工程軟基處理塑料排水板濾膜生產(chǎn)工藝的最優(yōu)化

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

工程建設(shè)中經(jīng)常遇到各種形式的軟土地基，由于軟土地基含水量大、壓縮性高、強度低、透水性差，如果施工中處理不當，將直接造成路基失穩(wěn)或過量沉陷，從而導致重大工程事故。塑料排水板作為軟土地基加固的一種經(jīng)濟有效方法，已被廣泛應(yīng)用。

塑料排水板是指用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和丙綸、滌綸等高分子聚合物為主要原料制成的一種排水材料[1]，它由具有縱向排水通道的塑料板芯和外覆透水濾膜兩部分組成。板芯一般采用聚乙烯、聚丙烯等塑料制成，濾膜一般采用聚酯紡黏熱軋非織造布。本文研究了紡黏熱軋非織造布的主要生產(chǎn)工藝參數(shù)對其性能的影響，并根據(jù)性能測試結(jié)果，對濾膜的生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，得出最佳生產(chǎn)工藝。

1 試驗方案

聚酯紡黏熱軋非織造布的生產(chǎn)過程中，涉及到的并且可以調(diào)控的工藝參數(shù)很多，本文選取了牽伸氣流速度、軋點面積比例和出螺桿口溫度，通過試驗來尋求這些參數(shù)對濾膜干態(tài)縱向抗拉、濕態(tài)橫向抗拉、孔徑、滲透系數(shù)和塑料排水板縱向通水量性能的影響。

1.1 濾膜的生產(chǎn)工藝設(shè)計

對于紡黏熱軋非織造布，比較重要的工藝參數(shù)有：牽伸氣流速度，一般為3000～7000m/min；軋點面積比例，一般為10%～20%；出螺桿口溫度，一般為270～290℃。本次試驗選取7種不同生產(chǎn)工藝參數(shù)，面密度都為100g/m2的滌綸紡黏熱軋非織造布，并配備相同的板芯組成A型排水板(見表1)。

表1 濾膜的生產(chǎn)工藝

1.2 濾膜的性能測試

塑料排水板濾膜的主要性能指標有干態(tài)縱向抗拉強度、濕態(tài)橫向抗拉強度、孔徑和滲透系數(shù)，使用不同濾膜還會對塑料排水板的縱向通水量造成一定影響，因此需測試縱向通水量。

1.2.1 強度測試

強度測試使用微機控制電子萬能試驗機(CMT6104型，深圳新三思材料檢測有限公司)，每組濾膜的縱向干態(tài)、橫向濕態(tài)試件數(shù)量各6 個。試件寬度應(yīng)為50mm，有效長度應(yīng)為l00mm，拉伸速率為50mm/min。濾膜濕態(tài)抗拉強度的試件應(yīng)在水中浸泡24h。

1.2.2 孔徑測試

孔徑測試使用Galwick溶劑將樣品完全浸潤，置入美國Quantachrome儀器公司的Porometer 3G型孔徑儀進行測試。

1.2.3 滲透系數(shù)測試

滲透系數(shù)測試使用垂直滲透儀在恒水頭下，用量筒接取一定時段內(nèi)的滲透水量，并測量水量與時間，測量時間不少于30s，測量水量不少于1000mL，由此計算出滲透系數(shù)。

1.2.4 塑料排水板縱向通水量測試

縱向通水量測試使用排水板水平通水量測試儀對試樣在350kPa側(cè)壓力、0.5水力梯度下進行滲流，直到穩(wěn)定，測讀計算縱向通水量。

2 試驗結(jié)果與分析

通過對A～G七個樣品的工藝和性能綜合考慮，采用工程最優(yōu)化設(shè)計中模糊決策方法探討最優(yōu)工藝。由于紡黏熱軋法工藝參數(shù)和材料性能指標較多，本文用模糊決策方法中的Borda數(shù)法進行分析。7個樣品的性能測試結(jié)果見表2。

表2 濾膜各性能指標

2.1 Borda數(shù)法原理簡介

該數(shù)理統(tǒng)計方法[2]是讓n個成員的團體X分別將論域U={u1,u2,…,um}中的m個元素排成從優(yōu)到劣的線性序或偏序 (即意見)，由獲得的n種意見L1，L2，…，Ln，計算U中每個元素的Borda數(shù)。

式中X∈U，Bi(X)——在序Li中后于X的元素個數(shù)。

U中的元素按Borda數(shù)大小就可得到一個新的排序，即為決策結(jié)果。Borda數(shù)越大，該元素綜合效果越優(yōu)。

為使決策結(jié)果更加切合實際，采用加權(quán)計算：

式中ωi(X)——意見Li的權(quán)系數(shù)，即意見Li所代表指標的權(quán)系數(shù)。

2.2 應(yīng)用Borda數(shù)法探討最優(yōu)工藝

7個樣品的工藝參數(shù)配置見表1中A～G，因而Borda數(shù)法中團體X為塑料排水板濾膜的各項性能，團體中的成員數(shù)為n=5，論域U中的元素數(shù)為m=7，見表2。

采用Borda數(shù)法，論域

U={UA,UB,UC,UD,UE,UF,UG}

={A,B,C,D,E,F,G}

團體X=﹛干態(tài)縱向抗拉，濕態(tài)橫向抗拉，孔徑，滲透系數(shù)，塑料排水板縱向通水量﹜

下面確定各指標的優(yōu)劣。根據(jù)塑料排水板的主要用途，按各指標的優(yōu)劣對{UA,UB,UC,UD,UE,UF,UG}排序(見表3)，得5種意見，由此求得Borda數(shù)(見表4)。

表4中的權(quán)系數(shù)ωj是根據(jù)塑料排水板的性能要求和已往的經(jīng)驗對各指標的權(quán)重分配數(shù)據(jù)，加以平均而確定的，不同的試驗方案ωj的值不同。根據(jù)Borda數(shù)的大小重新排序，結(jié)果為UE、UC、UG、UB、UA、UF、UD，即濾膜的工藝從優(yōu)到劣的次序(見表5)。

表3 各性能指標從優(yōu)到劣排序

表4 7個樣品的Borda數(shù)

表5 工藝參數(shù)從優(yōu)到劣的排序

2.3 生產(chǎn)工藝對濾膜性能影響分析

紡絲過程中牽伸氣流速度越小，纖維結(jié)晶度越小，紡出的纖維越粗，導致濾膜的孔徑和滲透系數(shù)變大，另外牽伸氣流速度越小，分子鏈取向度越低，紡出的纖維強力越低，使得濾膜的整體強度降低。

軋點是采用一對加熱鋼輥對原本蓬松的纖網(wǎng)進行熱軋，該部分纖網(wǎng)被熔融黏合，黏合區(qū)域比未黏合區(qū)域強度高，更硬挺，因此隨著軋點面積比例的增加，濾膜整體力學性能得到提高。同時，黏合區(qū)近似薄膜，沒有孔隙，因此隨著軋點面積比例的增加，孔徑和滲透系數(shù)減小。

紡絲過程中出螺桿口的溫度低，容易產(chǎn)生料滴滴落，這樣紡出來的絲不均勻，強力低，所制得的濾膜強度低。同時所得的纖維粗，濾膜的孔徑和滲透系數(shù)大。

濾膜對排水板縱向通水量的影響主要是濾膜的延伸率，延伸率大，濾膜在側(cè)壓力的作用下就容易內(nèi)嵌到塑料排水板板芯的通道中，導致通道變小，通水量變小。在三個參數(shù)中，對濾膜延伸率影響最大的是軋點面積比例，比例越高，所得的濾膜越硬，延伸率越小，塑料排水板的縱向通水量越大。

3 結(jié) 論

本文通過研究濾膜生產(chǎn)過程中主要的三個工藝參數(shù)，即牽伸氣流速度、軋點面積比例和出螺桿口溫度對濾膜整體性能的影響，采用工程最優(yōu)化設(shè)計中模糊決策方法中的Borda數(shù)法進行分析，最終確定其最優(yōu)生產(chǎn)工藝，即牽伸氣流速度為5000m/min，軋點面積比例為20%，出螺桿口溫度為280℃。