HDPE土工膜耐環(huán)境應力開裂試驗的機理分析

張　沖，康銘晨

（遼寧省纖維檢驗局，遼寧 沈陽 110004）

HDPE土工膜耐環(huán)境應力開裂試驗的機理分析

張沖，康銘晨

（遼寧省纖維檢驗局，遼寧 沈陽 110004）

文中介紹了耐環(huán)境應力開裂的定義、作用機理、試驗方法。介紹了耐環(huán)境應力開裂對HDPE土工膜使用性能的影響。由于HDPE土工膜的原料與聚乙烯電（光）纜護套及管材的相似，僅生產(chǎn)工藝略有差異，因此可借鑒其研究方法。介紹了影響聚乙烯電（光）纜護套及管材耐環(huán)境應力開裂性能的影響因素及研究方法。介紹了管材的蠕變開裂的研究方法，包括斷裂時間預測、測試裝置開發(fā)。指出了HDPE土工膜耐環(huán)境應力開裂的研究方向的建議。

HDPE土工膜；耐環(huán)境應力開裂；蠕變開裂；斷裂機理

1　HDPE土工膜耐環(huán)境應力開裂

環(huán)境應力開裂（ESC）是熱塑性塑料意外的脆性破壞最常見的方式，占到塑料部件破壞量的15～30%［1］。學者對ESC及高分子材料耐環(huán)境應力開裂性能（ESCR）進行了幾十年的研究［2］。研究表明與暴露在空氣中相比，液體試劑加速了高分子材料在低應力下產(chǎn)生的裂紋的增長速度［2-3］。單獨的低應力或腐蝕性液體的作用均不足以導致高分子材料的破壞，材料受到低應力及液體環(huán)境的共同作用使其裂紋產(chǎn)生并較快增長。

高密度聚乙烯土工膜（HDPE土工膜）是一種以熱塑性塑料HDPE為主要樹脂，添加碳黑、抗氧劑等生產(chǎn)的土工合成材料，由于其防滲性能及其它優(yōu)點［4］，廣泛用于生活垃圾填埋場防滲、固廢填埋防滲、污水處理廠防滲、人工湖防滲、尾礦處理等防滲工程。由于其用于地下工程，常受到小應力及腐蝕性液體的共同作用，ESC是其常見的破壞方式，因此ESCR被納入到許多技術標準當中，如GM 13、CJ/T 234-2006、GB/T 17643-2011等。

評價HDPE的ESCR的主要參數(shù)是在特定環(huán)境及應力作用下，試樣的破壞時間，稱為耐環(huán)境應力開裂強度。測試方法主要有兩種：一種試驗方法是ASTM D1693［5］，屬于恒應變試驗法，早期這種方法還可以分辯生產(chǎn)土工膜的樹脂。然而，隨著樹脂技術的進步，PE的耐應力開裂性能有了大幅度地提高，以至于用ASTM D1693再無法測試產(chǎn)品所達到的耐應力開裂強度。

另一種試驗方法ASTM D5397［6］也因此而產(chǎn)生，簡稱“NCTL”，在斷裂動力學中，屬于外力恒定而裂紋傳播速度的試驗［7］。這個方法是將啞鈴型試樣的平行部分切一個深度為厚度20%的切口，用材料屈服強度的20～65%的恒荷載加到試樣上，并浸泡于溫度為50℃，濃度為10%的表面活性劑中。在這個加速老化的過程中，測出試樣破壞的時間。試驗結(jié)果繪制成“荷載-破壞時間”的對數(shù)曲線。NCTL測試給出了材料韌性破壞和脆性破壞的信息。材料的耐環(huán)境應力開裂強度就是這兩種破壞形式的轉(zhuǎn)變時間。

2　PE電（光）纜護套ESCR及管材的蠕變開裂的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于HDPE土工膜的ESCR研究不多，而對于PE的ESCR研究主要集中在電（光）纜護套、管材的研究。雖然其生產(chǎn)工藝不同，但成分及應用相似，因此土工膜的ESCR研究可以借鑒其研究方法。研究土工膜的ESCR，對于提高產(chǎn)品ESCR、縮短試驗時間、保證防滲工程質(zhì)量，都有積極影響。下面分別對PE電（光）纜護套及管材的ESCR的研究現(xiàn)狀進行介紹。

2.1PE電（光）纜護套的ESCR

電（光）纜護套料一般以PE、碳黑、抗氧劑、改性劑和潤滑劑5種原料共混而成的。通過測試各種不同原料共混制成產(chǎn)品的耐環(huán)境應力開裂強度，找出影響PE護套料環(huán)境應力開裂的規(guī)律。這些規(guī)律分為成分配比和工藝兩類，由于土工膜與其生產(chǎn)工藝不同，因此僅介紹成分配比對產(chǎn)品ESCR的影響。

2.1.1樹脂

樹脂涉及結(jié)構及其形態(tài)的各個層次，如分子量及其分布、鏈支化度、結(jié)晶度、結(jié)晶缺陷、無定型區(qū)的微空穴、片晶間及球晶間區(qū)等。其中微空穴及結(jié)晶缺陷可以吸收介質(zhì)，誘發(fā)裂紋并導致最終開裂。而片晶的連接分子則能有效地阻止開裂。

（1）分子量及其分布

2）計算反正切時，由于CORDIC算法計算反正切時不需要考慮角度θ的輸入值，所以僅對X、Y坐標的輸入值進行調(diào)整。通過判斷X、Y輸入值的正負，統(tǒng)一將它們的迭代初值調(diào)整到第一象限上，如式（12）所示，計算完后需要根據(jù)X、Y輸入坐標所在的象限將反正切的輸出結(jié)果重新調(diào)整為原來的象限，如式（13）所示。

PE的分子量越大、分子鏈越長，晶片間的連接分子數(shù)越多，ESCR越好。分子量越大，分子量分布越集中，ESCR越好。小分子的含量越多，ESCR越差，所以高聚物中小分子的含量應盡量少。

（2）支化程度

支化程度越大，則大分子越復雜，容易形成晶片之間的連接，有利于ESCR。

（3）結(jié)晶度

PE的密度表征結(jié)晶度的大小。結(jié)晶度對ESCR的影響比較復雜，一方面，密度越大，結(jié)晶度越高，晶片間的連接分子數(shù)越少，導致ESCR變差；另一方面，結(jié)晶度越高，晶粒之間結(jié)合的密度大，環(huán)境試劑不易滲透到無定形區(qū)，而使連接分子不易解纏和松弛。然而，結(jié)晶度太高，材料將發(fā)脆。實踐證明，具有高ESCR的HDPE有較低的結(jié)晶度，但結(jié)晶度低的HDPE并不一定都好。

2.1.2其它因素

對于護套來說，基礎樹脂是影響其ESCR的主要因素，為滿足護套材料其它重要性能，需要加入炭黑、抗氧劑、改性劑等，這些助劑的加入，影響了護套料的ESCR。

（1）碳黑

純PE耐大氣候老化和日光暴曬性能很差，為提高其性能，可加入既經(jīng)濟又適用的炭黑。炭黑的加入，使PE護套料的ESCR惡化。這是由于炭黑的加入增加了分子與分子之間的距離，使PE分子間的作用力減弱，容易受外力及活化介質(zhì)的作用而發(fā)生應力開裂，而且炭黑越多，ESCR越差。

（2）改性劑

在較高的加工溫度下，PE容易被氧化，即使在較低溫度下，長時間使用也容易老化，因此需加入抗氧劑?？寡鮿E套料的ESCR的影響，隨抗氧劑量的增加，ESCR提高。這是因為抗氧劑可以捕捉PE樹脂因受熱作用導致分子鏈斷裂而產(chǎn)生的自由基。因此來阻止PE鏈的進一步斷裂，改善了PE護套料的ESCR［8］。

對于PE護套料的開裂機理也有研究，但大多數(shù)都結(jié)合微觀斷裂力學，從結(jié)晶區(qū)狀態(tài)、結(jié)晶區(qū)間的連接分子的數(shù)目、受力狀態(tài)等定性分析，來解釋原料配比對產(chǎn)品ESCR的影響，很難得出較為精確的定量關系。

PE護套的ESCR研究的材料多是LDPE，測試方法多為ASTM D1693，但是其研究方法是可以借鑒的。重點從原料樹脂、炭黑、抗氧劑等方面入手，研究HDPE土工膜產(chǎn)品的ESCR的影響因素。

2.2PE 管材的蠕變開裂

PE管材的ESCR的一個研究方向，仍然為ESCR的影響因素，結(jié)論與上述的護套研究結(jié)論相似［9］。PE管材蠕變開裂的研究，則引入宏觀斷裂力學，研究PE管材的蠕變開裂行為，較為深入。蠕變開裂與ESCR類似，都是在小應力作用下的裂紋增長，只是環(huán)境條件有所不同，因此蠕變開裂的研究對ESCR的研究很有借鑒價值。其研究主要有兩個方面，蠕變開裂試驗裝置的研發(fā)和蠕變開裂時間的預測。

2.2.1蠕變開裂試驗裝置的研發(fā)

董孝理［10］設計研發(fā)測試蠕變開裂的試驗裝置。研究結(jié)合斷裂力學，引入應力強度因子（與應力、試樣形狀、裂紋長度有關）代替應力。利用顯微鏡觀察，得到切口條形試樣，恒載荷作用下，應變-時間曲線。按照裂紋增長的速度不同，將開裂過程分為誘導期和裂紋增長期。

有目的地變化載荷和試驗溫度，可得到誘導期和裂紋增長速度與應力強度因子和溫度的關系。這樣就可以全面地表征材料的耐蠕變開裂性能。這種試驗方法可以縮短試驗時間，因為它的數(shù)據(jù)取自裂紋的細微變化而不是試樣的徹底破壞。所設計的試驗裝置配有行程顯微鏡，可控溫環(huán)境液體試驗槽。

實際測試中［11］，要對試樣進行不同載荷的測試，得到應變-時間曲線，得出特征參數(shù)，分析、比較樣品的ESCR。

該方法與NCTL方法類似，其優(yōu)勢在于不但給出開裂時間，而且提供了材料斷裂過程中的細節(jié)信息，如應變、誘導期和增長速度等。其局限在于沒有統(tǒng)一的測試條件，僅限于特定設備。為結(jié)合兩者優(yōu)勢，擬在較規(guī)范的NCTL試驗機上，加裝非接觸式位移傳感器，測試位移-時間曲線，獲得裂紋增長信息，便于分析開裂機理。

2.2.2蠕變開裂機理研究及開裂時間的預測

李孝三，漆宗能［12］研究切口PE氣體管材試樣，在常溫低應力下，蠕變裂紋增長過程，運用斷裂力學理論，推導出預測蠕變開裂時間的公式。

觀察開裂過程，繪出裂紋增長的示意圖，根據(jù)材料所處狀態(tài)的不同，將裂紋分為3個區(qū)域，分別為塑性破壞區(qū)、過渡區(qū)和已斷裂區(qū)。在整個裂紋增長過程中，根據(jù)裂紋擴展速度的不同，將斷裂過程分為3個階段，分別為時間很短的初始恒速階段、加速增長階段（SCG）、快速增長階段（FCG）。

得出了蠕變位移與時間的關系，研究了不同切口深度、載荷對時間的關系。表明低應力載荷（小于屈服應力的一半）、淺切口條件下，SCG階段所用的時間占整個過程破壞時間的絕大部分，SCG的持續(xù)時間決定了PE材料的破壞時間。

假設在SCG增長過程中，裂紋的擴展速度是與溫度相關的初始應力、初始切口深度的冪函數(shù)，結(jié)合試驗，擬合出相應常數(shù)，得到裂紋擴展速度與溫度、初始應力、初始切口深度的關系函數(shù)。應用彈性體斷裂力學Dugdale模型，結(jié)合低應力拉伸及3點彎曲試驗，得到裂紋恒速增長階段應變范圍、SCG增長的應變范圍、應變擴展速度等測試結(jié)果，推導出預測試樣破壞時間的公式，預測出的破壞時間與實際測試結(jié)果相一致。

研究雖然是對PE蠕變開裂的研究，測試的環(huán)境等與NCTL方法有區(qū)別，但其低恒載應力、淺切口的試驗條件與NCTL一致，并且研究已經(jīng)得到可以預測蠕變開裂時間的預測公式，對HDPE土工膜ESCR的研究有啟發(fā)意義。目前NCTL設備的改裝方案，由于試樣處于液體環(huán)境當中，及設備尺寸的限制，加裝光學顯微鏡，實時獲得準確穩(wěn)定的裂紋張角、裂紋形態(tài)等細節(jié)信息比較很難，希望在以后的研究中持續(xù)改進。

3　總結(jié)及展望

（1）借鑒PE電（光）纜護套及管材的研究規(guī)律，通過試驗，找出HDPE土工膜成分配比對ESCR的影響。

（2）借鑒PE管材的蠕變開裂斷裂的裝置的設計，在NCTL試驗機上加裝非接觸式位移傳感器，測試位移-時間曲線，以便進一步研究HDPE土工膜的破壞過程。

（3）PE管材的蠕變開裂研究對土工膜ESCR的研究有啟發(fā)意義，可以研究HDPE土工膜的斷裂機理，進而結(jié)合斷裂理論分析，預測HDPE土工膜的耐環(huán)境應力開裂強度。

（4）在獲得各因素對HDPE土工膜耐環(huán)境應力開裂強度關系的基礎上，通過軟件仿真方式，預測HDPE土工膜的耐環(huán)境應力開裂強度，縮短時間周期。

（5）土工膜的外觀形態(tài)為扁平膜狀，類似于斷裂力學模型中的無限大平板模型。在理論上，可以對試驗結(jié)果進行分析測算，結(jié)合實際使用條件，預測土工膜使用壽命，對于了解預測工程壽命有重要意義。

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The M echanism Analysis on ESCR Test of HDPE Geomembrane

ZHANG Chong ， KANG M ing-Chen
（Liaoning Fiber Inspection Bureau， Shenyang 110004， Liaoning ， China）

The paper introduces the definition， test method and mechanism of environmental stress cracking resistance （ESCR） and the influence of ESCR to the performance of HDPE geomembrane. For the resin of HDPE geomembrane is sim ilar to the PE cable and pipe， only the production processes are different， so can draw lessons from the research method. The effect of raw material ratio of PE cable resin and pipe on ESCR is introduced. The research method of creep cracking of pipe resin is introduced including failure time prediction， testing device development are introduced. The research methods of HDPE geomembrane ESCR are suggested.

HDPE geomembrane； Environmental stress cracking； Creep cracking； Failure mechanism

2015-09-03

國家質(zhì)檢總局2013年科技計劃項目（2013zjjz184）

張沖，男，遼寧省纖維檢驗局，碩士

康銘晨，男，遼寧省纖維檢驗局，碩士