＊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(lián)誼工程塑料有限公司 山東 271608）

1.引言

塑料土工格柵是應(yīng)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(yōu)點，能夠?qū)ν粱鸬郊庸?、穩(wěn)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(yīng)用，在青藏鐵路凍土層路基建設(shè)、三峽庫區(qū)邊坡防護工程等國家重點工程中發(fā)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(jù)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(jù)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(yù)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(huán)節(jié)直接決定產(chǎn)品成型形狀和性能。此外，由于預(yù)沖孔環(huán)節(jié)為后續(xù)拉伸成型提供初始板料，因此預(yù)沖孔孔型的結(jié)構(gòu)設(shè)計對最終成型結(jié)果也有顯著影響。通過對孔型、板厚等預(yù)沖孔板料參數(shù)和拉伸溫度、拉伸速度等拉伸工藝參數(shù)進行研究并分析其影響規(guī)律，可以合理調(diào)控格柵成型過程，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

拉伸成型獲得的塑料土工格柵產(chǎn)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(yīng)變下拉伸強度等靜態(tài)力學性能指標，以及蠕變強度等動態(tài)力學性能指標。格柵力學性能與其服役壽命息息相關(guān)，揭示拉伸成型工藝參數(shù)對格柵力學性能的影響規(guī)律極具應(yīng)用價值。本文總結(jié)了近年來針對預(yù)沖孔板料設(shè)計方法、拉伸工藝參數(shù)影響規(guī)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(fā)展趨勢，以期為高性能塑料土工格柵成型理論與技術(shù)研究提供參考。

2.預(yù)沖孔板料設(shè)計方法

在塑料土工格柵成型過程中，板料上的預(yù)沖孔經(jīng)拉伸后形成格柵網(wǎng)孔，其余部分形成格柵筋條[5]。格柵網(wǎng)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(yù)沖孔板料的孔型、孔基本尺寸、孔間距、板料厚度等參數(shù)均影響最終產(chǎn)品的形狀與性能。

單向格柵預(yù)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(fā)現(xiàn)隨孔圓角半徑增大，圓角過渡處應(yīng)力、應(yīng)變減小。這對于避免斷裂、崩絲等缺陷至關(guān)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(jié)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(fā)現(xiàn)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(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)兩個方向性能綜合調(diào)控[11-12]。

3.拉伸工藝參數(shù)影響規(guī)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(shù)對格柵成型至關(guān)重要。實際生產(chǎn)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(guān)注的兩個參數(shù)。

(1)拉伸溫度

合適的拉伸溫度能夠保證格柵成型質(zhì)量，同時節(jié)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(fā)現(xiàn)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(shù)值模擬研究了拉伸溫度（90～145℃）對PP格柵性能的影響，發(fā)現(xiàn)在拉伸速度相同時，隨拉伸溫度提高格柵高溫拉伸應(yīng)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(jié)果表明筋條中間位置應(yīng)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(fā)現(xiàn)隨拉伸速度提高，拉伸應(yīng)力隨之增大。這是由于拉伸速度較大時，材料內(nèi)部缺陷發(fā)展時間短，應(yīng)力集中效應(yīng)未能發(fā)揮作用，此外高應(yīng)變速率下分子鏈被拉長后還未松弛即被繼續(xù)拉伸，這將導致應(yīng)力增大。在單一變量分析基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)拉伸溫度與拉伸速度存在時溫等效性。在生產(chǎn)過程中，可以通過合理協(xié)調(diào)拉伸溫度與拉伸速度，控制產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)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(tài)與動態(tài)拉伸特性。靜態(tài)拉伸特性針對使用過程中出現(xiàn)的短時間大載荷狀況，動態(tài)拉伸特性一般針對格柵蠕變過程進行分析。

(1)格柵靜態(tài)拉伸特性

Dong等[15]采用數(shù)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(jié)果表明筋條的力學響應(yīng)與加載方向密切相關(guān)，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(fā)現(xiàn)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(yīng)變增大。李海江[17]和陳蕾[18]利用自制的雙向拉伸系統(tǒng)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(shù)十年，在長期受載過程中，格柵應(yīng)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(wěn)失效。一般采用常規(guī)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(fā)現(xiàn)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(yīng)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(jié)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(yīng)變速率與加載載荷無關(guān)，而HDPE土工格柵初始蠕變階段的應(yīng)變速率則呈指數(shù)級增加。袁慧等[22]對PP土工格柵蠕變特性進行研究，發(fā)現(xiàn)長期載荷作用下格柵受力超過60%極限抗拉強度時發(fā)生斷裂。在土工格柵使用過程中對應(yīng)變進行動態(tài)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(shù)字圖像相關(guān)方法也逐漸應(yīng)用于土工材料靜態(tài)和疲勞試驗[24-25]，使格柵力學性能研究更加深入。

5.發(fā)展趨勢分析

（1）由于影響預(yù)沖孔和拉伸工藝的參數(shù)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(shù)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(yù)沖孔孔型設(shè)計效率和獲得合理的拉伸工藝參數(shù)組合具有重要意義。

（2）現(xiàn)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(guān)注拉伸過程中材料的微觀結(jié)構(gòu)變化，更未涉及結(jié)構(gòu)演變與性能變化的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，開展“變形—結(jié)構(gòu)—性能”關(guān)系研究對于全面揭示拉伸成型機理和提高制品性能至關(guān)重要。

（3）多向土工格柵近年來發(fā)展迅速，應(yīng)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(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，因而能夠與礫石砂土更好結(jié)合。圖2所示為肥城聯(lián)誼工程塑料有限公司近期開發(fā)的兩款新型多向土工格柵產(chǎn)品[26-27]。因此，著力開發(fā)多向土工格柵新產(chǎn)品，并研發(fā)與之適應(yīng)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(jié)論

合理的預(yù)沖孔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、優(yōu)化的拉伸工藝參數(shù)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(guān)重要。近年來國內(nèi)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(fā)展。因此，繼續(xù)開展拉伸過程數(shù)值模擬方法研究、揭示“變形—結(jié)構(gòu)—性能”關(guān)系、研發(fā)多向土工格柵新產(chǎn)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(yè)應(yīng)用具有重要意義。