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剖析复合土工膜在自然环境下随着时间会发生

作者: 来源: 日期:2019-06-27 11:28 人气:

剖析复合土工膜在自然环境下随着时间会发生老化现象。复合土工膜老化及缺陷的原因、影响因素及规律,材料的物理和化学性能的稳定决定了其耐久性,材料的耐久性是其能否应用于永久性工程的关键性能,而土工合成材料的老化研究主要是耐久性。材料的老化主要是指材料在不同的环境条件下其力学性能指标随时间的变化,环境条件包括:暴露在太阳光紫外线下、温湿度共同作用、土壤中的生物侵蚀、施工机械损伤、冻融变化等。

复合土工膜在自然环境下随着时间会发生老化现象,老化外界因素可分为物理、化学、生物因素。其中老化的原因一般可以归纳为以下:环境中的反凝聚作用使分子断裂,聚合物分解,因而产生软化失去材料中增塑剂等辅助成分,材料硬化、变脆在长期应力或疲劳应力的作用下发生蠕变、破损等聚合物在正常情况下,一般不会因温度变化而分解,有很好的抗生物分解和化学分解的能力。

但衬护在工业废水池中的土工膜,它会因氧化升温而分解,且在湿空气中,增塑剂容易发生生物分解土工织物在工程结构中起加强作用,土工织物的蠕变是指在不变的负荷作用下材料的变形随时间变化。它是土工织物能否长期发挥作用的重要特性京水力科学院汪肇京等教授利用液压千斤顶、压力钢环和串联弹簧制作了一套试验设备,它作为混凝土蠕变试验机的加压系统。利用这套设备,在长达1000h的恒温室内,对聚丙烯工程带的蠕变特性进行了观察研究,试验结果表明,在此段时间内聚丙烯的蠕变量是比较大的,经过800h,在5KN的拉力下其变形量达到了29%,而在4kN的拉力下变形量为13%,据此建议在聚丙烯工程带采用的设计拉力[N]=202kN以往的相关众多试验表明,高分子材料老化的性能指标主要是指应力,一般的材料都存在临界应力现象,即当材料所受的荷载在临界值之下,荷载对材料的性能降低影响不大,有些情况下甚至会对性能起到阻滞和稳定作用,因此学术上默认临界应力为安全应力。但是当荷载值大于临界值时,材料的性能会明显的下降。具有高等规度,结构组织有序的高分子材料,它抵抗外界的作用明显,且不易变形,如聚丙烯材料的拉伸强度达到337442MPa

河海大学通过把由氯丁丝布和氯丁帆布组成的加筋氯丁橡胶土工膜浸在水中,时间长达10个月,试验结果表明,材料的抗拉强度基本上不下降,极限延伸率反而增加,较厚的土工膜在水中其性能指标变化很小材料老化之后其强度和延伸率会相应的出现变化,工程中要求强度和延伸率的变化不能影响材料正常功能的发挥,否则满足不了工程的要求。因此,研究复合土工膜强度及延伸率随时间老化的变化规律是必要的。大量的试验研究表明,土工合成材料在热氧老化的环境条件下强度并不会随着质量的变化而变化;材料的老化速度会随着环境温度和氧浓度增加而加快;土工合成材料的抗热氧化性能与材料中所含抗氧剂的数量不一定成正比的关系,某些情况甚至成反比。

材料中的抗氧老化剂可以延缓其在光氧化时的降解速度,延缓了材料内部结构和性能的严重破坏,为材料老化强度的降低延缓了大量的时间。材料的老化性能受内部结构的影响较大。土工合成材料光氧老化试验的周期很长[10]大量的试验得出复合土工膜的老化规律如下:复合土工膜在阳光的照射下老化速度非常的快,使用年限不超过一年,而掩埋于水中和土中的老化速度异常的缓慢,最后趋于稳定。丙纶、涤纶、聚乙烯目前在我国属于应用较广泛的化纤合成材料织物,经验表明丙纶老化速度快,涤纶和聚乙烯老化速度相对慢。同一种复合土工膜同种使用条件下,颜色深黑的比白浅的老化速率慢;粗纤维、厚型的复合土工膜比短纤维、薄型的老化速率慢[11]通过上面有关的文献,我们可以看出影响复合土工膜的老化因素大致分为外界因素和内部因素。其中外部因素是指材料在应用过程中因受到光、热、力等因素(物理因素、化学因素、生物因素等)造成其性能的下降。对单一因素来说紫外线的照射对复合土工膜的性能影响最明显,因为复合土工膜对这一波长的光反应最敏感;复合土工膜的降解温度一般来说远大于环境温度,正常的单一气温条件对其寿命影响较小,但是在综合作用条件下(气温与光、氧)老化速率加快;施工碾压及铺设的损伤也可促使复合土工膜的老化,内部因素主要是指高聚物自身和助剂的作用,包括使用的原材料、材料的颜色深浅和复合土工膜的制作工艺等。复合土工膜铺设完成后,难免会存在施工缺陷,造成缺陷的原因主要是施工操作,包括:

(1)焊接时由于局部接缝不当,造成一定长度的窄缝;

(2)施工搬运过程中的损坏;

(3)施工机械和工具的刺破;

(4)基础不均匀沉降使膜撕裂;水压造成膜局部刺穿。

复合土工膜老化试验研究

复合土工膜的可靠性决定了它能不能在大型水利水电工程中的广泛应用,我国的南水北调工程中铺设了大量的复合土工膜。材料出厂时的强度是由技术专业人员来计算设计的,但是材料在不同的条件下其各方面的性能(抗拉强度、延伸率等)会不会随膜的老化而降低导致丧失应用功能是人们共同关注的焦点

关于复合土工膜老化的试验前人做了不少的研究,研究方法有:自然环境下老化试验、室内人工加速老化、实际应用老化等。自然老化试验是把材料放在自然环境条件或自然介质下,观察并研究经过一段时间其性能变化的老化试验,主要包括:大气老化试验、埋地试验、仓库贮存试验、海水浸渍试验、水下埋藏试验等等,其得出的结果比较真实,但是不足之处是时间长,而且试验中的太阳光、风速、温度、湿度与实际工程有保护的条件不太一致。人工快速老化是指人工干预采用老化仪设备,对环境中的主要因素强化,通过更高条件模拟加速材料的老化,获取材料的老化指标,优点是费时少,缺点是与实际的情况有较大的差距,且耗资大。实际应用老化是在现场进行试验,定期取样,测出材料的抗拉强度及相关性的指标,试验得出的结果可信度最高,与实际情况完全一致.

长江口深水航道治理工程中应用的聚丙烯土工织物,进行了大气自然老化、沙土掩埋试验、水下老化试验三种户外老化试验。另外,在大气自然老化试验中,采用由聚丙烯底布及聚酷纤维复合而成的土工织物,其中聚酷纤维具有较强的抗紫外线性能,能够减弱紫外线对聚丙烯的危害程度,观察在同一环境条件下该方法对土工织物老化的影响。在上海某地方根据ASTMD5970-96StandardPracticeGeotextilesfromOutdoorExposure标准要求土工织物在暴晒情况下的标准操作建立了1000m的暴晒场,根据标准按面积来铺设试样。

沙土掩埋试验属于户外试验的一种,由于缺少相关的试验标准,在实际使用情况中将聚丙烯织物掩埋于三种不同厚度(5cm10cm20cm)的黄沙下。根据试验结果推断土壤中的温度、湿度、氧气、以及微生物对老化的影响。掩埋试验每3个月进行一次取样,总共历时15个月,其中因为某种原因第四次取样未果,每次取5个样。遵循ASTMD5035-95标准,取出的试样在YG028A强力测试仪上进行经向拉伸断裂强力测试。水下老化试验选取的地点为长江口横沙岛附近水域。按照《水运工程土工织物应用技术规程》6JTJT/239-98的要求,将聚丙烯织物制作成50X50cm布。考虑到横沙岛附近水域底部泥沙淤积可能性和船舶抛锚人为损伤可能性,样布分二处地方铺放,深度为低潮位下2.0m水深。水下聚丙烯织物的老化试验时间为两年,两年中分4次取样,每次每处取样5块,根据标准ASTMD5035-95,在DL-5000电子强力拉伸仪上进行经向拉伸断裂强力的测试。通过自然老化试验,我们可以确定土工织物的老化指标,并且能够确定使用寿命。为了达到预测聚丙烯土工织物的使用寿命,在根据大气自然老化试验条件的基础上,采用人工加速老化的方法,对织物在两种情况下的老化性能指标的变化进行相关性的分析,从而达到预测寿命的目的。人工加速老化试验按照相关的标准,在UV-H型非金属加速老化试验仪上采用8根紫外线荧光灯管,试样表面粘贴一些金属板并且成450度曝露在灯管下面。每轮试验的时间为10小时给湿。

在整个试验过程中,温度一直控制在25-30,总共取样七次,每小时一次。顶破强度与刺破强度都能反映土工膜抵抗垂直于平面的法向压力的能力,顶破强度是指土工膜压力所受的面积较大,而且材料呈现双向受力的状态,刺破强度则相对受力的面积较小。为了确保复合土工膜的顶破强度,采用圆球顶破试验,试验施加的集中荷载垂直于织物平面,在受到荷载时复合土工膜中的织物会逐渐扩张直到破坏,破坏时的极限压力即可认定为圆球顶破力。以上为有关复合土工膜抗拉强度、延伸率、顶破撕裂强度等有关的试验,但是我国的南水北调工程中复合土工膜的防渗这方面的研究也不容忽视,土工膜的渗流系数的变化直接影响渠道的调水情况,况且针对世界上这么瞩目的大工程,如何保证防渗效果至关重要。完好无损的复合土工膜基本不透水,实验表明:水压作用在4MPa,稳压24h也不会出现漏水。但是一旦有穿孔破坏,就漏水。现将穿孔破坏后的复合土工膜浸泡一昼夜,其渗透系数估算值如下表1.1。试验结果表明:尽管复合土工膜存在少量肉眼能看出的破损,也不致造成严重危害。

综上所述:

针对复合土工膜的老化试验考虑的主要是对其力学性能变化及渗透系数有明显影响的因素,上述试验通过把不同规格的复合土工膜直接暴露在大气中、埋在土中、及淹没在水中,试验一段时间后记录数据观察复合土工膜抗拉强度、撕裂强度、延伸率及渗透系数的变化得出一些规律。针对南水北调这么地理位置跨度大的工程,仅仅考虑单一因素的作用是不合理的,应该适时的考虑下几个因素共同作用下的结果;

其次,地理位置跨度大造成的土壤的性质的变化对复合土工膜性质的影响也是需要注意的。复合土工膜渗透系数的研究还不够,主要是复合土工膜的厚度薄,内部的土工织物及土工膜的性质相差比较大,这就给我们采用哪种模型来模拟其防渗效果带来难度,在这方面还是应该加大研究力度。

复合土工膜老化及缺陷模型研究现状

从根本性上来讲,高分子材料随时间老化是无可否认的,而如今土工合成材料在铁路轨道、土木领域、河堤领域应用越来越多,材料在规定的使用寿命内性能能否保持稳定对整个工程的安全起决定性的作用。因此对其老化工程及老化规律的研究显得异常的重要,通过规律预测材料的最终使用年限。在塑料领域,学者们早就把大气老化和人工气候老化之间的关联性以及寿命的预测进行了分析,其中Reinhardt等的解析方法出现的较早[14]

它是在理想条件的基础上,研究塑料的所有性能指标与时间的关系,建立相应函数方程的一种分析方法。上述分析方法不能够准确的描述大气和自然老化二者之间的相关性,更不可能准确无误的用来预测材料的老化寿命。所以根据Reinhardt析方法,利用化学方法[15-17]来定性的描述材料的化学组成和老化性能之间的关系诞生了,这种方法广泛的应用于材料开发领域,用来研究材料的耐久性与添加剂和防老化剂的关系,并进行相应的评价。这种方法未考虑时间和动力学参数,在相关的研究中有很大的局限性。Lnagshaw1960年研究出了一种寿命函数法,这个函数方程中引入了老化速率。但是,这种方程是根据经验以寿命函数法为基础,通过实验条件下完成的数据统计规律来预测寿命,缺点是不能正确的反映曝露条件与塑料性能之间的数学函数关系。Kamal1966年提出的曝露参数法是在老化方程中加一个“暴露参数”,它是用来描述性能随老化时间的变化模式,反映的是动力学参数和曝露条件的共同作用,因此在方法学是一个根本性的突破。很多寿命预测模型在此基础上相继出现,常用的是Thomas[20]建立的聚丙烯土工织物在人工加速老化和大气自然老化的相关模型。

Jean-Louis最近的研究表明,不同的紫外辐射强度对材料老化降解动力学的过程会产生相应的影响,这表明人工加速和大气自然老化的环境下很大程度对高分子材料降解和性质的变化有影响。综上所述,虽然目前关于土工材料的寿命预测模型有很多种,但存在以下几个关键性的问题:

1)如何利用人工加速老化来精确的模拟自然老化过程条件,关键性是条件的模拟;

(2)大气老化试验中缺少对材料寿命在各种环境条件下的系统研究,尤其在动力学方面研究较少;

(3)材料的寿命预测模型未能从老化的本质着手,只是研究土工材料在相应的条件下使用性能的寿命,有些问题如材料光氧动力学为考虑到模型中,造成模型在应用中的局限性。针对复合土工膜老化寿命预测模型的研究主要是探讨其抗拉强度、延伸率、渗透系数等随时间的变化。

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