預沖孔結構對聚丙烯雙向土工格柵拉伸成型的影響

＊鄭超 劉杰 袁洪波 宋立彬 欒貽國

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

1.引言

塑料土工格柵具有強度高、密度小、尺寸穩(wěn)定性好、環(huán)境適應性強、抗疲勞和耐蠕變性能優(yōu)異、便于施工等特點，廣泛應用于各類土木工程中[1]。根據(jù)產(chǎn)品承載方向不同，塑料土工格柵可以分為單向、雙向和多向格柵。與單向和多向土工格柵相比，雙向土工格柵能夠承受兩個方向的載荷作用，適用場合更為廣泛，且對生產(chǎn)工藝及設備要求不高，因而在塑料土工格柵市場應用中占有較大比重[2]。

拉伸成型是制造雙向土工格柵的主要工藝。在拉伸成型過程中，高分子材料內部初始零亂分布的鏈段沿拉伸方向重新取向，使格柵的筋條部位具有較高的拉伸強度，起到承載作用。格柵的節(jié)點厚度相對于筋條厚度更大，因而能夠有效阻止土、砂、石等土工材料側向移動，充分發(fā)揮格柵的嵌鎖固定作用[3]。生產(chǎn)中，首先將聚丙烯或聚乙烯、添加劑等原材料，經(jīng)擠出機擠出板材后，在壓力機上利用沖孔模具獲得規(guī)則排列的孔。預沖孔板材在合適溫度和速度條件下進行第一次拉伸獲得單向格柵；隨后將板材沿與第一次拉伸的垂直方向進行第二次拉伸，即得到雙向格柵[4]。在格柵生產(chǎn)流程中，預沖孔為后續(xù)拉伸成型提供初始板材，是格柵拉伸成型的重要環(huán)節(jié)。預沖孔結構包括孔型、孔基本尺寸、孔間距等，其設計不僅影響塑料在拉伸成型過程的變形行為，并與格柵產(chǎn)品的形狀尺寸和力學性能密切相關。許聞博[5]采用有限元分析方法研究了預沖孔圓角半徑對單向土工格柵拉伸過程的影響，發(fā)現(xiàn)該尺寸顯著影響材料變形時的應力和應變幅值。劉計等[6]針對一種多向土工格柵設計了4種不同預沖孔孔型結構，分析了預沖孔孔型結構對多向土工格柵拉伸變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)預沖孔孔型結構顯著影響多向土工格柵的整體形貌、筋條寬度和筋條應變分布特性。Ren等[7]針對三向土工格柵進行了力學性能測試，發(fā)現(xiàn)隨著預沖孔直徑增大，三向土工格柵的拉伸強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，進而結合拉伸成型過程分析得到了最優(yōu)的預沖孔結構設計方案。目前，針對雙向土工格柵的研究集中于原材料性能[8]、拉伸成型工藝[9-10]、格柵性能[11-12]，以及格柵與土工材料的相互作用[13-15]，而圍繞預沖孔結構對雙向土工格柵拉伸成型的影響探索極少。針對上述問題，本文選取生產(chǎn)中常見的圓形孔型，通過工藝實驗與性能測試，分析預沖孔間距和孔徑對聚丙烯雙向土工格柵拉伸成型的影響規(guī)律。

2.實驗方案

實驗選用肥城聯(lián)誼工程塑料有限公司提供的聚丙烯板材，厚度為4mm。首先采用激光切割機加工預沖孔試樣，隨后利用材料試驗機進行高溫拉伸成型工藝實驗，通過隨設備配置的高低溫箱獲得高溫成型環(huán)境。由于雙向土工格柵需在兩個相互垂直的方向上依次進行拉伸，因此在第一次拉伸結束和試樣冷卻后，將試樣取下、旋轉90°后重新裝夾，再升溫至設定溫度進行第二次拉伸。將得到的雙向格柵冷卻至室溫后，在材料試驗機上進一步開展室溫拉伸試驗，分別檢測格柵兩個方向的力學性能。

結合雙向土工格柵生產(chǎn)常用預沖孔結構形式和實驗設備條件，設計如圖1(a)所示的聚丙烯雙向土工格柵預沖孔試樣。預沖孔采用圓形孔型，設Ts和Vs為兩個拉伸方向上的預沖孔間距，且Ts=Vs，D為圓孔直徑，加工獲得的試樣如圖1(b)所示。結合聚丙烯的物理性能和雙向土工格柵拉伸成型常用的工藝參數(shù)，設定拉伸溫度為130℃，拉伸速度為150mm/min，拉伸距離為80mm。預沖孔間距選取6mm、8mm、10mm、12mm、14mm，圓孔直徑選取3mm、4mm、5mm、6mm。與實際生產(chǎn)一致，本文將第一次拉伸稱為縱向拉伸，獲得的試件如圖2(a)所示；將第二次拉伸稱為橫向拉伸，得到的格柵產(chǎn)品如圖2(b)所示。

圖1 聚丙烯雙向土工格柵預沖孔試樣

圖2 兩步拉伸成型獲得的試件

選擇拉伸強度和斷裂伸長率兩個指標分析雙向土工格柵的力學性能[16]。依據(jù)《GB/T 17689-2008土工合成材料塑料土工格柵》，規(guī)定在外力作用下第一個峰值時的拉力折算成單位寬度土工格柵的力稱為拉伸強度，格柵拉斷時的應變稱為斷裂伸長率。室溫拉伸試驗時橫梁移動速度設為20mm/min，采用單肋法分別檢測格柵縱向和橫向的力學性能，每種條件均重復5次。

3.結果與討論

(1)預沖孔間距對格柵成型的影響

圖3為不同間距下雙向格柵拉伸成型的實驗結果，此時圓孔直徑固定為4mm。

圖3 不同間距下拉伸成型結果

由圖3(a)可知，當間距為6mm時，位于筋條部位的初始材料過少，導致拉伸后橫截面積急劇減小，格柵筋條過細，這顯然不利于格柵承載能力的發(fā)揮。當間距為14mm時，拉伸成型后發(fā)現(xiàn)在節(jié)點部位出現(xiàn)開裂，說明該條件下也不能獲得合格格柵產(chǎn)品，如圖3(c)所示。分析認為，當間距過大時，位于筋條部位的初始材料顯著增多。經(jīng)過第一次拉伸后，盡管該處材料寬度上有所減小，但與節(jié)點部位相比差別較小。由于節(jié)點部位的材料尚未發(fā)生取向強化，在第二次拉伸過程中強度較低的節(jié)點部位材料將首先發(fā)生變形，最終因變形過大而產(chǎn)生斷裂。在給定孔徑和拉伸距離條件下，間距為8mm、10mm、12mm時均能獲得形狀良好的格柵，后續(xù)取這三種間距下得到的雙向格柵進一步開展力學性能測試。

圖4為不同間距下雙向格柵拉伸強度和斷裂伸長率的測試結果，實驗中發(fā)現(xiàn)斷裂均出現(xiàn)在格柵節(jié)點與筋條的過渡區(qū)。

由圖4可知，隨間距增大，兩個方向的拉伸強度均升高，斷裂伸長率先增大而后有所下降。總體來看，格柵縱向（即第一次拉伸方向）的力學性能普遍優(yōu)于橫向（第二次拉伸方向）。分析認為，由于縱向拉伸后部分材料已經(jīng)發(fā)生了取向強化，這將對第二次拉伸過程中材料的變形起到一定阻礙作用。在拉伸距離不變時，材料變形不如第一次充分，因而削弱了橫向筋條的承載能力，導致雙向格柵兩個方向上的力學性能存在差異。此外，過大的間距意味著單位面積內材料增多，因此在確保格柵力學性能前提下，可采用較小的間距以降低克重。

圖4 間距對聚丙烯雙向土工格柵力學性能的影響

(2)預沖孔孔徑對格柵成型的影響

圖5為不同圓孔孔徑下雙向格柵拉伸成型的實驗結果，此時間距保持為10mm。

圖5 不同孔徑下拉伸成型結果

由圖5(a)可知，當孔徑為3mm時，拉伸成型后在節(jié)點部位出現(xiàn)開裂，這種現(xiàn)象及產(chǎn)生原因與圖3(c)類似，說明過小的孔徑將導致格柵成型后的形狀難以控制，易因變形過大而出現(xiàn)破裂。當孔徑為6mm時，盡管此時單位面積內的材料減小，這對降低克重是有利的，但由圖5(c)可知，此時雙向拉伸后獲得的格柵筋條部位橫截面積明顯較小，這可能不利于格柵承載能力的發(fā)揮。在給定間距和拉伸距離條件下，孔徑為4mm和5mm時均能獲得形狀良好的格柵。為定量分析孔徑對雙向格柵力學性能的影響，進一步選擇孔徑為4mm、5mm和6mm獲得的格柵開展測試。

圖6為不同孔徑下雙向格柵拉伸強度和斷裂伸長率的測試結果。與不同間距條件下的格柵室溫拉伸結果類似，實驗中發(fā)現(xiàn)斷裂均出現(xiàn)在格柵節(jié)點與筋條的過渡區(qū)。

由圖6可知，隨孔徑增大，兩個方向的拉伸強度和斷裂伸長率均降低。分析認為，在拉伸變形過程中，格柵筋條部位的高分子鏈段沿拉伸方向重新分布，呈現(xiàn)取向增強現(xiàn)象。隨著變形持續(xù)發(fā)展，格柵筋條部位承載能力逐漸提高。盡管節(jié)點處材料整體變形程度較小，但由于節(jié)點橫截面積較大，致使格柵的力學性能薄弱點位于筋條與節(jié)點的過渡區(qū)。隨著預沖孔孔徑增大，在間距和拉伸距離不變時，格柵筋條寬度逐漸減小，筋條與節(jié)點過渡區(qū)的橫截面積及其承載能力也隨之減小，因而力學性能出現(xiàn)下降。

圖6 孔徑對聚丙烯雙向土工格柵力學性能的影響

4.結論

（1）合適的預沖孔間距和孔徑對于獲得合格格柵產(chǎn)品至關重要。在拉伸一定距離時，增大預沖孔間距或減小孔徑，均使雙向土工格柵兩個方向的拉伸強度提高。

（2）雙向土工格柵縱向（第一次拉伸方向）的力學性能優(yōu)于橫向（第二次拉伸方向）。可適當增大第二次拉伸的拉伸距離以提高材料的變形程度，從而減小兩個方向的性能差異。