熔接型聚丙烯土工格室拉伸特性试验研究

孙健,杨广庆,2,3*,左政,梁训美,王奇伟

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043;2.土工合成材料应用河北省工程研究中心,石家庄 050043;3.河北省交通安全与控制重点实验室,石家庄 050043;4.国家能源集团技术经济研究院,北京 102211;5.山东路德新材料股份有限公司,泰安 271000;6.江西施普特新材料有限公司,萍乡 337200)

土工格室是在具有网格多孔状平面土工加筋材料基础上,为了改善加筋结构体的承载方式以及提升承载能力,由高分子聚合物长条带通过不同的节点连接方式而制成的一种三维立体网状侧向约束加筋材料[1],在土体等填料加筋中主要提供摩擦作用、环箍作用、网兜效应及隔离作用。

彭艾鑫等[2]认为土工格室高度比节点距离对加筋土强度的贡献更大,土工格室加筋对土体内摩擦角的影响相对较小,但对土体黏聚力有显著增大的作用。耿大新等[3]基于ABAQUS有限元软件,对加筋路基中多层土工格室筋材拉应力性状进行了分析,总结出了一种节省筋材同时又能取得基本相同加筋效果的土工格室铺设方式。刘蓓蓓等[4]通过数值计算的方式研究分析了土工格室加筋公路路堤的效果,得出土工格室可使路堤整体稳定性得到提升的结论,并且加筋效果在土工格室越高、节点距离越小的情况下更为显著。范永丰等[5]针对土工格室加固边坡的稳定性问题开展数值模拟研究,结果表明土工格室加固边坡的稳定性受格室高度、节点距离影响显著。Leshchinsky等[6]和Han等[7]通过数值模拟和室内试验的方式均得出了节点对土工格室性能发挥影响较大的观点。Yang[8]研究认为,土工格室节点的损坏有可能导致荷载传递的不平衡,进一步造成结构内部的不稳定,甚至使得土工格室加筋结构整体遭到破坏。以上所述的研究多集中在土工格室加筋作用机理或工程实际应用等方面,少数学者通过对土工格室条带、节点进行室内试验研究,得到了一些结论。

土工格室条带和节点的共同作用产生了“箍效应”,即土工格室对土体的环向约束作用,同时土工格室的条带和节点环向受拉,故主要通过拉伸试验研究分析土工格室条带和节点的力学特性。杨利[9]对高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)土工格室条带进行拉伸,得出其峰值强度、应力-应变关系等受试验拉伸速率的影响,且影响程度不同。杨广庆等[10]通过室内单轴拉伸试验,分别研究了HDPE、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚酯(polyester,PET)土工格室条带的拉伸力学性能,针对Ⅰ型-哑铃形试样、Ⅱ型-矩形试样、Ⅲ型-矩形试样于强度和变形的影响进行了分析,并对室内试验选用土工格室试样给出了建议。左政等[11]通过对含焊接、插接、铆接节点条带进行单轴拉伸试验,研究了3种节点在不同受力状态下的失效模式,并对3种不同节点连接方式于各自条带性能的影响进行了评价。许淋颖[12]通过直剪试验对含焊接节点的土工格室展开研究,试验分析得出含焊接节点土工格室的强度主要受剥离强度控制,这与Adem等[13]通过拉拔试验研究得出的结论保持一致。周亚梅等[14]对订书钉连接的聚丙烯土工格室开展的压缩试验研究表明不同形状的格室单元对土体均有加筋作用。

上述开展的土工格室条带或节点的试验研究主要为HDPE、PP、PET材质并且节点连接方式局限于焊接、插接、铆接。熔接型土工格室作为一种新型土工合成材料,是通过热熔焊接方式将相邻片材连接在一起而形成的高节点强度的整体型土工格室,其条带具有一定弧度而呈微曲面状。熔接型PP土工格室作为一种新型的高强土工格室,目前对其节点性能的发挥情况尚不明晰,同时对熔接型节点连接方式与PP材质结合匹配度的性能表现情况尚未清楚,需要相关的强度及变形性能指标提供数据支撑,才能更好地评价和评估熔接型PP土工格室这种新型高强土工合成材料的整体优良性能。因此通过开展室内试验研究熔接型PP土工格室条带和节点的力学性能十分必要,通过分析熔接型PP土工格室条带和节点的强度及变形性能测试指标,有助于进一步完善土工格室的各项性能指标,为土工格室结构设计参数取值提供理论依据,对土工格室的工程实践应用具有参考意义。

选取熔接型PP土工格室为试验材料,参考中外相关试验标准和规范,采用拉伸试验机开展室内单轴拉伸试验,研究试样形状和试样宽度对PP土工格室条带强度及拉伸变形特性的影响,并比较在不同受力状态下熔接节点的失效模式及强度大小,为合理选用土工格室并供其加筋加固机理的研究以借鉴和参考。

1 研究方案

1.1 试验设备

室内单轴拉伸试验采用DW1210土工合成材料拉伸试验机,如图1所示。在平板式压缩夹具内放置聚酯板,防止试验加载前夹具对试样造成损伤,同时可避免试验过程中试样出现滑移或在钳口处断裂。

图1 DW1210土工合成材料拉伸试验机Fig.1 DW1210 Geosynthetics tensile testing machine

1.2 PP条带试验材料及方案

Liu等[15]开展的HDPE土工格室条带拉伸试验选取StandardTestMethodforTensilePropertiesofPlastics(ASTM D638—2014)中建议的哑铃形试样作为试验材料,但《土工合成材料 塑料土工格室》(GB/T 19274—2003)、《塑料-拉伸性能的测定》(GB/T 1040.3—2006)中则建议选用窄矩形试样,由此可见不同标准对试样的要求有一定差别。

PP条带试验材料的参数如图2所示。其中哑铃形和窄矩形试样通过特制刀具裁取于熔接型PP土工格室条带。宽矩形通过剪刀直接裁剪于熔接型PP土工格室条带,试样呈微曲面状,将其命名为宽矩形。

图2 PP条带试验材料参数Fig.2 Test parameters of polypropylene strip

按照图2中哑铃形、窄矩形和宽矩形试样进行制样,PP条带试验方案如表1所示,每组进行不少于5组平行试验。

表1 PP条带试验方案Table 1 Test scheme of polypropylene strip

通过对比哑铃形和窄矩形试样的拉伸强度和伸长率,研究试样形状对PP土工格室条带拉伸力学性能的影响,通过比较窄矩形与宽矩形试样的拉伸强度、伸长率以及断裂模式,研究试样宽度对PP土工格室条带拉伸力学性能的影响。

1.3 熔接节点试验材料及方案

为确切描述熔接型土工格室节点的试验方案,对各项试验以“作用对象-受力状态”命名,如表2所示。其中条带宽度即土工格室高度,由于熔接型PP土工格室条带呈微曲面状,弧度由内向外略增,取其中间部位的宽度为条带宽度。

表2 熔接节点试验方案Table 2 Test scheme of fused junction

借助宽矩形试样的拉伸结果作为试验“条带-拉伸”的结果,旨在建立参考,与试验“含节点条带-拉伸”进行对比,用以评价节点对条带拉伸性能的影响。通过对比“节点-剪切”“节点-剥离”“节点-对拉”试样的失效模式及强度大小,研究熔接节点在不同受力状态下的失效机制及拉伸性能。通过分析熔接型PP土工格室拉伸试验结果,评价熔接节点连接方式依托于PP条带的拉伸性能。

2 试验结果与分析

2.1 PP条带拉伸力学特性分析

PP土工格室条带3种试样的拉伸曲线如图3所示。可以看出,3种试样的拉伸曲线变化趋势大致相同,均表现为拉伸强度与伸长率基本呈线性增加关系,达到峰值后迅速降低,试验过程中未出现明显屈服点。3种试样的抗拉强度及其对应的伸长率从大到小的顺序为宽矩形、哑铃形、窄矩形。对比3种试样的拉伸曲线可知试样形状、宽度对PP土工格室条带的抗拉强度和伸长率均有一定的影响。

图3 PP土工格室条带3种试样拉伸曲线Fig.3 Tensile curves of three samples of polypropylene geocell strips

为了定量分析试样形状和试样宽度对PP条带抗拉强度和伸长率的影响,提出了“强度比值”与“伸长率比值”概念,即哑铃形、窄矩形试样的抗拉强度、伸长率与宽矩形试样对应抗拉强度、伸长率的比值,如式(1)、式(2)所示,试验计算结果如表3所示。

表3 PP土工格室条带拉伸试验结果Table 3 Tensile test results of polypropylene geocell strip

(1)

式(1)中:Iratio为强度比值,即哑铃形试样、窄矩形试样抗拉强度与宽矩形试样抗拉强度的比值;σ*为哑铃形试样或窄矩形试样的抗拉强度,N/cm;σwide为宽矩形试样的抗拉强度。

(2)

分析表3可知,PP土工格室条带哑铃形较窄矩形试样的抗拉强度和伸长率更接近宽矩形试样。对比哑铃形、窄矩形、宽矩形3种试样:哑铃形与窄矩形试样的强度比值、伸长率比值分别相差2%,5%,窄矩形与宽矩形试样的强度比值、伸长率比值分别相差18%,23%。

根据表3分析可知,试样形状对PP土工格室条带伸长率的影响略大于对强度的影响,并且试样形状对窄矩形试样和哑铃形试样的强度和伸长率的影响均较小,仅为2%和7%。因此,选用窄矩形试样相对更为适宜,加之从取样便捷的角度考虑,建议选取窄矩形试样。

与此同时,试样宽度对PP土工格室条带伸长率的影响也略大于对强度的影响,但试样宽度对窄矩形试样和宽矩形试样的强度和伸长率的影响均较大,分别为18%和27%。因此,窄矩形试样不能很好地表征宽矩形试样即PP土工格室原条带的强度指标,同时为方便取样,建议选用宽矩形试样。

分析试验结果可知,试样宽度对PP土工格室条带强度的影响(18%)明显大于试样形状的影响(2%),而且试样宽度对PP土工格室条带伸长率的影响(27%)也显然大于试样形状的影响(7%)。可见,由PP材质为原材料制成土工格室条带的强度及变形性能受宽度的影响程度明显大于受形状的影响程度,因此在工程实践应用中依据相关参数指标选取PP土工格室时,应优先考虑条带宽度即土工格室高度这一因素。

对比窄矩形和宽矩形两种试样,结果表明,随试样宽度增大,抗拉强度和伸长率均增大。窄矩形、宽矩形试样宽度分别为20、55 mm,即宽度比为1∶2.75,但二者的强度比值(1∶1.2)及伸长率比值(1∶1.4)与宽度比并不吻合。分析原因是PP为脆性材料,具有显著的应力敏感性,当试样标距区内某一点一旦产生应力集中,随即在标距区内产生微裂纹,进而使试样快速断裂,试验结束,这与在室内试验取样准备阶段时试样容易沿着拉伸方向发生脆性裂纹保持一致。

2.2 熔接节点失效机制分析

2.2.1 熔接节点对条带性能的影响

含熔接节点的PP土工格室条带和不含节点的PP土工格室条带拉伸试样、拉伸失效模式以及拉伸强度与伸长率的关系曲线如图4所示。

图4 PP土工格室条带-熔接节点拉伸结果Fig.4 Tensile results of polypropylene geocell strip-fused junction

观察图4(a)、图4(b)可知,含熔接节点的PP条带受到轴向拉伸作用时,其在节点处发生断裂破坏,且断口处呈条状撕裂破坏,同时伴有少量的窄条状撕裂。观察图4(c)、图4(d)可知,不含节点的PP条带在轴向拉伸过程中表面由光滑变为微纤细丝状。

观察图4(e)可知,含熔接节点的PP条带拉伸试验曲线趋势与不含节点的PP条带大体一致,均表现为拉伸强度与伸长率基本呈线性增加关系,达到峰值后开始下降,均未出现明显的屈服点。不同的是,含熔接节点的PP条带当伸长率达到某值时,拉伸强度迅速降为0,这与图4(a)、图4(b)含熔接节点的PP条带未出现颈缩变形即发生断裂失效这一试验现象保持一致。而不含节点的PP条带当伸长率达到某值时,拉伸强度没有立刻降为0,而是曲线呈阶梯式缓慢的下降,这与图4(c)、图4(d)中不含节点的PP条带在拉伸断裂过程中呈微纤细丝状破坏这一试验现象保持一致。

由图4(e)PP土工格室条带拉伸试验曲线可知,熔接型节点在表现出较好的属性继承特性的同时,对PP土工格室的拉伸性能(拉伸强度、伸长率)有一定的影响,表现为增长的趋势。

为了定量分析熔接节点连接方式对PP土工格室条带性能的影响,提出“条带强度延续率”与“条带变形延续率”。条带强度延续率即含节点的PP土工格室条带抗拉强度与不含节点的PP土工格室条带抗拉强度的比值,如式(3)所示。条带变形延续率即含节点的PP土工格室条带伸长率与不含节点的PP土工格室条带伸长率的比值,如式(4)所示。计算结果如表4所示。

表4 熔接节点对PP土工格室条带性能影响的计算结果Table 4 Calculation results of the influence of fused junction on the performance of polypropylene geocell strips

(3)

式(3)中:Sσ为条带强度延续率,%;σ*、σstrip分别为拉伸试验所测含节点条带、不含节点条带的抗拉强度,N/cm。

(4)

由表4可知,熔接节点在依托于PP条带下的土工格室拉伸力学性能表现良好,条带强度延续率和条带变形延续率均大于100%,对PP条带的拉伸性能不仅保持而且提高。由此可见,熔接型PP土工格室并没有因对其节点部位的处理而导致原条带强度降低,而是提高了PP条带的拉伸性能。分析原因是得益于熔接节点PP土工格室特殊的生产工艺,通过对相邻条带交错设置的节点位置打通孔,然后对节点进行熔融注射处理,注射的熔融材料通过这些孔,并在孔的四周形成连接块,使相邻两片条带连接在一起,最后将叠合并经熔融注射处理的条带横向拉伸,每块条状PP条带被拉伸成波浪形。节点周围的连接块,在对相邻条带进行紧密结合的同时,也实现了对节点部位的加固与保护,从而形成了高节点强度的整体型土工格室,故熔接节点的强度及变形性能发挥情况相较于纯条带均有所提升。

2.2.2 不同受力状态下熔接节点的失效机制

熔接节点连接方式是通过熔融注射方式将相邻条带连接在一起,形成高节点强度的整体型土工格室。熔接节点在不同受力状态下的失效模式以及对应的强度大小分别如图5、图6所示。

图5 不同受力状态下熔接节点试样的失效模式Fig.5 Failure Modes of fused junction Specimens under Different Stress States

图6 不同受力状态下熔接节点的强度大小对比Fig.6 Comparison of strength of fused junction under different stress states

观察图5(a)、图5(b)可知,熔接节点受到剪切作用时在节点处发生断裂破坏,且断口处呈条状撕裂破坏,其剪切强度值(1 476 N/cm)与条带(不含节点)的抗拉强度值(1 484 N/cm)接近。分析原因是熔接节点特殊的处理工艺使得节点处强度较高,同时使原本处于同一母材上的两侧条带分离开来,进而使得受剪切作用的熔接节点与条带(不含节点)的强度大小较为接近。

由图5(c)、图5(d)节点-剥离试样及失效模式可知,熔接节点受剥离作用时,在熔接节点处发生失效,且节点断开时PP条带无明显屈服变形,即破坏无明显征兆。分析原因是因为熔接节点在受到剥离作用时,节点处于偏心拉伸状态,即除受轴向力外,还受附加弯矩的作用,附加弯矩使得包裹节点的连接块一侧受压,一侧受拉,故熔接节点很快就发生失效断裂。

由图5(e)观察可知,熔接节点在受到对拉作用时,因节点处的连接块被拉断而发生失效破坏,同时条带出现条状撕裂现象。试样破坏阶段基本无征兆,与节点-剥离试验同属于脆性破坏,但对拉强度明显大于剥离强度。分析原因是熔接节点在受到对拉作用时,熔接节点受力平行于连接块,连接块受到拉伸方向的拉力,故连接块的抗拉作用可以充分发挥。此外,PP为脆性材料,具有显著的应力敏感性,同时结合试验过程中观察到的试验现象,条带的条状撕裂是在试验结束的失效破坏瞬间出现的,即是在条带内部产生的应力集中导致的条状撕裂。

由图6可知,熔接节点在不同受力状态下的强度从大到小依次为:剪切强度、对拉强度、剥离强度。可知,熔接节点的强度主要受剥离强度控制,因此,PP熔接土工格室在实际工程应用时,应避免节点受剥离作用,可以采用角度定型式土工格室,可以减少剥离破坏的出现,从而更好地发挥熔接节点的作用。此外,结合上述熔接节点在不同受力状态下的失效模式可知,熔接节点的强度指标与节点处连接块的质量存在密切关系。

3 结论

通过对熔接型PP土工格室的条带和熔接节点进行室内单轴拉伸试验,研究了试样形状和试样宽度对PP条带强度及拉伸变形特性的影响,分析了熔接节点连接方式对PP土工格室条带性能的影响,比较了不同受力状态下熔接节点的失效模式及强度大小,评价了在不同的受力状态下失效时,熔接节点依托于PP条带的强度发挥情况,得出以下主要结论。

(1)PP条带3种试样的拉伸曲线变化趋势大致相同且均未出现明显的屈服点,3种试样的抗拉强度及其对应的伸长率从大到小为宽矩形、哑铃形、窄矩形。

(2)试样形状、试样宽度对PP条带伸长率的影响均略大于对强度的影响。

(3)试样宽度对PP土工格室条带强度及变形性能的影响明显大于试样形状,故在PP土工格室的实际选用中应优先考虑其条带宽度即土工格室高度因素。

(4)熔接节点依托于PP条带下的拉伸力学性能表现良好。

(5)熔接节点在不同受力状态下的强度从大到小依次为:剪切强度、对拉强度、剥离强度,故熔接节点的强度主要受剥离强度控制。同时熔接节点的强度指标与节点处连接块的质量存在密切关系。