聚丙烯土工織物的使用壽命預(yù)測.pdf

1、隨著土工合成材料在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其老化問題的研究，特別是如何準(zhǔn)確預(yù)測土工合成材料的使用壽命，顯得日趨重要。本課題以長江口深水航道治理工程中大量使用的聚丙烯土工織物為研究對象，圍繞其使用壽命預(yù)測這一問題展開研究工作。 本文對聚丙烯土工織物在不同戶外使用環(huán)境下的老化行為進(jìn)行了研究。在上海某地方建立了戶外曝曬場，進(jìn)行了一年的大氣自然老化試驗，定期對試樣的斷裂強力進(jìn)行測試，并對老化過程中各環(huán)境因素，包括紫外輻射、溫度和降雨量進(jìn)行

2、了監(jiān)測。結(jié)果表明，在戶外曝曬的環(huán)境條件下，紫外輻射對聚丙烯土工織物老化起決定性作用，而且紫外輻射能對聚丙烯土工織物的老化有累積效應(yīng)，即聚丙烯土工織物的強力下降與所接受的累積紫外輻射能呈線性關(guān)系。對于溫度和降雨量等其他環(huán)境因素，所完成的實驗并沒有明確的跡象表明這些因素影響到紫外輻射所起的作用。同期在曝曬場采取不同的掩埋深度對聚丙烯土工織物進(jìn)行沙土掩埋試驗。試驗結(jié)果表明，土壤中的溫濕度、含氧量、微生物和化學(xué)物質(zhì)等對聚丙烯土工織物老化沒有顯著

3、影響。在橫沙碼頭2m深的水域進(jìn)行的水下老化試驗結(jié)果表明，在無紫外輻射的作用下，水和水下微生物、化學(xué)物質(zhì)等對聚丙烯土工織物老化不產(chǎn)生顯著影響。通過以上三種不同的戶外老化試驗可以看出，光氧老化是聚丙烯土工織物強力下降的主要因素，其他環(huán)境因素的影響較小。因此，探索紫外輻射對聚丙烯光氧老化所起的作用，就有可能對其使用壽命有較準(zhǔn)確的把握。 在此基礎(chǔ)上，采取人工加速老化和大氣自然老化試驗，對不同老化過程中聚丙烯長絲試樣的斷裂強力、特性粘度(

4、粘均分子量)、熔點和結(jié)晶度進(jìn)行了測定。結(jié)果表明，在兩種老化條件下，聚丙烯長絲的熔點隨著老化時間的增加而降低，其下降趨勢與斷裂強力相一致，但比較緩慢，難以準(zhǔn)確反映聚丙烯長絲斷裂強力的變化趨勢。在老化條件下，試樣的結(jié)晶度雖然產(chǎn)生波動，但是與斷裂強力變化規(guī)律不符，也不能用其來反映宏觀性能的變化。而不論在人工加速老化還是在大氣自然老化試驗條件下，在聚丙烯長絲的光氧老化過程中，其斷裂強力和特性粘度之間都存在著線性相關(guān)，并且這種關(guān)系不受紫外輻射條件

5、的影響。這表明，特性粘度能夠準(zhǔn)確表征光氧老化過程中聚丙烯長絲斷裂強力的變化。進(jìn)一步研究了紫外輻射強度對聚丙烯光氧老化的影響。采用三種不同紫外輻射強度(熒光燈源)的人工加速老化試驗和大氣自然老化試驗，對各老化試驗條件下試樣的特性粘度進(jìn)行了測試，并使用紅外光譜技術(shù)對試樣的羰基產(chǎn)物進(jìn)行了測定，以表征不同老化條件下聚丙烯長絲的光氧老化動力學(xué)過程。研究結(jié)果表明，在人工加速老化試驗條件下，通過對紫外輻射強度的正確選擇，光源的光譜分布和大氣自然老化條

6、件下日光的紫外光譜分布的差異不會對聚丙烯長絲的光氧老化動力學(xué)過程產(chǎn)生影響。在本課題中，當(dāng)紫外輻射強度不超過162.58W/m<,2>時，聚丙烯長絲在大氣自然老化條件下和人工加速老化條件下可以表現(xiàn)出相同的光氧老化過程。當(dāng)紫外輻射強度達(dá)到325.24W/m<'2>時，會改變氫過氧化物的降解反應(yīng)，從而表現(xiàn)出與大氣自然老化不同的光氧老化動力學(xué)過程。這一部分的研究工作實現(xiàn)了如何通過控制人工加速老化試驗條件，得到與大氣自然老化具有相同的光氧老化動力

7、學(xué)過程。在這基礎(chǔ)上，才有可能通過人工加速老化來評估聚丙烯土工織物在大氣自然環(huán)境下的老化規(guī)律。 在保證人工加速老化和大氣自然老化條件下聚丙烯長絲遵循相同的光氧老化動力學(xué)過程的基礎(chǔ)上，以能量等值的方法，建立了聚丙烯長絲的光氧老化壽命預(yù)測方程。結(jié)果表明，聚丙烯長絲的斷裂強力和累積紫外輻射能之間滿足指數(shù)關(guān)系。根據(jù)該關(guān)系，就可以通過人工加速老化試驗對聚丙烯長絲在戶外環(huán)境下的使用壽命進(jìn)行預(yù)測。 最后，本文采用不同的載荷水平，對機械應(yīng)

8、力作用下聚丙烯長絲的光氧老化過程進(jìn)行了研究。分析表明，聚丙烯長絲在光氧老化過程中所受的應(yīng)力越大，其斷裂強力降低就越快。應(yīng)力大小與聚丙烯長絲老化性能的關(guān)系是非線性的，載荷增加對老化降解的速度的影響是一個先慢速后快速的過程。對所研究的聚丙烯長絲而言，其安全應(yīng)力范圍為其斷裂強力的10﹪左右。本文針對長江口深水航道治理工程中所使用的聚丙烯土工織物的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測，所論及的環(huán)境是上海地區(qū)典型的大氣氣候條件。不同的聚丙烯材料在不同的戶外使用環(huán)境