岳國峰，汪恩良

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱150080)

1 引言

塑料格柵具有網狀結構，埋入土中后，土料即可嵌入格柵的網格中，加上土料與格柵表面的摩擦及其受拉時節(jié)點的被動阻抗作用，約束了土料顆粒的側向位移。這樣，格柵與土共同構成了一個復合材料體系，大大增加了土體的穩(wěn)定性，因而起到加固巖土的作用。

蠕變是塑料土工格柵的一種重要特性，是指在不變的拉伸荷載作用下，應變隨時間而增長的現(xiàn)象。當塑料土工格柵應用于加筋土結構時，塑料土工格柵的容許抗拉強度取決于蠕變、化學劑破壞、鋪設時機械破壞和生物破壞等諸多因素。其中，蠕變引起的抗拉強度折減系數(shù)最大。例如，王釗在試驗中發(fā)現(xiàn)，聚丙烯雙向格柵在40%T荷載的作用下，1 196 h后拉斷，拉斷時應變達62%[1]。塑料土工格柵的蠕變特性與原材料性質、產品的結構型式和拉伸荷載的大小有關，同時也受周圍介質及壓力和溫度的影響。塑料土工格柵高溫條件下的蠕變試驗前人已作了大量的工作，而寒冷地區(qū)的加筋土結構，在漫長的冬季筋材長期處于負溫工況，極限溫度低于－20℃，而夏季土體溫度可能達到 +20℃以上，塑料土工格柵在低溫條件下蠕變性能如何，穩(wěn)定后的筋材在凍融循環(huán)作用下將如何演變，目前尚未見報道。本文將著重研究塑料土工格柵的低溫蠕變性能，對上述問題予以回答。

2 蠕變試驗簡介

本次試驗塑料土工格柵抗拉強度的測定參照中華人民共和國國家標準(GB/T 17689－1999土工合成材料 塑料土工格柵)[2]，蠕變測試參照ISO 13431:1999規(guī)定的測試方法進行試驗。

2.1 試驗儀器

塑料土工格柵蠕變試驗采用自制的蠕變測試儀測定，加載系統(tǒng)通過杠桿系統(tǒng)施加相應荷載。

2.2 試驗材料

本次試驗選擇單向拉伸TGDG25型塑料格柵，其主要技術參數(shù)及力學參數(shù)測試結果見表1。

表1 塑料格柵主要技術參數(shù)及力學參數(shù)測試結果

2.3 試樣制備

試樣長度采用6個節(jié)點(5段)，寬度采用5個節(jié)點(5條縱向肋條)。測量變形采用1 000 mm大標距，用鋼尺測量，精確到毫米，這樣誤差為0.1%。在兩標距以外，標距線距夾具25 mm，以免夾持對變形產生影響。

2.4 試樣的夾持方法

上下夾具結構均為2塊鋼板，內設防滑槽，用螺栓擰緊，夾住試樣。要求夾持均衡，不能產生加載后試樣受力不均勻破壞現(xiàn)象，同時防止試樣在鉗口內打滑。夾具一端固定于底座上，另一端懸掛在杠桿加荷系統(tǒng)上。

2.5 試驗環(huán)境

低溫試驗在專用低溫試驗室進行，溫度控制范圍:－35℃～+25℃，控溫精度±1℃。每次將3組試樣裝置于蠕變測試儀上，控制室內溫度和濕度，不受陽光直射，避免紫外線照射老化。

3 試驗方案及試驗過程

3.1 試驗方案

按照我國對土工合成材料進行測試的相關方法，結合實驗室現(xiàn)狀，本次蠕變測試中固定載荷分別為拉伸強度的20%、40%和 60%，環(huán)境溫度分別為 20℃、10℃、0℃和 －20℃。

在分析前期試驗結果的基礎上，考慮到凍融循環(huán)對蠕變的影響可能較小，固定荷載分別為拉伸強度的5%、10%、20%。試驗時首先在20℃環(huán)境進行蠕變試驗，待變形穩(wěn)定后進行－20℃～20℃凍融循環(huán)條件下的蠕變試驗，凍融循環(huán)次數(shù)為10次。

3.2 調濕

在試驗前試樣應置于濕度為65士2%、溫度為20士2℃的實驗室中保持24 h。

3.3 加荷和應變測量

用砝碼作為載荷，懸掛在杠桿系統(tǒng)上作為施加的拉伸荷載一次施加。

試驗過程中測讀時間間距由小變大，分別測讀0.1 min，8 min，12 min，30 min，1 h，2 h，4 h，8 h，12 h，24 h的讀數(shù)，以后每間隔24 h測讀一次至1 000 h，用試樣標距間的伸長值除以試樣原始長度，即為應變值。

4 試驗結果整理與分析

蠕變試驗最重要的成果是應變隨時間變化的曲線，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，將四組溫度條件下在不同荷載作用下的蠕變過程曲線繪于圖1～圖4。

圖1 20℃下塑料土工格柵TGDG25蠕變特征曲線

圖2 10℃下塑料土工格柵TGDG25蠕變特征曲線

圖3 0℃下塑料土工格柵TGDG25蠕變特征曲線

圖4 －20℃下塑料土工格柵TGDG25蠕變特征曲線

由圖1～圖4可以看出，各個溫度3個不同的荷載水平下應變隨時間變化曲線隨荷載的增加斜率逐漸增大，說明在相同溫度下，TGDG25型塑料土工格柵的蠕變特性隨載荷的增加更加明顯。但明顯看出，隨著溫度的降低，蠕變特性受荷載的影響越顯著。圖4中曲線更加明顯，剛剛加荷后，較低荷載水平(20%Pmax)的蠕變曲線比較平緩，隨著荷載增加，應變值迅速增大，穩(wěn)定一段時間后，又開始產生變形，但很快就趨于穩(wěn)定。

分析其原因主要有兩個重要的指標影響聚合物的蠕變特性。

第一個指標是玻璃化溫度Tg。它是指非晶態(tài)聚合物從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉變的臨界溫度，不同聚合物的Tg是不同的。例如，PET的 Tg約 75℃，PP的 Tg在 －10～15℃，HDPE的Tg約－80℃。當聚合物的環(huán)境溫度低于其Tg時，聚合物中的非結晶區(qū)的分子處于凍結狀態(tài)，分子鍵不易移動，蠕變性低，故聚脂的蠕變性遠低于聚丙烯和聚乙烯[3]。

第二個指標是拉伸取向。聚合物的拉伸過程分3個階段，第1階段為彈性階段;過屈服點后進入第2階段，應力—應變曲線呈水平;當應變達一定值后，應力又隨應變而增長;因此，聚合物原料應拉伸到位，進入第3階段，后期蠕變就不明顯。所謂取向是指使分子鍵定向排列，這時聚合物呈各向異性，取向方向的強度大大提高了。

TGDG25型塑料土工格柵原料為HDPE，其Tg約為－80℃，隨著環(huán)境溫度降低，聚合物中的非結晶區(qū)的分子活動能力降低，分子鍵不易移動，所以需要較大的荷載才能使分子鍵的定向排列發(fā)生移動，這就可以解釋為什么隨著溫度的降低，蠕變特性受荷載的影響越顯著。

為了比較同一時刻不同溫度下的應力應變關系，將各荷載下1 min、12 h、1 000 h時的應變值重新整理得相同荷載下應變與溫度關系曲線繪于圖5～圖7。

從圖5～圖7曲線看出，相同荷載下1 min曲線應變值與溫度變化呈近似線形關系，1 000 h曲線從20℃降到10℃時下降尤其明顯?？梢姡嗤奢d下同一時間段應變值隨溫度的降低而明顯降低，表明荷載對塑料土工格柵蠕變特性影響顯著。

5 結論

1)塑料格柵在不同溫度下的蠕變不同，在20℃狀態(tài)下，1 000 h后當伸長率接近14%時，60%Pmax下變形仍沒有穩(wěn)定跡象;而在－20℃ 狀態(tài)下，僅100余小時，變形就趨于穩(wěn)定，且伸長率不足2.5%。可以得出結論，塑料格柵蠕變性能受溫度影響很大，并且溫度越低蠕變值越小。

2)低溫條件下塑料格柵的設計取值可以適當減小，但設計、施工時應考慮凍融循環(huán)對蠕變性能的影響。

圖5 20%Pmax下應變與溫度關系曲線

圖6 40%Pmax下應變與溫度關系曲線

圖7 60%Pmax下應變與溫度關系曲線

[1]王釗.土工合成材料的蠕變試驗[J].巖土工程學報，1994，16(6):96－102.

[2]全國塑料制品標準化技術委員會.GB/T 17689－2008土工合成材料塑料土工格柵[S].北京:中國標準出版社，2008.

[3]王釗.國外土工合成材料的應用研究[M].香港:現(xiàn)代知識出版社，2002.