水利工程中塑料构件的力学性能及应用研究

陈永明，刘冬梅，张晓辉，宋 阳，高铭含

(吉林省水利科学研究院，吉林 长春 130022)

0 引言

随着经济社会的发展及科技的进步，塑料构件在我国水利工程中得以多样化发展，其应用愈发广泛。其中塑料土工格栅因其质量轻、蠕变性能好、耐腐蚀性能好、抗拉强度高等特点，被广泛应用于软基加固等工程项目中，随着塑料土工格栅的广泛应用，其生产规模逐渐增大。然而，我国塑料土工格栅的生产工艺仍未完全成熟，虽然塑料土工格栅的生产从数量、规模上得到了明显的突破，但构件本身的力学性能仍未展开深入研究，而塑料土工格栅构件的力学性能直接关系到水利工程的施工质量，甚至影响到水利工程的社会效益。所以在塑料土工格栅的实际生产中，不仅需要考虑构件的外观、成本等问题，更需要综合考虑构件的抗拉强度、伸长率性能。因此，本文针对塑料土工格栅的力学性能及应用展开深入研究，对提升构件的生产质量有着重要作用，同时对推动我国水利工程发展有着指导意义。

1 实验准备

1.1 实验材料与设备

塑料土工格栅作为当下我国水利工程中应用最为广泛的施工材料，在地基加固等施工中主要发挥着抗拉伸、抗变形等作用，所以本文针对塑料土工格栅的力学性能设计了单一变量实验，通过塑料土工格栅的拉伸实验，探究构件在生产过程中不同工艺参数对产品力学性能的影响，进而得到最佳的塑料土工格栅生产工艺参数[1]。本次拉伸实验采用的原材料为聚丙烯，聚丙烯是一种热塑性塑料，具有热力学性能比较稳定的优点，所以被当作水利工程中塑料构件的主要原材料[2]。一般来说，聚丙烯内部的分子结构是杂乱无章的，当聚丙烯材料受到拉伸时，内部分子会按照一定方向进行聚向，而且聚向程度不同，成型的塑料土工格栅力学性能也会存在很大差别，所以在聚丙烯材料拉伸成型过程中，可以通过改变工艺参数来调节聚丙烯内部分子的聚向程度，进而控制土工格栅的力学性能。本次实验在聚丙烯材料上经过精冲加工成型为土工格栅试样[3]，如图1所示。

图1 聚丙烯土工格栅试样

本次实验中采用的聚丙烯土工格栅试样形状如图1所示，该试样的具体尺寸见表1。

表1 聚丙烯土工格栅试样尺寸表

本次实验采用CMT4104型号的电子万能实验机进行聚丙烯土工格栅试样的拉伸，该实验机为微机控制、全数字显示的精密仪器，其各项技术参数见表2。

表2 万能实验机性能参数表

与此同时，本次实验设备还包括拉力传感器、拉伸位移传感器、实验数据自动采集装置等。

1.2 实验方法与过程

本实验旨在探究塑料土工格栅的力学性能，以聚丙烯试样为对象，采用万能实验机进行单向拉伸实验[4]。实验过程中，根据聚丙烯材料的力学特性，采用拉伸温度、拉伸速度以及拉伸长度作为实验变量[5]，见表3。

表3 塑料土工格栅拉伸实验变量

在聚丙烯土工格栅试样拉伸时，为保障试样力学性能测试的准确性，需要对表3中实验变量进行严格控制。每一次单一变量实验中，均需要将聚丙烯土工格栅试样放置在万能实验机上，再按照以下流程进行拉伸实验：首先，将万能实验机的总开关打开，同时启动数据采集装置，实时采集实验数据，参考设计拉伸方案在万能实验机上选择对应的实验类型，并新建塑料土工格栅拉伸实验；然后采用马克笔在聚丙烯试样上做标记，便于实验机的夹具控制；最后根据设计变量控制试样的拉伸参数，对试样进行拉伸操作，直至试样断裂停止拉伸。在聚丙烯土工格栅试样拉伸结束后，根据实验结果，本文选择拉伸强度与伸长率作为构件的力学性能指标[6]。其中拉伸强度主要指聚丙烯材料单位宽度所承受的拉力，计算公式如下所示：

(1)

式中，P—聚丙烯土工格栅试样的拉伸强度；F—土工格栅试样所受拉力值；n—土工格栅试样单位宽度上的肋数；m—土工格栅试样的总肋数；W—土工格栅试样的宽度。塑料土工格栅的伸长率主要指试样伸长量占初始长度的比值，其计算公式如下所示：

(2)

式中，δ—聚丙烯土工格栅试样的伸长率；l—土工格栅试样达到标称强度时，万能实验机夹具的位移量；l1—土工格栅试样在预拉强度时，万能实验机夹具边缘之间的距离。本次塑料土工格栅拉伸实验中，分别获取了不同变量下的试样拉伸强度与伸长率，通过对比分析塑料土工格栅的力学性能受工艺参数的影响。

2 实验结果分析

2.1 不同拉伸温度下构件拉伸性能对比

当聚丙烯土工格栅试样处于相同拉伸速度(100mm/min)与拉伸长度(90mm)条件时[7]，改变试样的拉伸温度，此时得到不同拉伸温度对塑料土工格栅力学性能的影响结果如图2所示。

图2 不同拉伸温度下塑料土工格栅拉伸性能

由图2可知，在聚丙烯土工格栅的单向拉伸实验中，当拉伸速度与拉伸长度相同时，随着拉伸温度的提升，聚丙烯试样的拉伸强度呈先增大后趋于不变的状态，这主要是因为当试样拉伸温度较低时，聚丙烯材料的分子结构的能量较低，其聚向较差，导致试样易断裂，所以拉伸强度较差，而随着温度的升高，聚丙烯材料分子结构的聚向度增大，内部缺陷减少，所以拉伸强度提升，但过高的温度下聚丙烯材料的分子结构在结晶作用下形成了球晶，使试样的拉伸强度趋于稳定。与此同时，随拉伸温度的提升，聚丙烯试样的伸长率呈不断增大的状态，这主要是因为随着温度的上升，聚丙烯材料的分子活动能力不断提升，分子链段在聚向作用下呈纤维状，促使试样的伸长率不断增大。综上，在塑料土工格栅生产过程中，为保障构件力学性能且避免资源浪费，采用150℃的拉伸温度最佳。

2.2 不同拉伸速度下构件拉伸性能对比

当聚丙烯土工格栅试样处于相同拉伸温度(150℃)与拉伸长度(90mm)的条件下[8]，不断改变试样的拉伸速度，此时得到不同拉伸速度对塑料土工格栅力学性能的影响结果如图3所示。

图3 不同拉伸速度下塑料土工格栅拉伸性能

由图3可知，不同拉伸速度下聚丙烯土工格栅试样的力学性能指标受影响程度均不一致，随着拉伸速度的不断增大，试样的拉伸强度呈增长趋势，且和拉伸速度呈正相关，这主要是因为聚丙烯材料的阻尼黏滞特性会随拉伸速度的增大而增大，所以拉伸强度也随之增长。同时，随着拉伸速度的不断增大，试样伸长率呈先增长后下降的趋势，这主要是因为聚丙烯材料分子结构的聚向度会随拉伸速度的增加而增加，所以伸长率增加，但如果拉伸速度过快，分子结构来不及反应无法充分聚向，导致伸长率降低。因此，在塑料土工格栅生产过程中，采用200mm/min的拉伸速度时，构件的力学性能最佳。

2.3 不同拉伸长度下构件拉伸性能对比

当聚丙烯土工格栅试样处于相同拉伸温度(150℃)与拉伸速度(200mm/min)的条件下[9]，不断改变试样的拉伸长度，此时得到不同拉伸长度对塑料土工格栅力学性能的影响结果见表4。

表4 不同拉伸长度下塑料土工格栅拉伸性能

由表4可知，随着聚丙烯土工格栅试样拉伸长度的不断增加，试样的拉伸断裂长度也不断增大，但断裂长度并不能直接代表拉伸性能，还需查看试样的拉伸强度与伸长率。随试样拉伸长度的增加，拉伸强度与伸长率均先增大后减小，二者变化趋势一致，且当拉伸长度为120mm时，聚丙烯土工格栅的拉伸强度与伸长率达到最大值，拉伸强度为483.6MPa，伸长率为6.17%，这主要是因为聚丙烯试样的拉伸过程就是分子结构的聚向过程，当拉伸温度为150℃、拉伸速度为200mm/min、拉伸长度为120mm时，试样已经得到充分拉伸，其拉伸性能不会再随拉伸长度的增加而增强，反而出现下降状态。

3 塑料土工格栅的应用

塑料土工格栅[10]是我国水利工程项目中应用最为广泛的施工材料，具有结构简单、成本较低、性能较好等优势，在塑料土工格栅加工过程，经过定向拉伸(单向或双向)，使原材料的聚合物分子沿拉伸方向定向排列，提高了其抗拉强度、伸长率等力学性能。在实际水利工程中的应用，塑料土工格栅多用于以下几个方面：①软土地基加固施工，塑料土工格栅因其具有较强的抗拉伸强度，在软土地基中起到应力分散的作用，从而提升软土地基的抗剪强度，增大地基承载力，避免软土地基在施工过程中发生不均匀沉降等现象；②边坡防护施工，塑料土工格栅拉伸性能良好，可以有效固定边坡土壤，增强填筑体整体的受力强度，进而改善边坡的防冲刷能力；③挡土墙与护岸墙的加筋施工，将塑料土工格栅作为挡土墙加筋的主要材料，其拉伸性能优越，可以提高挡土墙体地基变形的适应性及抗震性能，而且塑料土工格栅的施工技术较为简单、经济性及实用性较高，可以保障水利工程的顺利进行。

4 结语

本文针对塑料土工格栅的力学性能及应用展开研究，在万能实验机下，对塑料土工格栅力学性能进行测试实验，在不同的拉伸温度、拉伸速度以及拉伸长度的条件下，聚丙烯试样的力学性能差别较大，当拉伸温度为150℃、拉伸速度为200mm/min、拉伸长度为120mm时，聚丙烯土工格栅试样的拉伸性能最优越，其拉伸强度为483.6MPa、伸长率为6.17%，实验所得数据可以为我国水利工程中塑料土工格栅的实际生产提供参考。

但本文仅以单向聚丙烯土工格栅为对象，今后还将尝试对双向土工格栅以及聚乙烯土工格栅等进行同样的实验研究，探讨其力学特性的影响因素。