張 昊,孟慶婷,陶元慶,王振清,康少朋,張祥祥
·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·
地下糧倉塑料-混凝土防水體系抗水壓試驗
張 昊,孟慶婷,陶元慶,王振清,康少朋,張祥祥
(河南工業(yè)大學土木工程學院,鄭州 450001)
地下糧倉具有節(jié)能、節(jié)地、低溫和綠色環(huán)保等優(yōu)點,但由于地下水的影響,防水防潮一直是安全儲糧的技術難題,為此提出以聚丙烯塑料(Polypropylene Plastic,PP)作為內(nèi)襯材料的塑料-混凝土防水體系,其中,塑料板與混凝土采用塑料栓釘連接。考慮不同栓釘間距200、300和400 mm,設計制作了3個用于地下糧倉的塑料-混凝土水壓試件,進行了水壓加載試驗,分析了塑料構件在水壓作用下形態(tài)、破環(huán)機理、內(nèi)力和變形。試驗結果表明:在水壓作用下,塑料板內(nèi)應力和位移都隨水壓的增大而增大,節(jié)點位置承受較大拉力且應力最大值分布不均,跨中位置承受應力較小且最大值分布均勻;塑料板內(nèi)跨中位置的位移值隨水壓增大呈線性增加,節(jié)點位置的位移值變化較小。在試驗分析的基礎上,在10 mm厚塑料板和給定連接節(jié)點條件下,提出了塑料-混凝土防水體系優(yōu)化設計措施,塑料-混凝土防水體系達到水壓承載力時其破壞模式隨栓釘間距的變化而不同,在栓釘間距為200 mm時,其水壓承載力達到180 kPa時發(fā)生節(jié)點焊縫強度破環(huán),此類構件可通過增強節(jié)點處焊縫強度提高塑料構件的整體水壓承載力;在栓釘間距為300 mm時,其水壓承載力達到80 kPa時發(fā)生塑料板破環(huán),此類構件可通過增大板厚來提高構件的整體水壓承載力;在栓釘間距為400 mm時,其水壓承載力達到38 kPa時發(fā)生節(jié)點焊縫強度破環(huán),此類構件可增大節(jié)點焊縫強度來提高構件的整體水壓承載力,研究結果為地下糧倉的防水設計提供參考。
力學性能;節(jié)點;地下糧倉;聚丙烯塑料;水壓加載試驗;水壓承載力
地下糧倉建造在淺層地表下,具有低溫、節(jié)能、節(jié)地、綠色環(huán)保和戰(zhàn)平兩用等優(yōu)點,是構建低溫節(jié)能地下空間綠色儲糧新體系,是實現(xiàn)糧食行業(yè)綠色發(fā)展的理想倉型[1]。地下儲糧歷史悠久[2-3],近年來,不少學者致力于研究不受地下水位、地質(zhì)條件制約的現(xiàn)代新型地下糧倉,進行了結構受力試驗與數(shù)值分析[4-8]、結構抗浮[9]、新型支護體系[10]、傳熱與通風[11-12]等系統(tǒng)研究。但是由于地下糧倉高標準的防水防潮要求,防水防潮一直是地下糧倉設計的關鍵技術難題。聚丙烯塑料(Polypropylene Plastic,PP)物理性能較好,無毒無害[13],符合食品接觸用塑料制品標準[14],而且防水,耐腐蝕,易于施工,為此提出以PP作為內(nèi)襯材料的塑料-混凝土防水體系,具體做法是將混凝土與PP防水板通過PP棒和PP連接板連接,該防水體系能夠?qū)崿F(xiàn)結構與防水的一體化施工,較好解決外防水卷材、涂料易脫落且不易修復,鋼板防水容易腐蝕等常用地下防水措施所帶來的問題。目前國內(nèi)外學者對隧道、地下管廊等類似工程領域的防水應用進行了較多研究[15-21]。但是對聚丙烯塑料等工程塑料在地下糧倉的防水應用則較少[22-27]。其中,張昊等[22]對地下糧倉內(nèi)襯膠粘聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)水晶板接縫粘結性能、閉水性能和工程承壓能力進行了試驗研究,試驗表明PVC水晶板的膠粘接縫剪切和剝離強度均符合規(guī)范要求,閉水性能良好。張淑媛[23]通過抗拔試驗研究了開槽、塑料棒的直徑,混凝土的強度等級,溫度等因素對塑料棒與混凝土的抗拔力的影響,得出了塑料棒在混凝土中通過表面開槽可以大幅提高抗拔力,并且隨著塑料棒直徑增大或者提高混凝土強度,抗拔力也隨之增大。常哲等[24]通過抗拔試驗對螺紋型聚丙烯棒在混凝土中的粘結性能和其破壞形態(tài)進行了研究。常晨輝[25]對焊接、螺紋、螺紋加固型、螺紋焊接加固型等不同塑料節(jié)點形式進行軸心受拉試驗,分析不同節(jié)點形式的受力特點和性能,得到了塑料焊縫強度公式。席達等[26]對膠粘在地下糧倉內(nèi)部的不同形式聚丙烯塑料板焊縫進行了水壓試驗,為地下糧倉的防水防潮提供了依據(jù)。丁明等[27]將聚丙烯塑料板膠粘在地下糧倉內(nèi)部作為防水層,對其與混凝土之間的拉伸粘接強度、閉水性能等進行了試驗研究。
綜上所述,基于膠粘的塑料-混凝土防水體系研究較為成熟,為地下糧倉的防水防潮設計提供了參考,而基于塑料栓釘連接的塑料-混凝土防水體系研究還僅限于塑料焊縫和塑料栓釘在混凝土的抗拔性能。本文在前人研究的基礎上,針對地下糧倉塑料-混凝土防水體系,基于200、300、400 mm 3種不同栓釘間距水壓試件進行了水壓加載試驗,分析塑料構件在水壓作用下的破壞形態(tài)、破環(huán)機理、內(nèi)力和變形。在試驗分析的基礎上,提出塑料-混凝土防水體系優(yōu)化設計措施,為地下糧倉的防水設計提供理論基礎和參考。
防水體系由PP防水板、PP栓釘(見圖1a所示)、PP連接板、節(jié)點焊縫和混凝土板組成,PP栓釘與PP連接板采用螺栓連接,PP連接板與PP防水板通過焊縫連接。試驗設計了3個塑料-混凝土水壓試件,如圖1所示,PP防水板厚度為10 mm,試件內(nèi)側布置5行5列PP栓釘,栓釘間距分別為200、300、400 mm,所對應試件編號分別為PCS-1、PCS-2、PCS-3。
注:d為栓釘間距,m;L為構件長度,mm。下同。
為節(jié)省材料,充分發(fā)揮栓釘?shù)目拱瘟Σ⒔Y合水壓試驗試件厚度,采用的PP栓釘直徑為25 mm,總長為95 mm,PP栓釘一端進行車絲處理,螺距根據(jù)GB/T193-2003普通螺紋直徑與螺距系列[28]標準選擇螺距間距為2 mm,車絲總長度為20 mm;根據(jù)常晨輝[25]PP連接板的直徑取為90 mm,既保證焊縫處和螺紋連接處強度相當,也使材料的強度得到充分利用;從工程實際應用及經(jīng)濟性方面考慮,PP防水板的厚度選為10 mm。內(nèi)襯塑料構件見圖1b所示。
在內(nèi)襯塑料構件四周設置塑料模板,同時為了更好防止在水壓加載過程中發(fā)生水流滲出增設止水塑料板。塑料模板、止水塑料板與PP防水板的連接均為焊縫連接;為了在試件內(nèi)部實現(xiàn)均布水壓,PP連接板、止水塑料板與PP擋板分別進行焊接連接,以形成注水空間。在試件中心位置設置注水孔,四周位置設置排氣孔(如圖1c所示)。試件內(nèi)部鋼筋網(wǎng)選擇8鋼筋進行雙層布置,間距為200 mm,試件四角處放置直徑為12的鋼筋吊環(huán),PP栓釘頂部混凝土保護層厚度設為45 mm,防止水溢出。待水壓試件制作完成后,進行混凝土澆筑,如圖2所示。
圖2 試件示意圖
為了掌握防水塑料板在水壓作用下應變的分布情況,根據(jù)其受力特點及邊界條件,在防水塑料板內(nèi)側節(jié)點位置粘貼24個應變片,如圖3所示;塑料構件外側對應四節(jié)點間中間(簡稱跨中)選取8處粘貼應變片,編號為SK-H31~H34和SK-H41~H44,如圖4所示。為了測定防水塑料板上的最大位移和塑料栓釘端部節(jié)點處的位移,探究試件的位移變化規(guī)律,在PP防水板外側節(jié)點處布置位移測點7個,編號為WY-JD1~WY-JD7,跨中布置位移測定點8個,編號為WY-KZ1~WY-KZ8,如圖4所示。圖4中黑色長方形代表應變片測點,黑色圓點代表位移計測點。
注:JD表示構件上節(jié)點,N、W、E、S分別表示節(jié)點中心線上不同方向,數(shù)字表示應變測點位置。下同。
圖4 試件外側位移計、應變片設置示意圖
3.1.1 塑料拉伸性能
試驗參照GB/T 1040-2006對聚丙烯進行試樣制作(如圖5所示)和塑料拉伸性能測定[29],聚丙烯塑料的應力、應變、彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)詳見表1。
圖5 聚丙烯塑料試樣
表1 塑料拉伸性能
3.1.2 混凝土抗壓強度
在水壓試驗試件混凝土澆筑過程中,根據(jù)《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152-2012)[30]制作6個150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件,混凝土試件,標準條件下養(yǎng)護28 d后,進行抗壓試驗,混凝土抗壓強度平均值為41.7 MPa。
水壓加載裝置采用承德市科標檢測儀器制造有限公司生產(chǎn)的KXGJ系列靜液壓試驗機,由壓力控制主機、壓力站、計算機軟件系統(tǒng)組成。正式加載前,先注水排出PP防水板和PP擋板之間的氣體,形成穩(wěn)定水壓,待4個排氣孔有水流出時關閉排氣孔閥門。正式水壓加載試驗,設置初始水壓為10 kPa,增幅壓力為10 kPa,逐級加載直至試件破壞,每級壓力保壓3 min,并記錄相應位移、應變值。試件加載裝置、現(xiàn)場試驗圖如圖6所示。
1.水源 2.壓力站 3.主機 4.控制閥 5.壓力表 6.泄壓閥 7.注水孔 8.排氣孔 9.試件 10.支墩 11.應變采集 12.位移采集
4.1.1 節(jié)點位移-水壓關系
由圖7a可知,試件PCS-1中節(jié)點處位移整體上隨著水壓的增大而增大,當水壓加載至最大值180 kPa時,位移最大值出現(xiàn)在JD4測點位置,其值為0.63 mm,試件PCS-1在12號節(jié)點處發(fā)生焊縫破壞;由圖7b可知,試件PCS-2中節(jié)點處位移隨著水壓的增大而增大,各個測點位移變化趨勢基本相同,當水壓加載至最大值80 kPa時,位移最大值出現(xiàn)在JD7測點位置,其值為0.94 mm,試件PCS-2發(fā)生塑料防水板破壞;由圖7c可知,試件PCS-3中節(jié)點處位移隨著水壓的增大而增大,各個測點位移變化趨勢基本相同,當水壓加載至最大值38 kPa時,位移最大值出現(xiàn)在JD4測點位置,最大位移值為0.74 mm,試件PCS-3在13號節(jié)點處發(fā)生焊縫破壞。綜合分析3個試件可知,節(jié)點處位移在水壓加載過程中其變化值都較小,最大值僅為0.94 mm,該結果表明塑料栓釘在混凝土中滑移以及節(jié)點處焊縫和螺紋產(chǎn)生的變形很小,其對整體內(nèi)襯塑料構件的內(nèi)力影響可忽略不計。
注:WY表示構件的位移,JD表示構件節(jié)點,數(shù)字表示節(jié)點編號。
4.1.2 跨中位移-水壓關系
由圖8a可知,試件PCS-1跨中位移隨水壓的增大而增大,二者基本呈線性關系;當水壓加載至180 kPa時,試件PCS-1發(fā)生破壞,位移最大值發(fā)生在測點KZ1處,其值為3.15 mm。由圖8b可知,試件PCS-2跨中位移隨水壓增大呈線性增加;在水壓達到80 kPa時,試件PCS-2發(fā)生破壞,最大位移為10.91 mm,位于KZ4測點位置。由圖8c可知,試件PCS-3跨中位移隨水壓增加,其值基本呈線性增加;在水壓達到38 kPa時,試件PCS-3發(fā)生破壞,最大位移為12.82 mm,位于KZ7測點位置。綜合分析3個試件,隨著水壓的增大,跨中位移增長趨勢基本相同,跨中位置在水壓作用下,受力較為均勻。
注:表中WY表示構件上的位移,KZ表示構件四節(jié)點跨中,數(shù)字表示跨中位移測點位置。
4.2.1 節(jié)點應變-水壓關系
從加載至水壓承載力階段,試件典型節(jié)點處應變-水壓曲線如圖9所示,其中試件PCS-1節(jié)點應變測點E3和PCS-2節(jié)點測點W2在水壓分別為180和80 kPa時,出現(xiàn)負值,受力呈受壓狀態(tài),這與實際受力狀態(tài)不一致,因此在圖中將2測點在180 kPa時應變值設為0。由圖9a可知,試件PCS-1在水壓加載過程中,各測點節(jié)點應變基本上隨水壓的增大而增大,當水壓達到180 kPa時,應變值最大值為0.003 7,其位于JD-S3測點位置;由圖9b可知,試件PCS-2節(jié)點應變數(shù)值隨水壓上升而呈現(xiàn)不斷增大的趨勢,當水壓達到80 kPa時,應變值最大值為0.013,其位于JD-S4測點位置;由圖9c可知,試件PCS-3節(jié)點處應變基本呈現(xiàn)隨水壓增大而增大的趨勢,當水壓達到38 kPa時,應變值最大值為0.007 7,其位于JD-S5測點位置;綜合分析3個構件,在達到水壓承載力時,各節(jié)點位置在水壓力作用下產(chǎn)生拉應變,其應變最大值離散性較大,受力比較復雜,這是由于應變測點位置緊鄰焊縫位置,焊縫處產(chǎn)生的應力集中對測點的應變影響較大。
4.2.2 跨中應變-水壓關系
從加載至水壓承載力階段,試件跨中處應變-水壓曲線如圖10所示,由圖10a可知,在水壓加載過程中,試件PCS-1跨中應變值隨水壓增大而增大,當水壓加載至180 kPa時,各測點應變均達到最大值,應變最大值發(fā)生在應變測點H42處,其值為0.004 1;由圖10b可知,試件PCS-2跨中處應變均隨水壓的增大而增大,其中測點H32和H42應變變化趨勢較平緩,而測點H33和H43的應變在水壓加載過程中出現(xiàn)了轉折,但各測點應變均在水壓達到80 kPa時達到最大值,應變最大值發(fā)生在測點H42處,最大值為0.0045;由圖10c可知,試件PCS-3跨中處應變值隨水壓的增大而增大,二者基本呈線性關系,當水壓加載至38 kPa時,各測點應變均達到最大值,應變最大值發(fā)生在測點H33處,其值為0.003 5。綜合分析3個構件,在水壓加載過程中,跨中應變隨水壓增長的趨勢較為一致,跨中受力比較均勻。
圖9 試件節(jié)點處應變-水壓曲線
注:SK表示構件四節(jié)點跨中,H表示橫向方向,數(shù)字中第一個表示行,第二個表示列。
對試件PCS-1,當水壓加載至180 kPa時,試件PCS-1中12號節(jié)點發(fā)生破壞,此時板內(nèi)水壓驟降至40 kPa,當水壓繼續(xù)加載至90 kPa時,塑料防水板發(fā)生破壞,構件斷裂位置如圖11a所示。對12號節(jié)點四周進行切割,如圖11b所示,該處節(jié)點處連接板與防水板連接焊縫發(fā)生斷裂破壞,栓釘與連接板螺紋連接處完好。分析節(jié)點破壞原因,這是由于內(nèi)襯塑料構件在水壓作用下,防水塑料板產(chǎn)生變形,四節(jié)點跨中位置變形較大,變形越大節(jié)點焊縫處受到的應力越大,最后導致焊縫發(fā)生撕裂破壞。當構件上12號節(jié)點發(fā)生破壞后,導致栓釘間距變大,防水塑料板在缺少一個節(jié)點的約束下產(chǎn)生更大的變形,最后塑料板發(fā)生剪切破壞。從試驗結果可知,在栓釘間距為200 mm時,內(nèi)襯塑料構件承壓能力取決于節(jié)點焊縫強度,通過提高節(jié)點處焊縫強度,可提高構件的整體承壓能力。
圖11 PCS-1破壞示意圖
對試件PCS-2,當水壓加載至80 kPa時,構件內(nèi)部節(jié)點均未發(fā)生損壞,內(nèi)襯塑料構件防水塑料板發(fā)生破裂,塑料板斷裂位置如圖12a所示。對試件PCS-2進行切割處理,選取中心位置13號節(jié)點處進行切割,該處位置焊縫和螺紋車絲處均未發(fā)生破壞(如圖12b所示),其余節(jié)點位置在試驗過程中也未發(fā)生位移突變情況。由試驗結果知,在栓釘間距為300 mm時,內(nèi)襯塑料構件承壓取決于PP板厚度,通過增大板厚,可以提高構件的整體水壓承載力。
圖12 PCS-2破壞示意圖
對試件PCS-3進行水壓加載,由于栓釘間距較大,塑料板變形也較大,對應的水壓承載力較小,因此壓力按照1 kPa逐級加載。當壓力加載至38 kPa時,13號節(jié)點處發(fā)生破壞,該處位移突然增大,試件內(nèi)壓力瞬間降至18 kPa;接著進行第二階段加壓,當水壓力遞增加載至26 kPa時,14號節(jié)點破壞,試件內(nèi)壓力降至17 kPa;繼續(xù)對其加壓至26 kPa時,內(nèi)襯PP板破裂,試件破壞圖及塑料板斷裂位置如圖13a所示。對破壞節(jié)點進行切割發(fā)現(xiàn),13號節(jié)點發(fā)生焊縫破壞(如圖13b所示);14號節(jié)點焊縫良好,螺紋連接處破壞如圖13c所示。
圖13 PCS-3破壞示意圖
當?shù)谝?、第二個節(jié)點相繼破壞后,栓釘間距加大,隨著壓力的增大,防水塑料板最終破裂。由試驗結果知,在栓釘間距為400 mm時,內(nèi)襯塑料構件承壓能力取決于節(jié)點的焊縫強度以及螺紋的咬合能力,因此增大節(jié)點焊縫和螺紋連接強度可以提高構件的整體水壓承載力。
通過水壓加載試驗,不同栓釘間距的試件PCS-1、PCS-2、PCS-3能承受的最大水壓力分別是180、80、38 kPa,PCS-1和PCS-3均是節(jié)點處先發(fā)生破壞,節(jié)點強度是影響水壓承載力的關鍵。栓釘間距為200 mm時,水壓承載力為180 kPa;栓釘間距為300 mm時,水壓承載力為80 kPa,相比栓釘間距為200mm的構件,其承載力降低了56%;栓釘間距為400 mm時,水壓承載力為38 kPa,相比栓釘間距為300 mm的構件,其承載力降低了53%。栓釘間距不斷增大,水壓承載力不斷減小。
本文通過設計不同栓釘間距的塑料-混凝土試驗構件進行水壓加載試驗,探究塑料-混凝土中內(nèi)襯塑料構件的水壓承載力和受力情況,主要研究結論如下:
1)在水壓作用下,塑料板內(nèi)應力和位移都隨水壓的增大而增大,節(jié)點位置承受較大拉力且應力最大值分布不均,跨中位置承受應力較小且最大值分布均勻;塑料板內(nèi)跨中位置的位移值隨水壓增大呈線性增加,節(jié)點位置的位移值變化較小。塑料板跨中處應變隨位移的增大而增大。
2)在10 mm塑料板厚和給定連接節(jié)點條件下,塑料-混凝土防水體系水壓承載力隨著栓釘間距增大而減小。栓釘間距為200 mm時,水壓承載力為180 kPa;栓釘間距為300 mm時,水壓承載力為80 kPa,相比栓釘間距為200 mm的構件,其承載力降低了56%;栓釘間距為400 mm時,水壓承載力為38 kPa,相比栓釘間距為300 mm的構件,其承載力降低了53%。
3)塑料-混凝土防水體系達到水壓承載力時其破壞模式隨栓釘間距的變化而不同,在栓釘間距為200 mm時,發(fā)生節(jié)點焊縫強度破環(huán),此類構件可通過增強節(jié)點處焊縫強度提高塑料構件的整體水壓承載力;在栓釘間距為300 mm時,發(fā)生塑料板破環(huán),此類構件可通過增大板厚來提高構件的整體水壓承載力;在栓釘間距為400 mm時,發(fā)生節(jié)點焊縫強度破環(huán),此類構件可增大節(jié)點焊縫強度來提高構件的整體水壓承載力。
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Experiment on water pressure resistance of plastic-concrete waterproof system of underground granary
Zhang Hao, Meng Qingting, Tao Yuanqing, Wang Zhenqing, Kang Shaopeng, Zhang Xiangxiang
(450001,)
The underground granary has the advantages of energy conservation, land saving, low temperature, and environment protection. However, resistance of water and moisture from the groundwater has been main concerns for storing grains in underground granary. A plastic-concrete waterproof system using the polypropylene plastic (PP) as the waterproof layer was proposed. In this system, the plastic plate and concrete components were connected with plastic studs. Three plastic-concrete testing models were designed and fabricated based on the different stud spaces for the underground granary. In order to analyze the failure mode, failure mechanism, internal force and deformation of the plastic members under the water pressure, hydraulic loading tests were carried out.The test results showed that: the internal stress and displacement of the plastic plate increased with the increase of water pressure; the larger tensile force appeared at the joint area with the maximum stress unevenly distributed; the stress at mid-span was small with the maximum stress uniformly distributed. The displacement at the mid-span of the plastic plate increased linearly with increase of water pressure, whereas the displacement displacement at the joint changed slightly. On the basis of experimental analysis, the optimal design measures were proposed for the plastic-concrete waterproof system with plastic plate of 10 mm and given connection joints. When the water pressure reached its bearing capacity the failure modes of the plastic-concrete waterproof system were changed with change stud spacing. For the stud space of 200 mm, the joint weld seam was damaged at the water pressure of 180 kPa, which indicated that the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be improved by enhancing the weld strength at the joint. For the stud space of 300 mm, the plastic plate was damaged with the water pressure capacity of 80 kPa, which indicated that the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be enhanced by increasing the plate thickness. For the stud space of 400 mm, the joint weld seam was destroyed when the water pressure reached 38 kPa, the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be enhanced by increasing the strength of the joint weld seam. The research results can provide a reference for waterproof design of the underground granary.
mechanical properties; joint; underground granary; polypropylene plastic; hydraulic loading test; water pressure bearing capacity
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2020-07-03
2020-10-30
河南省科技攻關項目(202102110122);省屬高?;究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2016QNJH23);河南工業(yè)大學高層次人才科研啟動基金項目(2018BS077)
張昊,副教授,主要研究方向為儲倉結構和綠色儲糧體系。Email:zzbright@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.035
TU57
A
1002-6819(2020)-21-0292-08