預(yù)沖孔結(jié)構(gòu)對聚丙烯雙向土工格柵拉伸成型的影響

＊鄭超 劉杰 袁洪波 宋立彬 欒貽國

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東 250061 2.肥城聯(lián)誼工程塑料有限公司 山東 271608）

1.引言

塑料土工格柵具有強(qiáng)度高、密度小、尺寸穩(wěn)定性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗疲勞和耐蠕變性能優(yōu)異、便于施工等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類土木工程中[1]。根據(jù)產(chǎn)品承載方向不同，塑料土工格柵可以分為單向、雙向和多向格柵。與單向和多向土工格柵相比，雙向土工格柵能夠承受兩個(gè)方向的載荷作用，適用場合更為廣泛，且對生產(chǎn)工藝及設(shè)備要求不高，因而在塑料土工格柵市場應(yīng)用中占有較大比重[2]。

拉伸成型是制造雙向土工格柵的主要工藝。在拉伸成型過程中，高分子材料內(nèi)部初始零亂分布的鏈段沿拉伸方向重新取向，使格柵的筋條部位具有較高的拉伸強(qiáng)度，起到承載作用。格柵的節(jié)點(diǎn)厚度相對于筋條厚度更大，因而能夠有效阻止土、砂、石等土工材料側(cè)向移動(dòng)，充分發(fā)揮格柵的嵌鎖固定作用[3]。生產(chǎn)中，首先將聚丙烯或聚乙烯、添加劑等原材料，經(jīng)擠出機(jī)擠出板材后，在壓力機(jī)上利用沖孔模具獲得規(guī)則排列的孔。預(yù)沖孔板材在合適溫度和速度條件下進(jìn)行第一次拉伸獲得單向格柵；隨后將板材沿與第一次拉伸的垂直方向進(jìn)行第二次拉伸，即得到雙向格柵[4]。在格柵生產(chǎn)流程中，預(yù)沖孔為后續(xù)拉伸成型提供初始板材，是格柵拉伸成型的重要環(huán)節(jié)。預(yù)沖孔結(jié)構(gòu)包括孔型、孔基本尺寸、孔間距等，其設(shè)計(jì)不僅影響塑料在拉伸成型過程的變形行為，并與格柵產(chǎn)品的形狀尺寸和力學(xué)性能密切相關(guān)。許聞博[5]采用有限元分析方法研究了預(yù)沖孔圓角半徑對單向土工格柵拉伸過程的影響，發(fā)現(xiàn)該尺寸顯著影響材料變形時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變幅值。劉計(jì)等[6]針對一種多向土工格柵設(shè)計(jì)了4種不同預(yù)沖孔孔型結(jié)構(gòu)，分析了預(yù)沖孔孔型結(jié)構(gòu)對多向土工格柵拉伸變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)沖孔孔型結(jié)構(gòu)顯著影響多向土工格柵的整體形貌、筋條寬度和筋條應(yīng)變分布特性。Ren等[7]針對三向土工格柵進(jìn)行了力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)沖孔直徑增大，三向土工格柵的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，進(jìn)而結(jié)合拉伸成型過程分析得到了最優(yōu)的預(yù)沖孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。目前，針對雙向土工格柵的研究集中于原材料性能[8]、拉伸成型工藝[9-10]、格柵性能[11-12]，以及格柵與土工材料的相互作用[13-15]，而圍繞預(yù)沖孔結(jié)構(gòu)對雙向土工格柵拉伸成型的影響探索極少。針對上述問題，本文選取生產(chǎn)中常見的圓形孔型，通過工藝實(shí)驗(yàn)與性能測試，分析預(yù)沖孔間距和孔徑對聚丙烯雙向土工格柵拉伸成型的影響規(guī)律。

2.實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)選用肥城聯(lián)誼工程塑料有限公司提供的聚丙烯板材，厚度為4mm。首先采用激光切割機(jī)加工預(yù)沖孔試樣，隨后利用材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫拉伸成型工藝實(shí)驗(yàn)，通過隨設(shè)備配置的高低溫箱獲得高溫成型環(huán)境。由于雙向土工格柵需在兩個(gè)相互垂直的方向上依次進(jìn)行拉伸，因此在第一次拉伸結(jié)束和試樣冷卻后，將試樣取下、旋轉(zhuǎn)90°后重新裝夾，再升溫至設(shè)定溫度進(jìn)行第二次拉伸。將得到的雙向格柵冷卻至室溫后，在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)一步開展室溫拉伸試驗(yàn)，分別檢測格柵兩個(gè)方向的力學(xué)性能。

結(jié)合雙向土工格柵生產(chǎn)常用預(yù)沖孔結(jié)構(gòu)形式和實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，設(shè)計(jì)如圖1(a)所示的聚丙烯雙向土工格柵預(yù)沖孔試樣。預(yù)沖孔采用圓形孔型，設(shè)Ts和Vs為兩個(gè)拉伸方向上的預(yù)沖孔間距，且Ts=Vs，D為圓孔直徑，加工獲得的試樣如圖1(b)所示。結(jié)合聚丙烯的物理性能和雙向土工格柵拉伸成型常用的工藝參數(shù)，設(shè)定拉伸溫度為130℃，拉伸速度為150mm/min，拉伸距離為80mm。預(yù)沖孔間距選取6mm、8mm、10mm、12mm、14mm，圓孔直徑選取3mm、4mm、5mm、6mm。與實(shí)際生產(chǎn)一致，本文將第一次拉伸稱為縱向拉伸，獲得的試件如圖2(a)所示；將第二次拉伸稱為橫向拉伸，得到的格柵產(chǎn)品如圖2(b)所示。

圖1 聚丙烯雙向土工格柵預(yù)沖孔試樣

圖2 兩步拉伸成型獲得的試件

選擇拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率兩個(gè)指標(biāo)分析雙向土工格柵的力學(xué)性能[16]。依據(jù)《GB/T 17689-2008土工合成材料塑料土工格柵》，規(guī)定在外力作用下第一個(gè)峰值時(shí)的拉力折算成單位寬度土工格柵的力稱為拉伸強(qiáng)度，格柵拉斷時(shí)的應(yīng)變稱為斷裂伸長率。室溫拉伸試驗(yàn)時(shí)橫梁移動(dòng)速度設(shè)為20mm/min，采用單肋法分別檢測格柵縱向和橫向的力學(xué)性能，每種條件均重復(fù)5次。

3.結(jié)果與討論

(1)預(yù)沖孔間距對格柵成型的影響

圖3為不同間距下雙向格柵拉伸成型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)圓孔直徑固定為4mm。

圖3 不同間距下拉伸成型結(jié)果

由圖3(a)可知，當(dāng)間距為6mm時(shí)，位于筋條部位的初始材料過少，導(dǎo)致拉伸后橫截面積急劇減小，格柵筋條過細(xì)，這顯然不利于格柵承載能力的發(fā)揮。當(dāng)間距為14mm時(shí)，拉伸成型后發(fā)現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)部位出現(xiàn)開裂，說明該條件下也不能獲得合格格柵產(chǎn)品，如圖3(c)所示。分析認(rèn)為，當(dāng)間距過大時(shí)，位于筋條部位的初始材料顯著增多。經(jīng)過第一次拉伸后，盡管該處材料寬度上有所減小，但與節(jié)點(diǎn)部位相比差別較小。由于節(jié)點(diǎn)部位的材料尚未發(fā)生取向強(qiáng)化，在第二次拉伸過程中強(qiáng)度較低的節(jié)點(diǎn)部位材料將首先發(fā)生變形，最終因變形過大而產(chǎn)生斷裂。在給定孔徑和拉伸距離條件下，間距為8mm、10mm、12mm時(shí)均能獲得形狀良好的格柵，后續(xù)取這三種間距下得到的雙向格柵進(jìn)一步開展力學(xué)性能測試。

圖4為不同間距下雙向格柵拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的測試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)斷裂均出現(xiàn)在格柵節(jié)點(diǎn)與筋條的過渡區(qū)。

由圖4可知，隨間距增大，兩個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度均升高，斷裂伸長率先增大而后有所下降。總體來看，格柵縱向（即第一次拉伸方向）的力學(xué)性能普遍優(yōu)于橫向（第二次拉伸方向）。分析認(rèn)為，由于縱向拉伸后部分材料已經(jīng)發(fā)生了取向強(qiáng)化，這將對第二次拉伸過程中材料的變形起到一定阻礙作用。在拉伸距離不變時(shí)，材料變形不如第一次充分，因而削弱了橫向筋條的承載能力，導(dǎo)致雙向格柵兩個(gè)方向上的力學(xué)性能存在差異。此外，過大的間距意味著單位面積內(nèi)材料增多，因此在確保格柵力學(xué)性能前提下，可采用較小的間距以降低克重。

圖4 間距對聚丙烯雙向土工格柵力學(xué)性能的影響

(2)預(yù)沖孔孔徑對格柵成型的影響

圖5為不同圓孔孔徑下雙向格柵拉伸成型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)間距保持為10mm。

圖5 不同孔徑下拉伸成型結(jié)果

由圖5(a)可知，當(dāng)孔徑為3mm時(shí)，拉伸成型后在節(jié)點(diǎn)部位出現(xiàn)開裂，這種現(xiàn)象及產(chǎn)生原因與圖3(c)類似，說明過小的孔徑將導(dǎo)致格柵成型后的形狀難以控制，易因變形過大而出現(xiàn)破裂。當(dāng)孔徑為6mm時(shí)，盡管此時(shí)單位面積內(nèi)的材料減小，這對降低克重是有利的，但由圖5(c)可知，此時(shí)雙向拉伸后獲得的格柵筋條部位橫截面積明顯較小，這可能不利于格柵承載能力的發(fā)揮。在給定間距和拉伸距離條件下，孔徑為4mm和5mm時(shí)均能獲得形狀良好的格柵。為定量分析孔徑對雙向格柵力學(xué)性能的影響，進(jìn)一步選擇孔徑為4mm、5mm和6mm獲得的格柵開展測試。

圖6為不同孔徑下雙向格柵拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的測試結(jié)果。與不同間距條件下的格柵室溫拉伸結(jié)果類似，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)斷裂均出現(xiàn)在格柵節(jié)點(diǎn)與筋條的過渡區(qū)。

由圖6可知，隨孔徑增大，兩個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均降低。分析認(rèn)為，在拉伸變形過程中，格柵筋條部位的高分子鏈段沿拉伸方向重新分布，呈現(xiàn)取向增強(qiáng)現(xiàn)象。隨著變形持續(xù)發(fā)展，格柵筋條部位承載能力逐漸提高。盡管節(jié)點(diǎn)處材料整體變形程度較小，但由于節(jié)點(diǎn)橫截面積較大，致使格柵的力學(xué)性能薄弱點(diǎn)位于筋條與節(jié)點(diǎn)的過渡區(qū)。隨著預(yù)沖孔孔徑增大，在間距和拉伸距離不變時(shí)，格柵筋條寬度逐漸減小，筋條與節(jié)點(diǎn)過渡區(qū)的橫截面積及其承載能力也隨之減小，因而力學(xué)性能出現(xiàn)下降。

圖6 孔徑對聚丙烯雙向土工格柵力學(xué)性能的影響

4.結(jié)論

（1）合適的預(yù)沖孔間距和孔徑對于獲得合格格柵產(chǎn)品至關(guān)重要。在拉伸一定距離時(shí)，增大預(yù)沖孔間距或減小孔徑，均使雙向土工格柵兩個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度提高。

（2）雙向土工格柵縱向（第一次拉伸方向）的力學(xué)性能優(yōu)于橫向（第二次拉伸方向）?？蛇m當(dāng)增大第二次拉伸的拉伸距離以提高材料的變形程度，從而減小兩個(gè)方向的性能差異。