工程塑料在地下粮仓防水中的抗拔试验研究

张淑媛 张昊 王振清

摘 要：将塑料的生理惰性和力学性能应用于地下粮仓结构防水，有助于克服防水防潮问题。本文构想一种将塑料内衬于仓内的连接方式，并选取聚丙烯为试验材料，拟通过试验验证该方式是否足以抵御地下水压力。结果表明，采用该工程材料，可有效抵御中、深层地下水，且具有耐腐蚀、造价低和易施工等优点。

关键词：塑料；混凝土；抗拔试验

中图分类号：TQ322.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）03-0144-03

Abstract： The physical inertia and mechanical properties of plastic are applied to the waterproofing of underground silo structure， which can help to overcome the problem of waterproof and moisture proof. This paper conceived a kind of connection method of plastic lining in the warehouse， and selected polypropylene as test material， to verify that this method was sufficient to withstand groundwater pressure. The results showed that the engineering materials could effectively resist the deep groundwater， and had the advantages of corrosion resistance， low cost and easy construction.

Keywords： plastic；concrete；pull - out test

塑料用于食品包装的历史不长，但由于其具有加工简便、化学稳定性好、运输销售方便、美观价廉等特点，因而发展迅速。自20世纪初合成纤维树脂类材料用于食品包装业以来，相继出现了聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）、聚偏二氯乙烯（PVDC）、聚乙烯（PE）、聚酯（PET）和聚丙烯（PP）等，以及他们与纸、铝箔等构成的复合材料，这些材料逐渐广泛地应用于软包装塑料袋类和半刚性、刚性的塑料杯、瓶、浅盘类[1]，其中聚丙烯（PP）因其无毒无味、质轻、耐高温等优点，被广泛用于制作微波餐具等。如今，将塑料用于食品包装的技术已经日趋成熟，其生理惰性（安全卫生、适宜与食品接触）是应用的基础，塑料本身还具有耐化学腐蚀、易加工成型等特点，甚至许多种类的塑料具有极佳的力学性能，这些优点都为其应用于建筑工程提供了可能。

1 工程塑料在地下工程中的应用现状

随着化工业的发展，浅层地下水受到各种表面活性剂的污染，对地下工程的混凝土钢筋侵蚀破坏日益严重，利用工程塑料防水防潮功能已在一些地下工程中有所应用[2]。例如，王伟提出了将PVC片材离壁式粘贴在混凝土内表面，以用于地下储油库罐室防潮。孙建明等介绍了吉林东部山区蓄水池采用聚乙烯薄膜防渗具有防渗效果好、施工简单、维修方便等优点，并详尽地叙述了施工布置、预埋件施工方法、薄膜的粘接、安装与处理方法以及薄膜的老化和更换问题。刘文娴等对地下室建筑夹层塑料成型板防排水的防水材料选择进行了分析和研究，其耐久性能很好地满足防水层使用年限的要求。1993年，美国奥克兰市新建的图书馆地下室工程，在混凝土衬砌外侧干铺一层功能性复合防水片材，可遇水膨胀达到止水目的。

此外，污水管道工程中現已经有内衬PVC钢筋混凝土排水管，即在普通钢筋混凝土排水管的内壁衬上一层改性PVC防蚀片，以防止管身受到污水或者有毒气体侵蚀。喷涂聚脲弹性体（Spray Polyurea Elastomer）技术具有无溶剂、无污染的特点，从根本上解决了在使用喷涂弹性体时困扰施工界的重大技术难题。该材料被引进到我国以后正在工程建设中大量应用，如在港珠澳大桥工程、珠海长隆海洋王国水池防水工程及京沪高速铁路等工程中均有良好的应用。

目前地下粮仓尚未有理想的防水防潮方式，传统的卷材防水、涂料防水及钢板防水都有各自不可克服的缺点。因此，拟通过试验寻求一种将工程塑料应用于地下仓防水的应用方式。

2 塑料与混凝土连接方式

构建一种将工程塑料与混凝土结合的连接方式，即将圆形塑料棒固定于塑料板材上，再浇筑混凝土使之成为一体，从而形成塑料内衬于粮仓仓壁的防水形式，如图1所示。

此连接方式的重点在于：①选择一种食品级的塑料在内侧与粮食接触；②该塑料与混凝土之间的粘结力足以抵抗地下水压力。因此，需进行中心抗拔试验测试其粘结性能。

3 粮仓内衬塑料的选择

3.1 聚碳酸酯

聚碳酸酯（PC）既具有类似有色金属的强度，又兼备良好的拉伸强度、弯曲强度和突出的抗冲击性能。其透明度好，可施以任何着色。PC已被广泛用于各种安全灯罩、信号灯，体育馆、体育场的透明防护板，高层建筑玻璃、汽车反射镜、挡风玻璃板、飞机座舱玻璃等，而用量最大的市场是计算机、办公设备、汽车、替代玻璃和片材。

3.2 聚甲醛

聚甲醛（POM）是世界五大通用工程塑料之一，有“夺钢”“超钢”之称[2]。其具有类似金属的硬度、强度和刚性，在相当大的温度和湿度范围内都具有很好的自润滑性、耐疲劳性、韧性和较好的耐化学腐蚀性，以及优越的机械加工性能和生理惰性，可与食品接触。目前，POM已经广泛应用于建材、电子电气、机械、仪表、日用轻工和汽车等领域。在医疗技术、运动器械等新领域的应用也在逐渐拓展。

3.3 聚醚醚酮

聚醚醚酮（PEEK）具有出色的物理、力学性能，在许多特殊领域可以替代金属、陶瓷等传统材料，在减轻质量、提高性能方面贡献突出，成为当今较热门的高性能工程塑料。其具有优越的耐化学性和抗水解性，良好的尺寸稳定性、自润滑性和耐磨能力，在高温下仍可保持较高的机械强度、刚度和抗蠕变性能，在航空航天、机械、石油、化工、核电、轨道交通、汽车制造、医疗和食品加工等领域得到广泛应用。

3.4 聚苯硫醚

聚苯硫醚（PPS）具有优良的耐高温、耐腐蚀、耐辐射、阻燃的物理机械性能和稳定性以及生理惰性等特点，被广泛用作结构性高分子材料。PPS是工程塑料中耐热性好的品种之一，抗化学性仅次于聚四氟乙烯，非常适用于加工成腐蚀环境中的结构部件。其可用于各种类型的工业设备，如工业干燥和食品加工烤箱、化工设备（泵、阀门和压缩机部件）及电绝缘系统。

3.5 超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。其具有超强的耐磨性和自润滑性，强度比较高，化学性质稳定，抗老化性能强，并具有一定的韧性。UHMW-PE可打造装煤、石灰、水泥、矿粉、盐和谷物等粉状文件的拖斗、料仓、滑槽的衬里，可使上述粉状文件对于储运设施不发生粘附景象。朱西华等提出将其板材用于储运煤仓内衬，运用该材料的耐磨性、优良的自润滑性等特性解决了煤粉的堵料现象，并提高了煤仓的使用寿命。此外，由于其耐冲击性能好，在国防军需装备和民用领域都有广泛应用。

3.6 聚丙烯

聚丙烯（PP）为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物，是目前所有塑料中最轻的品种之一，我国聚丙烯生产总量居世界前列。其具有优良的力学性能，拉伸强度可达25MPa左右，最突出的性能就是抗弯曲疲劳性，俗称“百折胶”，但低温时容易变脆。此外，聚丙烯具有化学稳定性，防腐蚀效果良好，常见的酸、碱等有机溶剂对其几乎不起作用，而且质地纯净，安全无毒性，常用于食具。

综合考虑各种塑料的力学性能、耐久性、安全卫生、市场价格和加工难易程度等方面，选取聚丙烯（PP）作为用于试验分析的塑料。

4 试件试验

4.1 聚丙烯（PP）材料拉伸性能试验

试验选取河南省郑州市某厂家生产的直径为10、20、30mm，长度600mm的PP塑料棒进行拉伸试验，试验机为电液伺服电子万能试验机，测得强度平均约26MPa，试验如图2所示。

4.2 中心抗拔试验

4.2.1 抗拔试件的设计与制作。试件参照《混凝土结构试验方法标准》（GB 50152-2012）中介绍的关于钢筋和混凝土粘结强度试验的方法进行设计，d为PP棒的直径，示意图如图3所示。

选取直径d为20mm和25mm的PP棒埋入C35混凝土立方体试块中进行中心抗拔试验。抗拔试验混凝土试块的尺寸为150mm×150mm×150mm，其中为了增加PP棒与混凝土之间的粘结性能，对PP棒表面状态进行了开槽处理（该槽为直径4mm和8mm的弧形槽），并在槽两侧设置应变片测点，如图4所示。试件共24个，汇总表如表1所示。

4.2.2 试验加载。利用电液伺服万能试验机作为混凝土立方体中心拔出试验的加载装置（见图5），该试验机的最大负荷为600kN。并设计了配套的试件反力架方便试验加载。PP棒自由端设有百分表，以量测自由端的相对滑移，试验采用荷载控制，以200N/s的速度拉拔PP棒；当荷载开始下降时停止加荷，拉拔力由计算机直接记录获得。

通过分析试验结果可知，光滑状态下的PP棒很容易拔出，而开槽处理后的PP棒與混凝土之间的抗拔力是光滑状态下的两三倍，粘结效果明显增强，达到一定强度之后PP棒即断裂；开槽状态下的PP棒破坏强度为26～28MPa，完全能抵抗地下20m深的水压力。

5 结论

试验结果表明，以上这种将工程塑料应用于地下仓工程防水的方式可以抵御地下20m深水压力，是可行的。利用工程塑料作为地下粮仓的防水层，仅用于防水，不作为受力结构，具有耐久、耐腐蚀的优势，而且能解决传统防水方式难施工缺点，还能降低工程中基坑支护的造价。由于现有的研究文献和工程实例有限，还无法为实践提供成熟的指导，还需进一步对此课题进行研究。

参考文献：

[1]秦蓓.塑料食品包装材料安全性研究现状[J].包装工程，2011（19）：33-42.

[2] 张玉玲.地下工程防水技术规范修订的主要特点[J].工业建筑，2000（9）：5-8.