抗沖擊性能優(yōu)異的特點，通常作為非承壓埋地排水管材的高端原料，廣泛應(yīng)用于排水系統(tǒng)中。聚丙烯作為排水管材料在歐洲已經(jīng)擁有近10年的生產(chǎn)和使用經(jīng)驗［1］。目前，高剛性聚丙烯排水管主要分為雙壁波紋管和纏繞管兩類，近兩年，這兩類產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 35451.1—2017，GB/T 35451.2—2018）也已經(jīng)出版實施。排水、排污用無壓埋地塑料管材在使用中要承受管道上方及周圍填埋覆土層的外壓載荷作用，使其產(chǎn)生不同程度的形變［2］。對于黏彈性材料，短期彈性形變不會影響管材性能，但在長期外力作用下會發(fā)生永久變形，當(dāng)永久變形達(dá)到一定程度時，管材會發(fā)生破壞，從而引起泄漏或坍塌。采用長期耐蠕變性能評價方法對管材專用高剛性聚丙烯進(jìn)行評價時，外推結(jié)果通常受到實驗溫度、試樣尺寸和環(huán)剛度等級等因素的影響，本工作分別討論了這幾個因素對高剛性聚丙烯長期耐蠕變性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

管材專用高剛性聚丙烯：原料A，原料C，進(jìn)口；原料B，國產(chǎn)。將3種試樣擠出制成不同規(guī)格管材，管材試樣規(guī)格見表1。

表1 管材試樣列表Tab.1 List of test samples in pipe form

1.2 主要儀器

1.3 實驗方法

1.3.1實驗過程

將管材試樣放置在形變測量儀上下平板之間，降低上平板直至與試樣上部分接觸。F0=75di（F0為加載預(yù)負(fù)荷，N；di為管材試樣內(nèi)徑，m），加載預(yù)負(fù)荷不是整數(shù)時將其圓整到下一個整數(shù)值［3-4］。加載預(yù)負(fù)荷5 min后，調(diào)節(jié)形變測量儀到零點，然后給試樣施加一個穩(wěn)定增加的負(fù)荷，開始加載后應(yīng)在20～30 s達(dá)到負(fù)荷。施加負(fù)荷的大小應(yīng)保證試樣在6 min后的形變達(dá)到管材內(nèi)徑的（1.5%±0.2%），即形變?yōu)椋?.015±0.002）di，并將此負(fù)荷作為實驗的滿負(fù)荷。達(dá)到滿負(fù)荷時，開始計時。施加滿負(fù)荷6 min后，測量初始形變量，然后繼續(xù)分別測量1.0，4.0，24.0，168.0，336.0，504.0，600.0，696.0，840.0，1 008.0 h的形變量，每個試樣至少測11個形變量。

1.3.2實驗數(shù)據(jù)外推算法

將實驗所得數(shù)據(jù)在半對數(shù)坐標(biāo)圖上作管材形變量對實驗時間的半對數(shù)曲線，建立直線方程，見式（1）。

式中：Yt為管材形變量，mm；B為在1 h時理論上的形變量，mm；M為直線斜率；t為實驗時間，a。

相關(guān)系數(shù)采用最小二乘法進(jìn)行回歸計算，即對全部數(shù)據(jù)點，最后10個點，最后9個點，最后8個點……，直到最后5個點作線性回歸分析，見式（2）～式（4）。

式中：N為用作線性回歸分析的形變量-時間曲線上的數(shù)據(jù)點數(shù)；R為相關(guān)系數(shù)，如果R在0.990 0～1.000 0，則認(rèn)為圖中的點基本處于一條直線上；ti為在i點的時間，h；xi=lgti；yi為在時間ti時的總形變量，mm。

選擇相關(guān)系數(shù)在0.990 0～0.999 0的最大值對應(yīng)的B，M值，根據(jù)式（1），可以外推出2年后的管材形變量。

在教學(xué)活動中，如果學(xué)生充滿了對教學(xué)內(nèi)容的興趣，不僅可以提高小學(xué)生參與教學(xué)活動的積極性，而且還可以強(qiáng)化綜合實踐活動課的教學(xué)效果。但目前，在很多活動課堂教學(xué)中，就忽視了學(xué)生興趣在教學(xué)中的作用，缺乏對學(xué)生興趣偏向的考慮，既不利于提高學(xué)生參與數(shù)學(xué)教學(xué)活動的積極性，又阻礙了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮，影響了教學(xué)的效果。但很多教師在具體的教學(xué)環(huán)節(jié)中，并未意識到這一問題，嚴(yán)重阻礙了實踐教學(xué)工作的開展。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗溫度

通常，高分子材料性能易受溫度影響，分別選取了20，23 ℃作為實驗溫度，從表2～表5可以看出：實驗溫度相差3 ℃，2年后，試樣1的外推管材形變量由28.56 mm增大到33.80 mm；試樣2的外推管材形變量由34.62 mm增大到43.02 mm，這個數(shù)據(jù)對于工程上來說具有重大影響?？梢?，溫度對于這項實驗是個關(guān)鍵因素。

從表2和表3可以看出：隨時間增加，試樣1的形變量增大，在同一時間點，23 ℃時的形變量大于20 ℃的形變量，即溫度越高，形變量越大。

表2 試樣1在 20 ℃時形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.2 Deformation-time test data of sample 1 at 20 ℃

表3 試樣1在23 ℃時形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.3 Deformation-time test data of sample 1 at 23 ℃

從表4和表5可以看出：試樣2在23 ℃條件下的形變量大于20 ℃時的形變量，溫度越高，形變量越大，說明溫度的變化將極大地影響實驗結(jié)果。

表4 試樣2在 20 ℃時形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.4 Deformation-time test data of sample 2 at 20 ℃

表5 試樣2在23 ℃時形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.5 Deformation-time test data of sample 2 at 23 ℃

從圖1還可以看出：不同溫度條件下，曲線的斜率發(fā)生了變化，而且變化規(guī)律不同，試樣1的曲線斜率隨著溫度升高，斜率變??；試樣2的曲線斜率隨著溫度升高，斜率變大。可見斜率的變化趨勢并不一致，與原料本身相關(guān)。

圖1 試樣1與試樣2的蠕變性能外推曲線Fig.1 Extrapolation curves of creep performance of sample 1 and sample 2

2.2 試樣規(guī)格

實驗過程中，施加的恒定載荷是以恒定形變量來規(guī)定的，恒定形變量與試樣規(guī)格相關(guān)，所以，不同管徑的試樣，起始形變量不同，恒定載荷也不同，選擇環(huán)剛度均為SN10.0的試樣3、試樣4、試樣6進(jìn)行耐蠕變性能實驗，實驗數(shù)據(jù)見表6～表8。

表6 試樣3在23 ℃時的形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.6 Deformation-time test data of sample 3 at 23 ℃

表8 試樣6在23 ℃時的形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.8 Deformation-time test data of sample 6 at 23 ℃

表7 試樣4在23 ℃時的形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.7 Deformation-time test data of sample 4 at 23 ℃

試樣3、試樣4、試樣6的環(huán)剛度相同，都為SN10.0，從表9可以看出：施加的載荷隨著管材規(guī)格增長，從615 N提高到2 780 N，外推2年形變量從15.57 mm增長到38.96 mm，管徑越大，外推形變量越大，恒定載荷越大。

表9 相同環(huán)剛度不同規(guī)格試樣的形變量Tab.9 Deformation of samples with the same ring stiffness and different specifications

從圖2可以看出：管徑越大，外推形變量越大。隨著管材規(guī)格變大，耐蠕變性能外推曲線的斜率增大。所以，在進(jìn)行該項實驗時，盡量選擇相同規(guī)格的試樣。

圖2 不同規(guī)格試樣的耐蠕變性能外推曲線Fig.2 Deformation-time test data distribution diagram and extrapolation curve of creep performance of samples with different specifications

2.3 試樣環(huán)剛度等級

對于排水管來說，環(huán)剛度是一項重要技術(shù)指標(biāo)。雖然管材的環(huán)剛度性能和長期耐蠕變性能都是評價管材受壓時的性能，但二者一個是評價短期性能，一個是評價長期性能，并不是對等關(guān)系，環(huán)剛度對管材長期耐蠕變性能的影響也很難從理論上推論出來。所以，選擇不同環(huán)剛度管材（即試樣5、試樣6、試樣7）進(jìn)行長期耐蠕變性能評價。試樣5、試樣6、試樣7的形變量數(shù)據(jù)見表10～表12。

從表10～表12可以看出：環(huán)剛度分別為SN8.0（即試樣5），SN10.0（即試樣6）和SN12.5（即試樣7），1 008 h的形變量從17.41 mm上升到18.35 mm，形變量上升幅度不大，略有升高。從表12還可以看出：隨著環(huán)剛度等級增大，恒定載荷也隨之增大，外推2年形變量反而略有減小，但幅度很小，3個環(huán)剛度等級的最大外推形變量差異不大于1 mm。

表10 試樣5在23 ℃時的形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.10 Deformation-time test data of sample 5 at 23 ℃

表12 不同環(huán)剛度試樣的形變量Tab.12 Deformation of samples with different stiffness

表11 試樣7在23 ℃時的形變量-時間數(shù)據(jù)Tab.11 Deformation-time test data of sample 7 at 23 ℃

從圖3可以看出：3個試樣的形變量曲線很接近，可見，形變量的變化并沒有環(huán)剛度等級的差距那么大，但還是有影響的，整體來看環(huán)剛度越大，耐蠕變性能外推形變量略小。所以，在進(jìn)行該項實驗時，盡量選擇相同環(huán)剛度等級的試樣。

圖3 不同環(huán)剛度試樣的實驗數(shù)據(jù)分布和耐蠕變性能外推曲線Fig.3 Deformation-time test data distribution diagram and extrapolation curve of creep performance of different stiffness samples

3 結(jié)論

a）溫度對于管材專用高剛性聚丙烯耐蠕變性能實驗方法有很大影響。隨著溫度升高，管材形變量增大，溫度變化使耐蠕變性能外推曲線的斜率也發(fā)生變化，很小的溫度變化能夠引起2年后形變量較大變化。

b）當(dāng)環(huán)剛度等級相同時，管材規(guī)格越大，形變量越大，耐蠕變性能實驗方法得到的外推曲線斜率也增大。

c）當(dāng)管材規(guī)格相同、環(huán)剛度等級不同時，耐蠕變性能變化并沒有環(huán)剛度等級的差距那么大，但對于實驗方法來說，還是有影響的。整體來看，環(huán)剛度越大，耐蠕變性能外推形變量略小。所以，在進(jìn)行該項實驗時，盡量選擇相同環(huán)剛度等級的試樣。