塑料土工格柵拉伸成型工藝及格柵力學性能研究進展

＊劉計 袁洪波 宋立彬 欒貽國 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

塑料土工格柵是應用極為廣泛的土工合成材料之一，具有強度高、耐蠕變性好、施工簡便、成本低等優點，能夠對土基起到加固、穩定與防護作用，在公路、鐵路、機場、水利、建筑等方面獲得大量應用，在青藏鐵路凍土層路基建設、三峽庫區邊坡防護工程等國家重點工程中發揮重要作用[1-2]。

拉伸成型是制造塑料土工格柵的主要工藝。根據承載方向不同，塑料土工格柵可以分為單向、雙向和多向格柵；根據使用的原材料不同，可以分為聚丙烯（Polypropylene，PP）、高密度聚乙烯（High density polyethylene，HDPE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）土工格柵。利用拉伸成型工藝制造土工格柵時，首先將原材料與增塑劑、抗氧化劑、炭黑等輔料充分混合，以提升其機械性能、耐老化等性能[3-4]。隨后，通過擠出機擠出一定厚度和寬度的板材，在壓力機上利用模具沖孔。最后，將預沖孔板材加熱進行縱向拉伸，形成單向格柵；再次加熱并進行橫向拉伸，即可得到雙向或多向格柵。因此，縱向或橫向拉伸環節直接決定產品成型形狀和性能。此外，由于預沖孔環節為后續拉伸成型提供初始板料，因此預沖孔孔型的結構設計對最終成型結果也有顯著影響。通過對孔型、板厚等預沖孔板料參數和拉伸溫度、拉伸速度等拉伸工藝參數進行研究并分析其影響規律，可以合理調控格柵成型過程，從而提高產品質量。

拉伸成型獲得的塑料土工格柵產品性能，主要采用格柵的力學性能指標進行分析，包括抗拉強度、拉伸模量、延伸率、2%和5%應變下拉伸強度等靜態力學性能指標，以及蠕變強度等動態力學性能指標。格柵力學性能與其服役壽命息息相關，揭示拉伸成型工藝參數對格柵力學性能的影響規律極具應用價值。本文總結了近年來針對預沖孔板料設計方法、拉伸工藝參數影響規律和格柵力學性能方面的研究成果，探討了塑料土工格柵發展趨勢，以期為高性能塑料土工格柵成型理論與技術研究提供參考。

2.預沖孔板料設計方法

在塑料土工格柵成型過程中，板料上的預沖孔經拉伸后形成格柵網孔，其余部分形成格柵筋條[5]。格柵網孔對礫石、砂土起到固定作用，筋條主要起到承載作用。因此，預沖孔板料的孔型、孔基本尺寸、孔間距、板料厚度等參數均影響最終產品的形狀與性能。

單向格柵預沖孔的孔型一般為矩形、橢圓形、長圓形；雙向和多向格柵包括方形、菱形、圓形、半圓形、三角形等。許聞博[6]采用有限元法模擬了長圓形孔條件下單向格柵拉伸過程，發現隨孔圓角半徑增大，圓角過渡處應力、應變減小。這對于避免斷裂、崩絲等缺陷至關重要[7]。王征[8]選取菱形、圓形、方形三種孔型進行雙向格柵拉伸過程模擬，結果表明方形孔得到的格柵筋條厚度分布均勻，而圓形孔與菱形孔時筋條厚度分布不均，特別是筋條中心處減薄嚴重。劉杰[9]在拉伸速度為150mm/min，拉伸溫度為130℃條件下進行了一系列實驗，發現孔徑是影響格柵強度的首要因素，其次是板料厚度、孔間距和孔型。鄭超[10]針對PP拉伸變形行為進行了實驗和數值模擬研究，發現孔橫向間距對格柵筋條成型和室溫拉伸斷裂行為有重要影響。雙向格柵縱、橫間距相同時，一般縱向筋條力學性能存在過剩。通過增大縱向間距形成合理的縱橫間距差，可以實現兩個方向性能綜合調控[11-12]。

3.拉伸工藝參數影響規律

針對不同原材料和格柵目標形狀，選擇合適的拉伸工藝參數對格柵成型至關重要。實際生產中，拉伸溫度和拉伸速度影響材料流動和晶體重新取向，是需要重點關注的兩個參數。

(1)拉伸溫度

合適的拉伸溫度能夠保證格柵成型質量，同時節約能源、降低成本。王征[8]分析了拉伸溫度對格柵用PP原料室溫性能的影響，發現高溫拉伸后的PP樣條室溫斷裂拉伸長度和伸長率均隨拉伸溫度升高而增大。曹茜[13]通過實驗與數值模擬研究了拉伸溫度（90～145℃）對PP格柵性能的影響，發現在拉伸速度相同時，隨拉伸溫度提高格柵高溫拉伸應力和室溫拉伸強度均降低。在較高拉伸溫度下，聚合物分子鏈活性增加，所需拉伸力隨之下降；由于拉伸時分子鏈重新排布，晶體取向更加均勻，因此室溫下能夠承受更大變形，致使斷裂伸長率增加[14]。

(2)拉伸速度

許聞博[6]利用有限元法討論了不同拉伸速度（100mm/min～150mm/min）對拉伸過程的影響，結果表明筋條中間位置應變隨拉伸速度增加而增大，這有利于獲得更高的取向度，進而獲得更好的力學性能。曹茜[13]分析了拉伸速度對PP原料性能的影響，發現隨拉伸速度提高，拉伸應力隨之增大。這是由于拉伸速度較大時，材料內部缺陷發展時間短，應力集中效應未能發揮作用，此外高應變速率下分子鏈被拉長后還未松弛即被繼續拉伸，這將導致應力增大。在單一變量分析基礎上，研究者利用正交試驗探討了拉伸溫度、拉伸速度、拉伸比對格柵性能影響的顯著性，發現影響順序從強到弱分別是拉伸溫度、拉伸速度、拉伸比[9]。此外，研究發現拉伸溫度與拉伸速度存在時溫等效性。在生產過程中，可以通過合理協調拉伸溫度與拉伸速度，控制產品質量與生產效率。

4.格柵力學性能

塑料土工格柵力學性能研究主要圍繞格柵靜態與動態拉伸特性。靜態拉伸特性針對使用過程中出現的短時間大載荷狀況，動態拉伸特性一般針對格柵蠕變過程進行分析。

(1)格柵靜態拉伸特性

Dong等[15]采用數值分析方法研究了雙向矩形格柵和多向三角形格柵的拉伸變形行為，結果表明筋條的力學響應與加載方向密切相關，如圖1所示。對于雙向格柵，當拉伸方向與筋條方向一致時，拉伸強度和剛度都較高，而在其他方向則較低；當拉伸方向與筋條方向成45°時，抗拉強度和剛度接近于零。對于多向格柵，盡管其最大抗拉強度低于雙向格柵，但抗拉強度分布更加均勻，因此更能有效承受來自不同方向的拉力作用。楊廣慶等[16]研究了不同拉伸速度（0.05mm/min～50mm/min）對HDPE格柵力學性能的影響，發現隨著拉伸速度減小，格柵抗拉強度和拉伸模量減小，而峰值應變增大。李海江[17]和陳蕾[18]利用自制的雙向拉伸系統對格柵進行了單向、雙向和全向拉伸試驗。通過對拉伸速度與拉伸強度、拉伸模量的回歸分析，建立了拉伸模量與拉伸速度的回歸方程。

圖1 雙向和多向格柵拉伸強度分布圖[15]

(2)格柵蠕變特性

塑料土工格柵使用時間達數十年，在長期受載過程中，格柵應變隨時間延長而增加，即蠕變變形不斷增大[19]。如果蠕變變形過大，將造成加筋土失穩失效。一般采用常規蠕變試驗和加速蠕變試驗檢測格柵蠕變性能。

Hossein等[20]對HDPE單向格柵在靜、動載荷作用下的拉拔特性開展實驗研究，發現隨著頻率增加，動載荷對格柵的作用可以等效為動載荷平衡位置對應的靜載荷作用。Yeo等[21]評價了PET和HDPE土工格柵的拉伸蠕變性能，結果表明在相同的抗拉強度百分比下，PET格柵的蠕變變形小于HDPE格柵；PET格柵初始蠕變階段的應變速率與加載載荷無關，而HDPE土工格柵初始蠕變階段的應變速率則呈指數級增加。袁慧等[22]對PP土工格柵蠕變特性進行研究，發現長期載荷作用下格柵受力超過60%極限抗拉強度時發生斷裂。在土工格柵使用過程中對應變進行動態檢測是研究蠕變特性的有效方式，對此由超導電炭黑和HDPE制成的新型傳感土工材料提供了一條有效途徑[23]。此外，數字圖像相關方法也逐漸應用于土工材料靜態和疲勞試驗[24-25]，使格柵力學性能研究更加深入。

5.發展趨勢分析

（1）由于影響預沖孔和拉伸工藝的參數眾多，采用實驗試錯研究將耗費大量人力、時間。因此，開展塑料高溫條件下數值模擬方法研究，建立高精度的塑料土工格柵拉伸成型有限元分析模型，對于提高預沖孔孔型設計效率和獲得合理的拉伸工藝參數組合具有重要意義。

（2）現有研究一般僅針對塑料高溫拉伸變形行為或格柵室溫力學性能，較少關注拉伸過程中材料的微觀結構變化，更未涉及結構演變與性能變化的關聯關系。因此，開展“變形—結構—性能”關系研究對于全面揭示拉伸成型機理和提高制品性能至關重要。

（3）多向土工格柵近年來發展迅速，應用需求極大。與單向和雙向格柵相比，多向格柵具有更多的筋條，能夠承受多個方向載荷，同時擁有更多的網孔結構，因而能夠與礫石砂土更好結合。圖2所示為肥城聯誼工程塑料有限公司近期開發的兩款新型多向土工格柵產品[26-27]。因此，著力開發多向土工格柵新產品，并研發與之適應的高精度高效率拉伸成型方法十分迫切。

圖2 兩種新型多向土工格柵[26-27]

6.結論

合理的預沖孔結構參數設計、優化的拉伸工藝參數組合對于提高塑料土工格柵成型效率和制品力學性能至關重要。近年來國內外研究者圍繞上述問題開展了大量工作，取得了諸多研究成果，促成了塑料土工格柵拉伸成型從粗放到精細化發展。因此，繼續開展拉伸過程數值模擬方法研究、揭示“變形—結構—性能”關系、研發多向土工格柵新產品及成型方法等對于豐富高性能塑料土工格柵成型理論和推動工業應用具有重要意義。