PET單向土工格柵拉伸成型工藝研究

＊李奕 袁洪波 欒貽國 宋立彬 鄭超*

（1.山東大學材料科學與工程學院 山東 250061 2.肥城聯誼工程塑料有限公司 山東 271608）

1.引言

土工格柵是工程建設領域應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等特點，在各類軟土地基加固、加筋土擋墻、鐵路公路路基增強等工程中發揮重要作用。按照生產工藝不同，土工格柵分為拉伸土工格柵、經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點強度較高，其工藝也具有生產連續性強、效率高、操作簡便等優點，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]。

聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate），簡稱聚酯（PET），是常用工程塑料之一。PET具有良好的強度和韌性，且耐摩擦、抗蠕變、耐疲勞、抗沖擊性和尺寸穩定性好，適合作為土工合成材料原料[2]。此外，PET原料價格低，回收料來源廣泛且純度較高，在生產成本及性能上均具有明顯優勢。現有PET土工格柵生產工藝包括經編和焊接兩種。經編工藝是通過經、緯向定向編織技術制成網格坯布，隨后涂覆涂層形成最終格柵產品；焊接工藝是首先通過低倍拉伸獲得筋條，再利用超聲波焊接工藝將筋條連接形成格柵[3-4]。工程實踐發現，經編土工格柵采用的襯經襯緯紗線易產生滑移，節點受力后易發生滑動，導致節點強度低于材料本身強度，且產品使用前需進行涂層處理，工藝較為復雜。焊接土工格柵的節點易發生剝離破壞，從而對加筋效果產生不利影響[5]。目前，針對PET土工格柵的研究集中在經編和焊接土工格柵，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。試驗結果表明不同格柵加固效果與格柵強度、格柵類型、網格尺寸和結構完整性有關，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＞經編型雙向格柵。Müller等[7]對影響PET經編土工格柵使用壽命的化學因素進行了測定分析，發現使用溫度、PET相對分子質量、基端羧基濃度、結晶度等都會影響PET土工格柵的使用壽命。Vashi等[8]對PET和PP增強軟土地基進行了試驗研究，發現與PP材料相比，PET土工材料抗蠕變性更強，且對土體堤壩增強效果更佳。Cho等[9]研究了PET經編土工格柵的鋪設失效及蠕變行為，發現PET經編土工格柵的鋪設失效比HDPE單向拉伸土工格柵更為嚴重，但抗蠕變性能更強。然而，當前對PET土工格柵成型新工藝研究極少。針對上述問題，本文采用實驗研究方法，驗證了通過拉伸成型制備PET土工格柵的可行性，并分析了不同初始橫肋、縱肋寬度對PET拉伸成型的影響規律。

2.拉伸成型實驗方案

實驗采用深圳市西鄉恒潤有機玻璃制造廠生產的PET板材，厚度為3mm，玻璃化溫度為80℃。實驗前需對板材進行預沖孔，孔型結構參考高密度聚乙烯單向拉伸土工格柵實際生產常用參數。結合實驗室設備條件，將試樣沿縱向（拉伸方向）設計為三組孔，中間保留完整孔型及兩排橫肋，兩側做截斷處理；試樣沿橫向（垂直拉伸方向）設計為五組孔，如圖1(a)所示。設A為初始橫肋寬度，B為初始縱肋寬度，K為完整孔長，H為截斷孔長，R為孔圓角半徑，W為孔寬。采用激光切割機加工預沖孔試樣，獲得的試樣如圖1(b)所示。

圖1 單向拉伸PET土工格柵預沖孔試樣

由于初始橫肋寬度和初始縱肋寬度對其他類型原料的格柵拉伸成型結果影響較大[10-11]，故本文研究上述兩個參數對格柵成型的影響。選擇A為3mm、4mm、5mm、6mm，B為3mm、5mm、7mm、9mm，K=31mm，H=10mm，R=1mm，W=5mm。拉伸成型實驗在CMT4104電子萬能試驗機進行，通過隨機配置的高低溫箱實現板材加熱。參考PET物理性能和單向格柵生產常用參數，設定拉伸溫度為75℃，拉伸速度70mm/min，拉伸距離為147mm。

3.結果與討論

(1)初始橫肋寬度對格柵成型的影響

圖2所示為不同初始橫肋寬度下得到的拉伸成型結果。可以看到，4種情況下均能獲得格柵產品。拉伸后橫肋將成為格柵的節點，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，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定性。為定量分析初始橫肋寬度對格柵產品尺寸的影響，分別測量拉伸后的橫肋寬度、縱肋寬度和孔長，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差異較小，說明初始橫肋寬度對格柵筋條和網孔尺寸影響不大。

圖2 不同初始橫肋寬度下拉伸成型結果

表1 不同初始橫肋寬度下格柵尺寸參數

在預沖孔試樣設計時，初始縱肋寬度設為5mm。當初始橫肋寬度小于初始縱肋寬度時（A=3mm和4mm），發現拉伸后橫肋寬度小于初始橫肋寬度；而當初始橫肋寬度等于和大于初始縱肋寬度時（A=5mm和6mm），拉伸后橫肋寬度反而大于初始橫肋寬度。分析認為，當初始橫肋寬度小于初始縱肋寬度時，由于橫肋處材料相對較少，在拉力作用下部分橫肋材料容易向縱肋發生流動而參與格柵筋條的形成，導致拉伸后橫肋寬度減小。而當初始橫肋寬度大于初始縱肋寬度時，由于此時橫肋寬度較大、材料較多，在相同的拉力作用下材料流動較為困難，此時格柵筋條的形成主要依靠縱肋伸長材料變形，而橫肋處材料僅在拉力作用下被拉寬，最終形成格柵的節點。

(2)初始縱肋寬度對格柵成型的影響

圖3所示為不同初始縱肋寬度下得到的拉伸成型結果。可以看到，4種情況下同樣能夠獲得格柵產品，且每個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，均取其平均值。由于拉伸距離不變，孔長變化很小，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果

表2 不同初始縱肋寬度下格柵尺寸參數

在研究初始縱肋寬度對格柵成型的影響時，初始橫肋寬度設為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。當初始縱肋寬度小于初始橫肋寬度時（B=3mm），發現拉伸前、后的橫肋寬度不變。這是由于初始縱肋寬度相對較小，只需要較小的拉力即可使縱肋發生伸長變形，但此時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。而當初始縱肋寬度大于初始橫肋寬度時（B=5mm、7mm、9mm），此時初始縱肋寬度越大，拉伸時所需要的拉力就越大，相應對橫肋部分作用力也越大，導致橫肋部分的材料更容易向縱肋發生流動，最終使拉伸后的橫肋寬度不斷減小。

4.結論

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