PET單向土工格柵拉伸成型工藝研究

＊李奕 袁洪波 欒貽國(guó) 宋立彬 鄭超*

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東 250061 2.肥城聯(lián)誼工程塑料有限公司 山東 271608）

1.引言

土工格柵是工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的土工合成材料之一，具有重量輕、易施工、抗酸堿、耐老化、與砂土和碎石咬合力強(qiáng)等特點(diǎn)，在各類軟土地基加固、加筋土擋墻、鐵路公路路基增強(qiáng)等工程中發(fā)揮重要作用。按照生產(chǎn)工藝不同，土工格柵分為拉伸土工格柵、經(jīng)編土工格柵和焊接土工格柵。其中，拉伸土工格柵整體性能好、加筋效率高，與其他類型土工格柵相比節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度較高，其工藝也具有生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)、效率高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，因而成為聚丙烯、高密度聚乙烯為原料的塑料土工格柵制造首選工藝[1]。

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate），簡(jiǎn)稱聚酯（PET），是常用工程塑料之一。PET具有良好的強(qiáng)度和韌性，且耐摩擦、抗蠕變、耐疲勞、抗沖擊性和尺寸穩(wěn)定性好，適合作為土工合成材料原料[2]。此外，PET原料價(jià)格低，回收料來(lái)源廣泛且純度較高，在生產(chǎn)成本及性能上均具有明顯優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有PET土工格柵生產(chǎn)工藝包括經(jīng)編和焊接兩種。經(jīng)編工藝是通過(guò)經(jīng)、緯向定向編織技術(shù)制成網(wǎng)格坯布，隨后涂覆涂層形成最終格柵產(chǎn)品；焊接工藝是首先通過(guò)低倍拉伸獲得筋條，再利用超聲波焊接工藝將筋條連接形成格柵[3-4]。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，經(jīng)編土工格柵采用的襯經(jīng)襯緯紗線易產(chǎn)生滑移，節(jié)點(diǎn)受力后易發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低于材料本身強(qiáng)度，且產(chǎn)品使用前需進(jìn)行涂層處理，工藝較為復(fù)雜。焊接土工格柵的節(jié)點(diǎn)易發(fā)生剝離破壞，從而對(duì)加筋效果產(chǎn)生不利影響[5]。目前，針對(duì)PET土工格柵的研究集中在經(jīng)編和焊接土工格柵，且主要面向格柵使用性能，丁金華等[6]研究了四種不同類型土工格柵加固地基的承載能力和變形行為。試驗(yàn)結(jié)果表明不同格柵加固效果與格柵強(qiáng)度、格柵類型、網(wǎng)格尺寸和結(jié)構(gòu)完整性有關(guān)，地基加固效果依次為拉伸型三向格柵＞拉伸型雙向格柵＞焊接型雙向格柵＞經(jīng)編型雙向格柵。Müller等[7]對(duì)影響PET經(jīng)編土工格柵使用壽命的化學(xué)因素進(jìn)行了測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)使用溫度、PET相對(duì)分子質(zhì)量、基端羧基濃度、結(jié)晶度等都會(huì)影響PET土工格柵的使用壽命。Vashi等[8]對(duì)PET和PP增強(qiáng)軟土地基進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)與PP材料相比，PET土工材料抗蠕變性更強(qiáng)，且對(duì)土體堤壩增強(qiáng)效果更佳。Cho等[9]研究了PET經(jīng)編土工格柵的鋪設(shè)失效及蠕變行為，發(fā)現(xiàn)PET經(jīng)編土工格柵的鋪設(shè)失效比HDPE單向拉伸土工格柵更為嚴(yán)重，但抗蠕變性能更強(qiáng)。然而，當(dāng)前對(duì)PET土工格柵成型新工藝研究極少。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用實(shí)驗(yàn)研究方法，驗(yàn)證了通過(guò)拉伸成型制備PET土工格柵的可行性，并分析了不同初始橫肋、縱肋寬度對(duì)PET拉伸成型的影響規(guī)律。

2.拉伸成型實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用深圳市西鄉(xiāng)恒潤(rùn)有機(jī)玻璃制造廠生產(chǎn)的PET板材，厚度為3mm，玻璃化溫度為80℃。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)板材進(jìn)行預(yù)沖孔，孔型結(jié)構(gòu)參考高密度聚乙烯單向拉伸土工格柵實(shí)際生產(chǎn)常用參數(shù)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件，將試樣沿縱向（拉伸方向）設(shè)計(jì)為三組孔，中間保留完整孔型及兩排橫肋，兩側(cè)做截?cái)嗵幚?；試樣沿橫向（垂直拉伸方向）設(shè)計(jì)為五組孔，如圖1(a)所示。設(shè)A為初始橫肋寬度，B為初始縱肋寬度，K為完整孔長(zhǎng)，H為截?cái)嗫组L(zhǎng)，R為孔圓角半徑，W為孔寬。采用激光切割機(jī)加工預(yù)沖孔試樣，獲得的試樣如圖1(b)所示。

圖1 單向拉伸PET土工格柵預(yù)沖孔試樣

由于初始橫肋寬度和初始縱肋寬度對(duì)其他類型原料的格柵拉伸成型結(jié)果影響較大[10-11]，故本文研究上述兩個(gè)參數(shù)對(duì)格柵成型的影響。選擇A為3mm、4mm、5mm、6mm，B為3mm、5mm、7mm、9mm，K=31mm，H=10mm，R=1mm，W=5mm。拉伸成型實(shí)驗(yàn)在CMT4104電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，通過(guò)隨機(jī)配置的高低溫箱實(shí)現(xiàn)板材加熱。參考PET物理性能和單向格柵生產(chǎn)常用參數(shù)，設(shè)定拉伸溫度為75℃，拉伸速度70mm/min，拉伸距離為147mm。

3.結(jié)果與討論

(1)初始橫肋寬度對(duì)格柵成型的影響

圖2所示為不同初始橫肋寬度下得到的拉伸成型結(jié)果?？梢钥吹?，4種情況下均能獲得格柵產(chǎn)品。拉伸后橫肋將成為格柵的節(jié)點(diǎn)，而縱肋將成為格柵的筋條。由圖2可知，拉伸后縱肋明顯伸長(zhǎng)，且拉伸后縱肋的尺寸一致性較好，這有助于保證格柵承載能力及其穩(wěn)定性。為定量分析初始橫肋寬度對(duì)格柵產(chǎn)品尺寸的影響，分別測(cè)量拉伸后的橫肋寬度、縱肋寬度和孔長(zhǎng)，取其平均值，如表1所示。可見不同初始橫肋寬度下拉伸后的縱肋寬度和孔長(zhǎng)差異較小，說(shuō)明初始橫肋寬度對(duì)格柵筋條和網(wǎng)孔尺寸影響不大。

圖2 不同初始橫肋寬度下拉伸成型結(jié)果

表1 不同初始橫肋寬度下格柵尺寸參數(shù)

在預(yù)沖孔試樣設(shè)計(jì)時(shí)，初始縱肋寬度設(shè)為5mm。當(dāng)初始橫肋寬度小于初始縱肋寬度時(shí)（A=3mm和4mm），發(fā)現(xiàn)拉伸后橫肋寬度小于初始橫肋寬度；而當(dāng)初始橫肋寬度等于和大于初始縱肋寬度時(shí)（A=5mm和6mm），拉伸后橫肋寬度反而大于初始橫肋寬度。分析認(rèn)為，當(dāng)初始橫肋寬度小于初始縱肋寬度時(shí)，由于橫肋處材料相對(duì)較少，在拉力作用下部分橫肋材料容易向縱肋發(fā)生流動(dòng)而參與格柵筋條的形成，導(dǎo)致拉伸后橫肋寬度減小。而當(dāng)初始橫肋寬度大于初始縱肋寬度時(shí)，由于此時(shí)橫肋寬度較大、材料較多，在相同的拉力作用下材料流動(dòng)較為困難，此時(shí)格柵筋條的形成主要依靠縱肋伸長(zhǎng)材料變形，而橫肋處材料僅在拉力作用下被拉寬，最終形成格柵的節(jié)點(diǎn)。

(2)初始縱肋寬度對(duì)格柵成型的影響

圖3所示為不同初始縱肋寬度下得到的拉伸成型結(jié)果?？梢钥吹?，4種情況下同樣能夠獲得格柵產(chǎn)品，且每個(gè)初始縱肋寬度下的格柵筋條尺寸一致性較好。表2所示為拉伸后的橫肋寬度、縱肋寬度和孔長(zhǎng)，均取其平均值。由于拉伸距離不變，孔長(zhǎng)變化很小，但拉伸后的縱肋寬度差異較大。

圖3 不同初始縱肋寬度下拉伸成型結(jié)果

表2 不同初始縱肋寬度下格柵尺寸參數(shù)

在研究初始縱肋寬度對(duì)格柵成型的影響時(shí)，初始橫肋寬度設(shè)為4mm。由表2可以看到，隨著初始縱肋寬度增大，拉伸后的橫肋寬度逐漸減小。當(dāng)初始縱肋寬度小于初始橫肋寬度時(shí)（B=3mm），發(fā)現(xiàn)拉伸前、后的橫肋寬度不變。這是由于初始縱肋寬度相對(duì)較小，只需要較小的拉力即可使縱肋發(fā)生伸長(zhǎng)變形，但此時(shí)較小的拉力不足以將橫肋材料拉開，故拉伸后橫肋寬度保持不變。而當(dāng)初始縱肋寬度大于初始橫肋寬度時(shí)（B=5mm、7mm、9mm），此時(shí)初始縱肋寬度越大，拉伸時(shí)所需要的拉力就越大，相應(yīng)對(duì)橫肋部分作用力也越大，導(dǎo)致橫肋部分的材料更容易向縱肋發(fā)生流動(dòng)，最終使拉伸后的橫肋寬度不斷減小。

4.結(jié)論

（1）通過(guò)高溫拉伸成型獲得了形狀良好、筋條尺寸一致性高的PET單向格柵，驗(yàn)證了拉伸成型制備PET土工格柵的可行性。

（2）初始橫肋寬度對(duì)PET單向格柵筋條和網(wǎng)孔尺寸影響不大，但其與初始縱肋寬度的大小關(guān)系顯著影響拉伸后的橫肋寬度。當(dāng)初始橫肋寬度不變時(shí)，隨著初始縱肋寬度增大，拉伸后的橫肋寬度將逐漸減小。