土工格栅户外老化试验初步研究

童 军，丁金华，胡 波,孙 慧

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

土工格栅户外老化试验初步研究

童 军，丁金华，胡 波,孙 慧

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

作为一类特殊的高分子材料，土工合成材料越来越广泛地应用于水利、交通、环境工程等各个领域。在其服役期限内，能否保持一定的力学性能对整个工程的稳定性至关重要。研究高分子土工合成材料的老化性状，从而准确预测土工合成材料在各种环境条件下的使用寿命，已成为目前岩土工程的研究热点之一。在长江科学院土工合成材料户外老化试验基地开展了HDPE土工格栅的户外光氧老化试验。试验结果表明：在9个月内，土工格栅的拉伸强度基本保持不变甚至还有增高的趋势，这可能是由于高分子内部的二级反应补偿了紫外线的老化。紫外线提供了化学交联所需的能量，使得聚合物分子发生交联反应，轻微的收缩导致织物纤维被拉紧，使强度增大。这使得土工格栅强度在前期(9个月)得到一定程度的改善。9个月后，强度开始降低。本老化试验基地的远期研究成果可提供长时序土工合成材料老化性能物理力学指标的第一手资料。

土工格栅；HDPE；光氧；户外试验；老化性能；拉伸强度

1 研究背景

土工合成材料作为一类特殊的高分子材料在20世纪中后期进入我国，目前已经越来越广泛地应用于水利、交通、环境工程等各个领域[1-3]。土工格栅作为一种典型的土工合成材料，日益广泛应用于永久性加筋工程中。实际工程中，土工合成材料要承受紫外线的长期作用，使土工格栅的加筋功能大大减弱甚至使建筑物丧失稳定。在其设定的使用寿命里，能否保持一定的力学性能对结构稳定性将产生决定性影响。因此,有关土工合成材料的老化问题显得日趋重要，特别是如何准确地预测土工合成材料的使用寿命，已成为目前的研究热点之一。

现行《公路土工合成材料应用技术规范》(JTJ/T019—98)[4]采用单一折减系数来考虑老化、蠕变等引起的土工合成材料强度降低的问题，没有研究提出土工合成材料在不同应用条件下相应的折减系数，因而也无法提出各种土工合成材料的具体应用条件。这种一刀切的处理办法导致了在实际工程应用中，仅凭单一的强度指标来选择和评价土工合成材料，出现错误选择材料，未能达到预计效果的现象。目前国外先进发达国家，如美国对土工合成材料的老化、蠕变等特性进行了较为深入的研究，提出了不同的折减系数[5-6]，分别来考虑老化、蠕变等影响引起的土工合成材料强度的降低，就其提出的折减系数值来看，远远大于我国现行规范中提出的折减系数。按我国现有规范的设计由于过于保守而造成极大的材料浪费[7]。我国多年来土工合成材料的推广应用和实践也表明，采用单一系数考虑土工合成材料的折减是十分不恰当的，必须针对不同的材质和使用的环境条件分项进行考虑，特别是必须考虑紫外线引起的土工合成材料强度降低的问题。目前，亦鲜见长时序的老化研究报道。因此，有必要研究长时序土工格栅的物理力学老化性能，从而提出合理的老化折减系数。

本文介绍了长江科学院土工合成材料户外老化试验基地的情况及初步试验结果。对HDPE土工格栅在户外老化过程中的物理力学强度变化规律进行了分析。

2 户外老化试验

户外老化试验是将土工合成材料的试样或制品曝露于户外大气环境中，使其受各种大气因素的综合作用，通过周期性的外观和性能的变化(即老化)，从而考核和评价其耐久性[8-11]。由于户外老化试验与材料的实际使用环境比较接近，特别是对于材料耐久性能，能够获得比较可靠的结果，因而一直受到人们的重视和采用。户外老化试验具有数据比较可靠、所需的试验设备比较简单、可投试的样品较多等优点。开展长时序土工合成材料户外老化试验可为获取较高可信度的老化性能的物理力学指标提供第一手资料，并可为室内加速老化试验预测土工合成材料老化性能提供基本依据。

2.1 试验场地及仪器

试验场地位于武汉市汉阳区，场地面积约600 m2。试验场地开阔无遮挡，阳光可直射场地。试验场地用铁栏打围作为户外老化试验专用场地，并设专人对场地进行维护，拟作为长时序典型土工合成材料老化试验基地。场地相关气象条件见表1。7，8月份为紫外辐射最强的时期。为使试样尽可能受到一年中最强的紫外线辐射，试验于7月1日开始。

表1 户外老化试验气象条件(自2014年7月1日开始)Table 1 Weather conditions during outdoor aging test started from July 1, 2014

图1 户外老化试验系统Fig.1 Outdoor aging test system

根据ASTM D5970标准[11]，土工格栅放置在自行加工的户外老化试验支架上，试样架向南且与水平面呈45°以最大可能吸收太阳光的辐射。试验支架照片如图1(a)所示。

试验期间，利用位于老化场地内的气象站实时监测试验场地的温度、湿度、降水量等；利用紫外辐射监测系统实时监测试验场地的紫外辐射量。气象站及紫外辐射监测系统分别见图1中的(b),(c)。

2.2 试验材料

试样为国内某厂商提供的单向土工格栅，其基本力学参数见表2。试样平铺在朝南且与水平面呈45°的支架上，以使得试样接受最大程度的紫外光照。单向HDPE土工格栅基本物理力学参数根据《土工合成材料测试规程》(SL235—2012)[8]进行试验获得。

表2 单向HDPE土工格栅基本物理力学参数Table 2 Basic physical and mechanical parameters of uniaxial HDPE geogrid used in the test

3 试验结果及分析

表3所示为不同曝露时间格栅力学强度，图2和图3所示为不同曝露时间格栅拉伸强度、强度保持率及断裂延伸率的时程曲线。

表3 户外老化试验HDPE土工格栅力学强度Table 3 Mechanical strengths of HDPE geogrid exposed outdoor

图2 户外老化试验格栅拉伸强度、强度保持率时程曲线Fig.2 Time-historycurvesoftensilestrengthandstrengthretentionratioofgeogridinoutdooragingtest

图3 户外老化试验断裂延伸率时程曲线Fig.3 Time-historycurveofextensionatbreakofgeogridinoutdooragingtest

当曝露老化时间为1个月时，拉伸强度略有减少，断裂延伸率略为增加;当曝露时间为3，6，9个月时，拉伸强度最高增加了约5%；5%和2%应变对应强度基本不变或略有增加，断裂延伸率略有降低，格栅呈现出变硬变脆的趋势。在9个月内，土工格栅的拉伸强度基本保持不变甚至还有增高的趋势。这可能是由于高分子材料早期老化时的“退火效应”，即高分子材料受到紫外光的作用后，发生分子链的重整和聚合，消除了材料内应力和材料的内部缺陷，导致拉伸强度略有上升。也可能由于二级反应补偿了紫外线的老化：由于紫外线提供了发生化学交联所需的能量，使得聚合物发生交联反应，轻微的收缩导致织物纤维被拉紧，使强度增大，这使得材料强度在老化前期得到一定程度的改善。但随着时间推移，光照能量最终将导致并加速氧化老化过程，而使聚合物物理性能衰减和软化，材料的内部结构和性能都产生了破坏。如图2所示，9个月后，格栅的强度开始降低。

4 结论与展望

本文介绍了位于武汉市汉阳区的长江科学院户外老化试验基地。通过开展户外老化试验，对HDPE土工格栅在老化过程中的物理力学性能进行了分析，结果表明：在老化试验前期(9个月内)，强度保持率不稳定，但基本呈现不变甚至增高的趋势。这是由于高分子材料早期老化时的“退火效应”，即在紫外光的作用下，分子链进行了重整和聚合，消除了材料内应力和内部缺陷，导致拉伸强度略有上升。也可能由于二级反应补偿了紫外线的老化。由于紫外线对试样提供了化学交联所需的能量，使得聚合物发生交联反应，轻微的收缩导致织物纤维被拉紧，使强度增大。这使得材料强度在前期(9个月)得到一定程度的改善。

今后拟在该户外老化试验基地继续开展不同原材料、不同类型土工合成材料的长时序户外老化试验，远期研究成果可提供长时序土工合成材料户外老化性能物理力学指标的第一手资料。

[1] 龚壁卫, 童 军.土工合成材料在南水北调膨胀岩渠坡加固中的应用[J].长江科学院院报,2009,26 (11): 81-84.

[2] 董 健, 张 明, 罗玉珊,等.山区复杂地形条件下超高土工格栅加筋土路堤的稳定性分析[J].长江科学院院报，2014, 31(3): 134-138.

[3] 包承纲.关于环境岩土工程的若干问题[J].长江科学院院报，2003,20 (3): 32-34.

[4] JTJ/T019—98，公路土工合成材料应用技术规范[S].北京：人民交通出版社，1999.

[5] FHWA-SA-93-025, Guidelines for Design Specification and Contracting of Geosynthetic Mechanically Stabilized Earth Slopes on Firm Foundation[S]. U.S.: U.S. Department of Transportation, 1993.

[6] HOLTZ R D, CHRISTOPHER B R, BERG R R. Geosynthetic Design and Construction Guidelines Participant Notebook[M]. U.S.: Federal Highway Administration, 2000.

[7] 包承纲.我国土工合成材料应用技术发展的若干评述[C]∥全国第五届土工合成材料学术会议论文集.香港：现代知识出版社,2000.

[8] SL235—2012，土工合成材料测试规程[S].北京：中国水利水电出版社,2012.

[9] ASTM D5819, Standard Guide for Selecting Test Methods for Experimental Evaluation of Geosynthetic Durability[S]. Pennsylvania: American Society for Testing and Materials, 1999.

[10]ASTM D 4595, Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method[S]. Pennsylvania: American Society for Testing and Materials, 2011.

[11]ASTM D5970, Standard Practice for Deterioration of Geotextiles from Outdoor Exposure[S]. Pennsylvania: American Society for Testing and Materials, 2003.

(编辑：陈 敏)

Preliminary Study on Deterioration of HDPE Geogridfrom Outdoor Exposure

TONG Jun, DING Jin-hua, HU Bo, SUN Hui

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

As a special polymer material, geosynthetics is widely used in hydraulic, transportation and environmental engineering. In its service period, the capability of maintaining mechanical properties is of vital importance to the stability of the whole project. The aging properties of geosynthetics are important for predicting the accurate life time of geosynthetics, which is a current hot research topic. Outdoor photo-oxygen aging test on HDPE geogrid was carried out at the outdoor test base of Yangtze River Scientific Research Institute. Test results showed that in the initial 9 months, the tensile strength of geogrid remained unchanged or even increased due to secondary compensatory responses to the UV aging. UV provided required energy for chemical crosslinking, which resulted in the polymer crosslinking reaction and slight contraction in woven fabric. As a result, the tensile strength of geogrid increased in the initial period (9 months), but decreased after 9 months. The long-term research results of the test base could provide first-hand data for the physical and mechanical indexes of the aging properties of geogrid under outdoor exposure.

geogrid; HDPE; photo-oxidation; outdoor test; aging property; tensile strength

2016-07-05；

2016-08-29

“十二五”国家科技支撑计划课题项目(2015BAB07B04)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2014060/YT，CKSF2016044/YT)；水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室开放基金项目(YK914023)

童 军(1983-)，男，湖北仙桃人，高级工程师，博士，主要从事环境岩土工程、土工合成材料相关的研究工作，(电话)027-82927645(电子信箱)tongjun@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20161016

TU413.1

A

1001-5485(2017)02-0013-04

2017,34(2):13-16