陳永明，劉冬梅，張曉輝，宋 陽，高銘含

(吉林省水利科學(xué)研究院，吉林 長春 130022)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展及科技的進步，塑料構(gòu)件在我國水利工程中得以多樣化發(fā)展，其應(yīng)用愈發(fā)廣泛。其中塑料土工格柵因其質(zhì)量輕、蠕變性能好、耐腐蝕性能好、抗拉強度高等特點，被廣泛應(yīng)用于軟基加固等工程項目中，隨著塑料土工格柵的廣泛應(yīng)用，其生產(chǎn)規(guī)模逐漸增大。然而，我國塑料土工格柵的生產(chǎn)工藝仍未完全成熟，雖然塑料土工格柵的生產(chǎn)從數(shù)量、規(guī)模上得到了明顯的突破，但構(gòu)件本身的力學(xué)性能仍未展開深入研究，而塑料土工格柵構(gòu)件的力學(xué)性能直接關(guān)系到水利工程的施工質(zhì)量，甚至影響到水利工程的社會效益。所以在塑料土工格柵的實際生產(chǎn)中，不僅需要考慮構(gòu)件的外觀、成本等問題，更需要綜合考慮構(gòu)件的抗拉強度、伸長率性能。因此，本文針對塑料土工格柵的力學(xué)性能及應(yīng)用展開深入研究，對提升構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量有著重要作用，同時對推動我國水利工程發(fā)展有著指導(dǎo)意義。

1 實驗準備

1.1 實驗材料與設(shè)備

塑料土工格柵作為當下我國水利工程中應(yīng)用最為廣泛的施工材料，在地基加固等施工中主要發(fā)揮著抗拉伸、抗變形等作用，所以本文針對塑料土工格柵的力學(xué)性能設(shè)計了單一變量實驗，通過塑料土工格柵的拉伸實驗，探究構(gòu)件在生產(chǎn)過程中不同工藝參數(shù)對產(chǎn)品力學(xué)性能的影響，進而得到最佳的塑料土工格柵生產(chǎn)工藝參數(shù)[1]。本次拉伸實驗采用的原材料為聚丙烯，聚丙烯是一種熱塑性塑料，具有熱力學(xué)性能比較穩(wěn)定的優(yōu)點，所以被當作水利工程中塑料構(gòu)件的主要原材料[2]。一般來說，聚丙烯內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)是雜亂無章的，當聚丙烯材料受到拉伸時，內(nèi)部分子會按照一定方向進行聚向，而且聚向程度不同，成型的塑料土工格柵力學(xué)性能也會存在很大差別，所以在聚丙烯材料拉伸成型過程中，可以通過改變工藝參數(shù)來調(diào)節(jié)聚丙烯內(nèi)部分子的聚向程度，進而控制土工格柵的力學(xué)性能。本次實驗在聚丙烯材料上經(jīng)過精沖加工成型為土工格柵試樣[3]，如圖1所示。

圖1 聚丙烯土工格柵試樣

本次實驗中采用的聚丙烯土工格柵試樣形狀如圖1所示，該試樣的具體尺寸見表1。

表1 聚丙烯土工格柵試樣尺寸表

本次實驗采用CMT4104型號的電子萬能實驗機進行聚丙烯土工格柵試樣的拉伸，該實驗機為微機控制、全數(shù)字顯示的精密儀器，其各項技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 萬能實驗機性能參數(shù)表

與此同時，本次實驗設(shè)備還包括拉力傳感器、拉伸位移傳感器、實驗數(shù)據(jù)自動采集裝置等。

1.2 實驗方法與過程

本實驗旨在探究塑料土工格柵的力學(xué)性能，以聚丙烯試樣為對象，采用萬能實驗機進行單向拉伸實驗[4]。實驗過程中，根據(jù)聚丙烯材料的力學(xué)特性，采用拉伸溫度、拉伸速度以及拉伸長度作為實驗變量[5]，見表3。

表3 塑料土工格柵拉伸實驗變量

在聚丙烯土工格柵試樣拉伸時，為保障試樣力學(xué)性能測試的準確性，需要對表3中實驗變量進行嚴格控制。每一次單一變量實驗中，均需要將聚丙烯土工格柵試樣放置在萬能實驗機上，再按照以下流程進行拉伸實驗：首先，將萬能實驗機的總開關(guān)打開，同時啟動數(shù)據(jù)采集裝置，實時采集實驗數(shù)據(jù)，參考設(shè)計拉伸方案在萬能實驗機上選擇對應(yīng)的實驗類型，并新建塑料土工格柵拉伸實驗；然后采用馬克筆在聚丙烯試樣上做標記，便于實驗機的夾具控制；最后根據(jù)設(shè)計變量控制試樣的拉伸參數(shù)，對試樣進行拉伸操作，直至試樣斷裂停止拉伸。在聚丙烯土工格柵試樣拉伸結(jié)束后，根據(jù)實驗結(jié)果，本文選擇拉伸強度與伸長率作為構(gòu)件的力學(xué)性能指標[6]。其中拉伸強度主要指聚丙烯材料單位寬度所承受的拉力，計算公式如下所示：

(1)

式中，P—聚丙烯土工格柵試樣的拉伸強度；F—土工格柵試樣所受拉力值；n—土工格柵試樣單位寬度上的肋數(shù)；m—土工格柵試樣的總肋數(shù)；W—土工格柵試樣的寬度。塑料土工格柵的伸長率主要指試樣伸長量占初始長度的比值，其計算公式如下所示：

(2)

式中，δ—聚丙烯土工格柵試樣的伸長率；l—土工格柵試樣達到標稱強度時，萬能實驗機夾具的位移量；l1—土工格柵試樣在預(yù)拉強度時，萬能實驗機夾具邊緣之間的距離。本次塑料土工格柵拉伸實驗中，分別獲取了不同變量下的試樣拉伸強度與伸長率，通過對比分析塑料土工格柵的力學(xué)性能受工藝參數(shù)的影響。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 不同拉伸溫度下構(gòu)件拉伸性能對比

當聚丙烯土工格柵試樣處于相同拉伸速度(100mm/min)與拉伸長度(90mm)條件時[7]，改變試樣的拉伸溫度，此時得到不同拉伸溫度對塑料土工格柵力學(xué)性能的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同拉伸溫度下塑料土工格柵拉伸性能

由圖2可知，在聚丙烯土工格柵的單向拉伸實驗中，當拉伸速度與拉伸長度相同時，隨著拉伸溫度的提升，聚丙烯試樣的拉伸強度呈先增大后趨于不變的狀態(tài)，這主要是因為當試樣拉伸溫度較低時，聚丙烯材料的分子結(jié)構(gòu)的能量較低，其聚向較差，導(dǎo)致試樣易斷裂，所以拉伸強度較差，而隨著溫度的升高，聚丙烯材料分子結(jié)構(gòu)的聚向度增大，內(nèi)部缺陷減少，所以拉伸強度提升，但過高的溫度下聚丙烯材料的分子結(jié)構(gòu)在結(jié)晶作用下形成了球晶，使試樣的拉伸強度趨于穩(wěn)定。與此同時，隨拉伸溫度的提升，聚丙烯試樣的伸長率呈不斷增大的狀態(tài)，這主要是因為隨著溫度的上升，聚丙烯材料的分子活動能力不斷提升，分子鏈段在聚向作用下呈纖維狀，促使試樣的伸長率不斷增大。綜上，在塑料土工格柵生產(chǎn)過程中，為保障構(gòu)件力學(xué)性能且避免資源浪費，采用150℃的拉伸溫度最佳。

2.2 不同拉伸速度下構(gòu)件拉伸性能對比

當聚丙烯土工格柵試樣處于相同拉伸溫度(150℃)與拉伸長度(90mm)的條件下[8]，不斷改變試樣的拉伸速度，此時得到不同拉伸速度對塑料土工格柵力學(xué)性能的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同拉伸速度下塑料土工格柵拉伸性能

由圖3可知，不同拉伸速度下聚丙烯土工格柵試樣的力學(xué)性能指標受影響程度均不一致，隨著拉伸速度的不斷增大，試樣的拉伸強度呈增長趨勢，且和拉伸速度呈正相關(guān)，這主要是因為聚丙烯材料的阻尼黏滯特性會隨拉伸速度的增大而增大，所以拉伸強度也隨之增長。同時，隨著拉伸速度的不斷增大，試樣伸長率呈先增長后下降的趨勢，這主要是因為聚丙烯材料分子結(jié)構(gòu)的聚向度會隨拉伸速度的增加而增加，所以伸長率增加，但如果拉伸速度過快，分子結(jié)構(gòu)來不及反應(yīng)無法充分聚向，導(dǎo)致伸長率降低。因此，在塑料土工格柵生產(chǎn)過程中，采用200mm/min的拉伸速度時，構(gòu)件的力學(xué)性能最佳。

2.3 不同拉伸長度下構(gòu)件拉伸性能對比

當聚丙烯土工格柵試樣處于相同拉伸溫度(150℃)與拉伸速度(200mm/min)的條件下[9]，不斷改變試樣的拉伸長度，此時得到不同拉伸長度對塑料土工格柵力學(xué)性能的影響結(jié)果見表4。

表4 不同拉伸長度下塑料土工格柵拉伸性能

由表4可知，隨著聚丙烯土工格柵試樣拉伸長度的不斷增加，試樣的拉伸斷裂長度也不斷增大，但斷裂長度并不能直接代表拉伸性能，還需查看試樣的拉伸強度與伸長率。隨試樣拉伸長度的增加，拉伸強度與伸長率均先增大后減小，二者變化趨勢一致，且當拉伸長度為120mm時，聚丙烯土工格柵的拉伸強度與伸長率達到最大值，拉伸強度為483.6MPa，伸長率為6.17%，這主要是因為聚丙烯試樣的拉伸過程就是分子結(jié)構(gòu)的聚向過程，當拉伸溫度為150℃、拉伸速度為200mm/min、拉伸長度為120mm時，試樣已經(jīng)得到充分拉伸，其拉伸性能不會再隨拉伸長度的增加而增強，反而出現(xiàn)下降狀態(tài)。

3 塑料土工格柵的應(yīng)用

塑料土工格柵[10]是我國水利工程項目中應(yīng)用最為廣泛的施工材料，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、性能較好等優(yōu)勢，在塑料土工格柵加工過程，經(jīng)過定向拉伸(單向或雙向)，使原材料的聚合物分子沿拉伸方向定向排列，提高了其抗拉強度、伸長率等力學(xué)性能。在實際水利工程中的應(yīng)用，塑料土工格柵多用于以下幾個方面：①軟土地基加固施工，塑料土工格柵因其具有較強的抗拉伸強度，在軟土地基中起到應(yīng)力分散的作用，從而提升軟土地基的抗剪強度，增大地基承載力，避免軟土地基在施工過程中發(fā)生不均勻沉降等現(xiàn)象；②邊坡防護施工，塑料土工格柵拉伸性能良好，可以有效固定邊坡土壤，增強填筑體整體的受力強度，進而改善邊坡的防沖刷能力；③擋土墻與護岸墻的加筋施工，將塑料土工格柵作為擋土墻加筋的主要材料，其拉伸性能優(yōu)越，可以提高擋土墻體地基變形的適應(yīng)性及抗震性能，而且塑料土工格柵的施工技術(shù)較為簡單、經(jīng)濟性及實用性較高，可以保障水利工程的順利進行。

4 結(jié)語

本文針對塑料土工格柵的力學(xué)性能及應(yīng)用展開研究，在萬能實驗機下，對塑料土工格柵力學(xué)性能進行測試實驗，在不同的拉伸溫度、拉伸速度以及拉伸長度的條件下，聚丙烯試樣的力學(xué)性能差別較大，當拉伸溫度為150℃、拉伸速度為200mm/min、拉伸長度為120mm時，聚丙烯土工格柵試樣的拉伸性能最優(yōu)越，其拉伸強度為483.6MPa、伸長率為6.17%，實驗所得數(shù)據(jù)可以為我國水利工程中塑料土工格柵的實際生產(chǎn)提供參考。

但本文僅以單向聚丙烯土工格柵為對象，今后還將嘗試對雙向土工格柵以及聚乙烯土工格柵等進行同樣的實驗研究，探討其力學(xué)特性的影響因素。