桥梁缆索用HDPE寿命研究现状*

张彬玢 张鸿琪

1 概述

HDPE在1956年就已推出,它具有密度较大,力学强度、熔点和硬度较高的特点,同时可应用各种先进技术改善和提高HDPE的其他性能。近50年来,HDPE在土木工程行业中的应用越来越广泛,桥梁工程中应用是以HDPE为基料的缆索热挤护套用料,其中添加了 2.5%左右的炭黑并已加入了抗氧剂以保持HDPE加工和成型后的热稳定性,使之具备吸湿性小、耐磨性好、耐寒性好、耐化学药品性好、易加工及良好的耐环境应力开裂性等优点。但是它存在提前开裂这一普遍的问题。开裂与HDPE材料性质、几何外形都有关系。在桥梁拉索护套上使用的HDPE还受到包括大气老化与受力因素的综合作用。因此需要找出对应这些条件下HDPE护套应力开裂寿命和老化寿命的方法。

2 HDPE的破坏

HDPE护套的开裂可以归为以下三种原因[1]:1)第三方损伤。2)节点破坏。3)材料失效。第三方损伤是由一些不规范的施工方式造成的。节点破坏可能是由于HDPE与锚固端的连接方式不合理或者材料缺陷导致的熔融结合瑕疵。与材料失效和聚合物的材性、制作过程错误等有关。

HDPE的开裂存在两种破坏形态:脆性和延性。延性破坏过程会伴随着宏观屈服现象。延性破坏时间由蠕变速率决定;脆性破坏过程会伴随着裂纹增长。这两种过程同时进行,最终失效取决于在一定应力、温度和刻痕深度下,哪个过程发展的更快。

3 应力开裂机理

3.1 微观机理

Lustiger曾提出一个简单模型来描述HDPE材料[2]:

HDPE材料包含有序结晶性区域和无定形区域两部分,结晶区域包括称为片晶的褶皱晶层,它们被无定形区域分隔开来。晶层间的聚合物链在变形时起关键作用。晶层间有三种这样的链:纤毛、松散环和分子结。Lustiger模型的关键点就是分子结在破坏过程中的作用。当应力较小,分子结会慢慢解开并随时间松弛,因此应力开裂破坏发生在片晶之间。图1显示了这个过程,断裂面呈现脆性破坏的特征。

3.2 宏观机理

银纹可以被认为是应力开裂的宏观表现。银纹(损伤区)就是裂纹尖部张开和纤维拉伸开的区域。图2表示银纹的结构。破坏过程可以分成几步。首先,在刻痕末端施加荷载后立即形成银纹。在银纹的末端,材料的局部屈服产生了塑性区。

微纤维承受应力,随着时间的推进,微纤维伸长导致银纹缓慢增长。银纹区域微纤维的断裂使裂纹增长。当微纤维减少到临界值时,材料就完全破坏了。

4 应力开裂实验方法

实验室采用加速法模拟SCG过程。最常用的方法包括应力集中(刻痕),升高温度,改变环境,施加高应力或者疲劳荷载。常见HDPE应力开裂实验方法见表1。

5 HDPE应力开裂寿命预测方法

5.1 断裂力学方法

分析HDPE的开裂通常采用线弹性断裂力学(LEFM),许多学者研究了应力强度因子K和裂纹增长率之间的关系,提出了一些半经验模型,但是多数断裂力学模型中裂纹增长率的稳定性只有在增长速率达到或者超过10-9m/s时才成立[10],但实际的裂纹增长速率远低于那个值。LEFM方法不方便计入蠕变效应[11]也使它无法预测HDPE的开裂行为。

表1 常见应力开裂实验方法

5.2 转换法

Boltzmann提出了线性粘弹性基本方程,其应用之一就是时温等效原理(简称TTS)。

其中,aT为时间温度转换系数,可以通过 Williams-Landel-Ferry(WLF)方程得到:

其中,C1,C2均为常数。

TTS假定材料结构在测试过程中不改变,而且只有材料低于熔点温度下的线性变形范围内才有效,温度会影响微晶体的运动,当温度高于熔点时,PE的晶体结构就会改变,而且高温会导致材料重结晶,小的晶体会生成大晶体。因为温度对结晶度有影响,单独对曲线进行水平转换不能得到连贯的主曲线。我们需要对曲线同时进行水平和竖向转换,即双向转换。转换因子表达如下[12,13]:

其中,aT为水平转换系数;bT为竖向转换系数;T为实验室测试温度;Tr为任意参考温度或者目标温度。

5.3 反应速率法

瑞典化学家Arrhenius发现化学反应速率的对数是温度倒数的函数,认为温度变化不会引起材料较大的结构变化。可以用下列方程表示:

其中,k为动力学速率常数;k0为动力学速率指前常数;E为表观活化能;R为气体常数,取8.314 J/mol;T为绝对温度。

从Arrhenius方程引申出如下反应速率法模型[17],这也被ASTM和ISO规范采用:

其中,t为实验温度下的失效时间;σ为施加的应力;T为实验温度;A,B,C均为常数。

6 大气老化

抗应力开裂能力仅仅从物理性质方面规定了对HDPE的要求,但是一些桥梁实际运营过程中HDPE始终暴露在大气环境中,大气环境中的辐射、温度会使 HDPE发生劣化。老化后HDPE的实际抗应力开裂能力降低。这种化学变化对使用性能影响不可忽视,甚至直接决定了护套的使用寿命。

大气老化的作用可以通过化学反应动力学角度,推导出某物理性能指标达到一定值时的时间与试验地点的光能量和环境温度的关系式,即寿命方程。利用已知的实验数据进行回归分析,就可以预报HDPE在任意地点的寿命。下面的公式可以用来描述HDPE的老化寿命[7]:

其中,t为某一性能指标达到某一定值的时间,例如拉伸强度或者伸长率保持70%的时间;T为户外暴露试验地点的年平均温度;Q为户外暴露试验地点的太阳年均总辐射量;A,B均为常数。

7 结语

桥梁缆索设计借用电缆护套使用标准,要求缆索护套使用寿命达到25年,在近年HDPE性能得以改善和提高后,考虑到换索、缠包、涂装维护和维修成本较大,桥梁缆索护套设计提出了50年寿命的使用要求[8]。但实际上由于护套直接暴露在大气环境中,大气老化使材料性能退化,同时HDPE护套随缆索受力,在SCG和老化的共同作用下,护套的实际使用寿命难以达到设计寿命。今后应针对桥梁缆索HDPE护套的实际受力情况和使用环境进行深入的研究,找出能够判断其使用寿命的方法,从而为桥梁的安全使用提供可靠的数据。

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