塑料格栅低温蠕变试验研究

岳国峰，汪恩良

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

1 引言

塑料格栅具有网状结构，埋入土中后，土料即可嵌入格栅的网格中，加上土料与格栅表面的摩擦及其受拉时节点的被动阻抗作用，约束了土料颗粒的侧向位移。这样，格栅与土共同构成了一个复合材料体系，大大增加了土体的稳定性，因而起到加固岩土的作用。

蠕变是塑料土工格栅的一种重要特性，是指在不变的拉伸荷载作用下，应变随时间而增长的现象。当塑料土工格栅应用于加筋土结构时，塑料土工格栅的容许抗拉强度取决于蠕变、化学剂破坏、铺设时机械破坏和生物破坏等诸多因素。其中，蠕变引起的抗拉强度折减系数最大。例如，王钊在试验中发现，聚丙烯双向格栅在40%T荷载的作用下，1 196 h后拉断，拉断时应变达62%[1]。塑料土工格栅的蠕变特性与原材料性质、产品的结构型式和拉伸荷载的大小有关，同时也受周围介质及压力和温度的影响。塑料土工格栅高温条件下的蠕变试验前人已作了大量的工作，而寒冷地区的加筋土结构，在漫长的冬季筋材长期处于负温工况，极限温度低于－20℃，而夏季土体温度可能达到 +20℃以上，塑料土工格栅在低温条件下蠕变性能如何，稳定后的筋材在冻融循环作用下将如何演变，目前尚未见报道。本文将着重研究塑料土工格栅的低温蠕变性能，对上述问题予以回答。

2 蠕变试验简介

本次试验塑料土工格栅抗拉强度的测定参照中华人民共和国国家标准(GB/T 17689－1999土工合成材料 塑料土工格栅)[2]，蠕变测试参照ISO 13431:1999规定的测试方法进行试验。

2.1 试验仪器

塑料土工格栅蠕变试验采用自制的蠕变测试仪测定，加载系统通过杠杆系统施加相应荷载。

2.2 试验材料

本次试验选择单向拉伸TGDG25型塑料格栅，其主要技术参数及力学参数测试结果见表1。

表1 塑料格栅主要技术参数及力学参数测试结果

2.3 试样制备

试样长度采用6个节点(5段)，宽度采用5个节点(5条纵向肋条)。测量变形采用1 000 mm大标距，用钢尺测量，精确到毫米，这样误差为0.1%。在两标距以外，标距线距夹具25 mm，以免夹持对变形产生影响。

2.4 试样的夹持方法

上下夹具结构均为2块钢板，内设防滑槽，用螺栓拧紧，夹住试样。要求夹持均衡，不能产生加载后试样受力不均匀破坏现象，同时防止试样在钳口内打滑。夹具一端固定于底座上，另一端悬挂在杠杆加荷系统上。

2.5 试验环境

低温试验在专用低温试验室进行，温度控制范围:－35℃～+25℃，控温精度±1℃。每次将3组试样装置于蠕变测试仪上，控制室内温度和湿度，不受阳光直射，避免紫外线照射老化。

3 试验方案及试验过程

3.1 试验方案

按照我国对土工合成材料进行测试的相关方法，结合实验室现状，本次蠕变测试中固定载荷分别为拉伸强度的20%、40%和 60%，环境温度分别为 20℃、10℃、0℃和 －20℃。

在分析前期试验结果的基础上，考虑到冻融循环对蠕变的影响可能较小，固定荷载分别为拉伸强度的5%、10%、20%。试验时首先在20℃环境进行蠕变试验，待变形稳定后进行－20℃～20℃冻融循环条件下的蠕变试验，冻融循环次数为10次。

3.2 调湿

在试验前试样应置于湿度为65士2%、温度为20士2℃的实验室中保持24 h。

3.3 加荷和应变测量

用砝码作为载荷，悬挂在杠杆系统上作为施加的拉伸荷载一次施加。

试验过程中测读时间间距由小变大，分别测读0.1 min，8 min，12 min，30 min，1 h，2 h，4 h，8 h，12 h，24 h的读数，以后每间隔24 h测读一次至1 000 h，用试样标距间的伸长值除以试样原始长度，即为应变值。

4 试验结果整理与分析

蠕变试验最重要的成果是应变随时间变化的曲线，根据试验数据，将四组温度条件下在不同荷载作用下的蠕变过程曲线绘于图1～图4。

图1 20℃下塑料土工格栅TGDG25蠕变特征曲线

图2 10℃下塑料土工格栅TGDG25蠕变特征曲线

图3 0℃下塑料土工格栅TGDG25蠕变特征曲线

图4 －20℃下塑料土工格栅TGDG25蠕变特征曲线

由图1～图4可以看出，各个温度3个不同的荷载水平下应变随时间变化曲线随荷载的增加斜率逐渐增大，说明在相同温度下，TGDG25型塑料土工格栅的蠕变特性随载荷的增加更加明显。但明显看出，随着温度的降低，蠕变特性受荷载的影响越显著。图4中曲线更加明显，刚刚加荷后，较低荷载水平(20%Pmax)的蠕变曲线比较平缓，随着荷载增加，应变值迅速增大，稳定一段时间后，又开始产生变形，但很快就趋于稳定。

分析其原因主要有两个重要的指标影响聚合物的蠕变特性。

第一个指标是玻璃化温度Tg。它是指非晶态聚合物从玻璃态向高弹态转变的临界温度，不同聚合物的Tg是不同的。例如，PET的 Tg约 75℃，PP的 Tg在 －10～15℃，HDPE的Tg约－80℃。当聚合物的环境温度低于其Tg时，聚合物中的非结晶区的分子处于冻结状态，分子键不易移动，蠕变性低，故聚脂的蠕变性远低于聚丙烯和聚乙烯[3]。

第二个指标是拉伸取向。聚合物的拉伸过程分3个阶段，第1阶段为弹性阶段;过屈服点后进入第2阶段，应力—应变曲线呈水平;当应变达一定值后，应力又随应变而增长;因此，聚合物原料应拉伸到位，进入第3阶段，后期蠕变就不明显。所谓取向是指使分子键定向排列，这时聚合物呈各向异性，取向方向的强度大大提高了。

TGDG25型塑料土工格栅原料为HDPE，其Tg约为－80℃，随着环境温度降低，聚合物中的非结晶区的分子活动能力降低，分子键不易移动，所以需要较大的荷载才能使分子键的定向排列发生移动，这就可以解释为什么随着温度的降低，蠕变特性受荷载的影响越显著。

为了比较同一时刻不同温度下的应力应变关系，将各荷载下1 min、12 h、1 000 h时的应变值重新整理得相同荷载下应变与温度关系曲线绘于图5～图7。

从图5～图7曲线看出，相同荷载下1 min曲线应变值与温度变化呈近似线形关系，1 000 h曲线从20℃降到10℃时下降尤其明显。可见，相同荷载下同一时间段应变值随温度的降低而明显降低，表明荷载对塑料土工格栅蠕变特性影响显著。

5 结论

1)塑料格栅在不同温度下的蠕变不同，在20℃状态下，1 000 h后当伸长率接近14%时，60%Pmax下变形仍没有稳定迹象;而在－20℃ 状态下，仅100余小时，变形就趋于稳定，且伸长率不足2.5%。可以得出结论，塑料格栅蠕变性能受温度影响很大，并且温度越低蠕变值越小。

2)低温条件下塑料格栅的设计取值可以适当减小，但设计、施工时应考虑冻融循环对蠕变性能的影响。

图5 20%Pmax下应变与温度关系曲线

图6 40%Pmax下应变与温度关系曲线

图7 60%Pmax下应变与温度关系曲线

[1]王钊.土工合成材料的蠕变试验[J].岩土工程学报，1994，16(6):96－102.

[2]全国塑料制品标准化技术委员会.GB/T 17689－2008土工合成材料塑料土工格栅[S].北京:中国标准出版社，2008.

[3]王钊.国外土工合成材料的应用研究[M].香港:现代知识出版社，2002.