CN102165118A - 用于负载支承应用的土工格室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高的强度和刚度的土工格室，从而使得所述土工格室具有下列性能：当采用动态机械分析(DMA)在1Hz的频率下沿纵向测量时，其在23℃下的储能模量为500MPa或更高；其在63℃下的储能模量为150MPa或更高；其在23℃的12％应变下的拉伸应力为14.5MPa或更高；其在25℃下的热膨胀系数为120×10-6/℃或更低；和/或其长期设计应力为2.6MPa或更高。所述土工格室适用于负载支承应用，特别是用于加固公路、人行道、存储区域以及铁路的基层和/或底基层。

Description

用于负载支承应用的土工格室
背景技术
本发明涉及一种格室加固体系(也称为CCS或土工格室)，所述格室加固体系适用于支承载荷，如在公路、铁路、停车场和人行道(pavement)上所存在的载荷。特别是，本发明的土工格室在经过大量的负载循环和温度循环后仍能保持其尺寸，从而使得在土工格室的整个设计寿命期内，仍然能够保持所需的填料加固作用。
格室加固体系(CCS)是一种类似于“蜂窝”状结构的加固格室阵列，其中填充有颗粒填料，所述颗粒填料可为无粘性土、沙、砂砾、道渣、碎石或任何一种其它类型的颗粒状聚集体(aggregate)。CCS(也称为土工格室)主要应用于需要较低机械强度和刚度的土木工程应用中，例如坡面防护(以防止侵蚀)，或为斜坡提供侧向支承。
CCS与其它的土工合成材料(例如土工格栅或土工布)的不同之处在于，所述土工格栅/土工布为平(即二维)的，并且用于平面加固。所述土工格栅/土工布仅在非常有限的垂直距离上(通常为颗粒材料平均尺寸的1-2倍)提供加固作用，并且局限于平均尺寸为大于约20mm的颗粒材料。这就使得二维土工合成材料的选材局限于相对贵重的颗粒材料(道渣、碎石和砂砾)，因为它们几乎不能对较低质量的颗粒材料(如再生沥青、混凝土碎料、粉煤灰和采石场废料)提供任何加固或加强作用。与此形成对比的是，CCS为在所有方向(即沿着各格室的整个横截面)上提供加固作用的三维结构。此外，多格室的几何形状提供了被动抗力，其提高了承载能力。与二维土工合成材料不同，土工格室可为平均粒度小于约20mm的颗粒材料(在某些情况下，为平均粒度小于或等于约10mm的材料)提供加固和加强作用。
在世界范围内，土工格室由一些公司(包括Presto公司)制造。Presto的土工格室以及其大多数仿造者的土工格室由聚乙烯(PE)制 成。聚乙烯(PE)可为高密度聚乙烯(HDPE)或中密度聚乙烯(MDPE)。在下文中，术语“HDPE”是指特征在于其密度大于0.940g/cm3的聚乙烯。术语“中密度聚乙烯(MDPE)”是指特征在于其密度大于0.925g/cm3但不大于0.940g/cm3的聚乙烯。术语“低密度聚乙烯(LDPE)”是指特征在于其密度为0.91g/cm3至0.925g/cm3的聚乙烯。
由HDPE和MDPE制成的土工格室为光滑或带纹理的。市场上最常见的是带纹理的土工格室，因为纹理可使得土工格室壁与填料间具有额外的摩擦力。虽然理论上HDPE可具有大于15兆帕(MPa)的抗拉强度(屈服拉伸应力或断裂拉伸应力)，但在实践中，当从土工格室壁取出样本并根据ASTM D638进行测试时，其强度不足以用于负载支承应用(例如公路和铁路)，即使在150％/分钟的高应变率下其强度仅能达到14MPa。
当根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)进行分析时，可清楚地观察到HDPE和MDPE的较差性能：其在23℃下的储能模量低于约400MPa。随着温度升高，其储能模量急剧下降，并在约75℃的温度下低于可用的水平，从而限制了其作为负载支承加固物的用途。这些中等的机械性能足以实现坡面防护，但不适用于使用期被设计为超过五年的长期负载支承应用。
用于预测聚合物的长期蠕变相关行为的另一种方法为，根据ASTM 6992通过分级等温法(SIM)进行加速蠕变试验。在此方法中，在分级升温过程中对聚合物样品施加恒定载荷。升温步骤加速了蠕变。该方法能够推断样品的长期(甚至超过100年)性能。通常，当对PE和PP进行测试时，将导致10％的塑性变形的载荷称为“长期设计强度”，并且在土工合成材料中用作设计容许强度(allowed strength for designs)。由于PE和PP在超过10％塑性变形时会发生二次蠕变，因此避免使用导致大于10％的塑性变形的载荷。二次蠕变是不可预测的，并且PE和PP在此模式下具有“裂纹”的倾向。
对于诸如公路、铁路、重载仓库和停车场等应用，仅仅14MPa的强度是不够的。特别是，具有这些中等机械性能的土工格室倾向于具有相对较低的刚度，并且在低至8％的应变下就倾向于塑性变形。 塑性变形可导致格室在短时间后或是少量车辆通行(少量的循环负载)后即失去其加固潜能(基本上主要的加固机理)。例如，当根据ASTM D638，以20％/分钟的应变率或者甚至以150％/分钟的应变率测试在典型土工格室的纵向(垂直于焊缝平面)上取下的带材时，其在6％应变下的应力小于13MPa，在8％应变下的应力小于13.5MPa，并且在12％应变下的应力小于14MPa。结果，HDPE土工格室仅限于下述应用：土工格室处于低载荷下，以及不强制对承重填料进行加固(例如，土壤加固应用)。由于土工格室在低应变下具有高的塑性变形的倾向，因此其在诸如公路、铁路、停车场或重型集装箱存储区等负载支承应用中并没有被广泛使用。
当在颗粒材料的基板上施加垂直载荷时，该垂直载荷的一部分转换为水平载荷或压力。水平载荷的数值等于垂直载荷与颗粒材料的水平土压力系数(也称为侧向土压力系数或LEPC)的乘积。LEPC可在0.2(对诸如砂砾和碎石等优质材料而言，所述优质材料通常为分级差的硬质颗粒，因此其压缩性非常好，并且塑性最低)至约0.3-0.4(对诸如采石场废料或再生沥青等更多塑性材料而言，所述塑性材料为具有高细粒含量和高塑性的材料)的范围内。当颗粒材料为湿态时(例如，雨水或洪水浸透公路的基层和底基层时)，其塑性增加，并且产生更高的水平载荷，从而提高了格室壁上的环向应力。
当用土工格室加固颗粒材料，并通过静态或动态应力(如汽车车轮或火车轨道提供的压力)从上部施加垂直载荷时，水平压力转换为土工格室壁上的环向应力。环向应力与水平压力以及格室平均半径成正比，并与格室壁的厚度成反比。
HS = VP * LEPC * r d
其中，HS为土工格室壁上的平均环向应力，VP为通过载荷而从外部施加在颗粒材料上的垂直压力，LEPC为侧向土压力系数，r为格室平均半径，以及d为格室壁的标称厚度。
例如，由HDPE或MDPE制成的下列土工格室会经受约16兆帕(MPa)的环向应力，其中所述土工格室的格室壁厚度(包括纹理， 并且在下文中，术语“壁厚”是指格室壁横截面上峰到峰(from peak to peak)的距离)为1.5毫米，平均直径(填充有颗粒材料时)为230毫米，高度为200毫米，填充有沙或采石场废料(LEPC为0.3)并且垂直载荷为700千帕(kPa)。如环向应力方程式所示，直径越大或者壁越薄(从制造经济性的角度而言是有利的)，所经受的环向应力明显更高，因此当用由HDPE或MDPE制成的土工格室作为加固物时，其工作不良。
未经铺筑的道路的垂直载荷通常为550kPa。在重型卡车通行的路(经铺筑或未经铺筑的道路)、工业用路或停车场上会经受大于或等于700kPa的显著更高的载荷。
由于负载支撑应用(特别是公路和铁路)通常经受数百万次的循环负载，因此需要土工格室壁在循环负载作用下仍能保持其原始尺寸以及具有极低的塑性变形。由于HDPE通常在约8％的应变下以及在比负载支承应用中通常存在的典型应力还低的应力条件下就达到其塑性极限，因此HDPE土工格室在商业上的用途仅限于非承载应用。
需要提供这样的土工格室：其具有增强的刚度和强度，在高温下具有低的变形倾向，在高于环境温度(23℃)时能更好地保持其弹性，在反复连续负载和/或长期使用时具有低的发生塑性变形的倾向。
发明简述
在本发明的实施方案中公开了这样的土工格室，其提供足够的刚度，并且能够承受高应力而无塑性变形。所述土工格室适用于负载支承应用，例如人行道、公路、铁路、停车场、机场跑道以及存储区域。此外本发明还公开了所述土工格室的制造和使用方法。
在一些实施方案中，公开了一种由聚合物带材形成的土工格室，当根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)在23℃和1Hz的频率下沿纵向测量时，至少一个所述聚合物带材的储能模量为500MPa或更高。
所述的至少一个聚合物带材的储能模量可以为700MPa或更高，包括储能模量为1000MPa或更高。
当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，至少一个聚合物带材在12％应变下的应力可以为14.5MPa或更高，包括在12％应变下应力为16MPa或更高，或者在12％应变下应力为18MPa或更高。
当根据ASTM D696在25℃下进行测量时，至少一个聚合物带材的热膨胀系数可以为120×10-6/℃或更低。
所述土工格室可用于人行道、公路、铁路或停车场用的层中。该土工格室可填充有颗粒材料，所述颗粒材料选自由下列材料组成的组中：沙、砂砾、碎石、道渣、采石场废料、混凝土碎料、再生沥青、碎砖、建筑碎料和瓦砾、碎玻璃、电厂灰、粉煤灰、煤灰、化铁高炉渣、水泥制造渣、钢渣以及它们的混合物。
在其他实施方案中公开了一种由聚合物带材形成的土工格室，当根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)在63℃和1Hz的频率下沿纵向测量时，至少一个所述聚合物带材的储能模量为150MPa或更高。
所述至少一个聚合物带材的储能模量可为250MPa或更高，包括储能模量为400MPa或更高。
在其他实施方案中还公开了一种由聚合物带材形成的土工格室，当根据PRS SIM方法进行测量时，至少一个所述聚合物带材的长期设计应力为2.6MPa或更高。
所述至少一个聚合物带材的长期设计应力可为3MPa或更高，包括长期设计应力为4MPa或更高。
下面对这些以及其它的实施方案进行更详细地描述。
附图简要说明
以下为附图简要说明，提供这些附图是为了阐释本文所公开的示例性实施方案，而不是为了限制本发明。
图1为土工格室的透视图。
图2为示出在本发明的土工格室中使用的聚合物带材的示例性实施方案的图。
图3为示出在本发明的土工格室中使用的聚合物带材的另一个 示例性实施方案的图。
图4为示出本发明的土工格室中使用的聚合物带材的另一个示例性实施方案的图。
图5为将本发明的各种格室的应力-应变结果与比较例进行比较的图。
图6为示出本发明的土工格室的应力-应变曲线的图。
图7为示出本发明的示例性格室与比较例的垂直负载测试结果的图。
图8为对照带材的储能模量以及损耗角正切值(Tan Delta)相对于温度的关系的图。
图9为本发明的格室中所用的聚合物带材的储能模量以及损耗角正切值相对于温度的关系的图。
发明详述
提供以下发明详述以便使得本领域的普通技术人员能够制造和使用本文所公开的实施方案，并且阐述了实施这些实施方案的最佳实施方式。然而，多种变化方式对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，并且这些方式也应该被认为在本发明的范围之内。
参照附图可以对本文所公开的组件、工艺和装置进行更彻底的理解。这些图仅仅是基于方便且易于阐释本发明而示出的示意性表现方式，因此，这些图无意于指出设施或其组件的相对大小和尺寸，并且/或者定义或限定示例性实施方案的范围。
图1为单层土工格室的透视图。土工格室10包含多根聚合物带材14。相邻的带材通过离散的物理连接部位16而结合在一起。这种结合可以通过粘合、缝合或焊接来进行，但是通常通过焊接而实现。各个带材在两个连接部位16之间的部分形成了单个格室20的格室壁18。每个格室20都具有由两个不同的聚合物带材制成的格室壁。带材14结合在一起，从而由多个带材形成蜂巢图案。例如，外部带材22与内部带材24通过物理接合部位16而结合在一起，其中所述物理接合部位16沿着带材22和24的长度方向有规则地间隔开。一对内 部带材24通过物理接合部位32而结合在一起。每个接合部位32都位于两个连接部位16之间。结果，当多根带材14沿着垂直于带材面的方向伸展开时，该带材以正弦曲线的方式弯曲，从而形成土工格室10。两根聚合物带材22和24的末端会合于土工格室的边缘处，在距离末端28一小段距离的位置处形成末端焊接26(也被认为是连接部)，从而形成短尾30，其使两个聚合物带材22和24稳定。
本发明的土工格室由具有一定的物理性能的聚合物带材形成。特别是，当以20％/分钟或150％/分钟的应变率沿纵向(垂直于土工格室中的焊缝平面的方向)进行测量时，聚合物带材的屈服应力或者在12％应变下(此时聚合物没有屈服点)的应力为14.5MPa或更高。在其它实施方案中，当进行上述测量时，聚合物带材在14.5MPa的应力下的应变为10％或更低。换句话说，所述聚合物带材能承受14MPa或更高的应力，而不达到其屈服点。屈服点的同义词包括屈服应力、弹性极限或塑性极限。当聚合物带材不具有屈服点时，考察其在12％应变下的应力。这些测量涉及的是聚合物带材在23℃、纵向上的拉伸性能，而非它的弯曲性能。
由于许多土工格室是有孔的，因此通常不能按照ASTM D638或ISO 527标准测量应力和应变。因此，按以下方法(其为所述标准的更改方式并且在本文中被称为“Izhar方法”)进行上述测量。在平行于地面以及垂直于格室的焊缝平面的方向(即纵向)上，取50mm长、10mm宽的带材试样。将带材夹紧使得夹具之间的距离为30mm。然后在23℃下以45毫米(mm)/分钟的速度移动夹具使其彼此远离，从而拉伸所述带材，其中将所述速度转换为150％/分钟的应变率。通过测力传感器监测所述带材响应于所述变形而产生的载荷。在不同的应变(应变为长度的增加值除以原始长度)下计算应力(N/mm2)。通过将特定应变下的载荷除以原始标称横截面积(带材的宽度乘以带材的厚度)计算应力。由于土工格室带材的表面通常是带纹理的，因此仅测量“峰至峰”的距离(取带材上三点间的平均值)作为试样的厚度。(例如，将具有凸起的菱形状纹理以及顶部侧最上面的纹理与底部侧最下面的纹理间的距离为1.5mm的带材视为具有1.5mm的厚度。)。150％/ 分钟的应变率与其中每次负载循环均很短的人行道和铁路更相关。
在其他实施方案中，聚合物带材的特征在于：
在8MPa的应力下的应变至多为1.9％；
在10.8MPa的应力下的应变至多为3.7％；
在12.5MPa的应力下的应变至多为5.5％；
在13.7MPa的应力下的应变至多为7.5％；
在14.5MPa的应力下的应变至多为10％；
在15.2MPa的应力下的应变至多为11％；以及
在15.8MPa的应力下的应变至多为12.5％。聚合物带材在16.5MPa的应力下的应变还可以任选地至多为14％，和/或在17.3MPa的应力下的应变至多为17％。
在其它实施方案中，聚合物带材的特征可为在12％应变下的应力为至少14.5MPa；在12％应变下的应力为至少15.5MPa；和/或在12％应变下的应力为至少16.5MPa。
在其它实施方案中，聚合物带材的特征可为在23℃下的储能模量为500MPa或更高，其中所述储能模量是通过动态机械分析(DMA)在1Hz的频率下沿纵向测得的。如拉伸应力-应变测量那样，以“峰至峰”的距离(取三点间的平均值)作为DMA分析所用的厚度。本发明中所述的DMA测量是按照ASTM D4065进行的。
在其它实施方案中，聚合物带材的特征可为50℃下的储能模量为250MPa或更高，其中所述储能模量是通过动态机械分析(DMA)在1Hz的频率下沿纵向测得的。
在其它实施方案中，聚合物带材的特征可为63℃下的储能模量为150MPa或更高，其中所述储能模量是通过动态机械分析(DMA)在1Hz的频率下沿纵向测得的。
在其它实施方案中，聚合物带材的特征可为75℃下的损耗角正切值为0.32或更小，其中所述损耗角正切值是通过动态机械分析(DMA)在1Hz的频率下沿纵向测得的。这些新的性能超出了典型的HDPE或MDPE土工格室的性能。
动态机械分析(DMA)为用于研究和表征聚合物的黏弹性的技 术。一般而言，对材料样品施加振动力，并且测量该样品相对于循环载荷所产生的循环位移。弹性越高，载荷与位移之间的时滞(阶段)越短。由此可确定样品的纯刚度(储能模量)以及力学损耗(损耗模量)和它们之间的比值(损耗角正切)。在ASTM D4065中也讨论了DMA。在分析(1)时间依赖现象，如蠕变；或(2)频率依赖现象，如阻尼、循环负载或疲劳(这些都是传输工程学中极为常见的现象)时，DMA是现有水平最先进的技术。
本发明的土工格室的另一方面，与目前的HDPE或MDPE相比，其具有较低的热膨胀系数(CTE)。热膨胀系数是重要的，因为热循环过程中的膨胀/收缩是提供额外的环向应力的另一种机制。HDPE和MDPE在环境温度(23℃)下的热膨胀系数为约200×10-6/℃，而其CTE在高于环境温度的温度下则更高。当根据ASTM D696进行测量时，本发明的土工格室在23℃下的CTE为约150×10-6/℃或更低，在特定的实施方案中其在23℃下的CTE为约120×10-6/℃或更低。本发明的土工格室的CTE在提高的温度下具有更低的增加趋势。
本发明的土工格室的另一方面是其在恒定载荷下具有更低的蠕变倾向。根据通过ASTM 6992中所述的分级等温法(SIM)而进行的加速蠕变试验，测量所述低的蠕变倾向。在此方法中，使聚合物试样在分级升温过程(即使温度升高，并且在预定的时间段内保持恒定)中经受恒定载荷。升温步骤加速了蠕变。对宽度为100mm、净长度为50mm(夹具间的距离)的样品以SIM方法进行测试。在样品上负载静态载荷，并根据包括下述步骤的方法进行加热：
  步骤   T   时间
  摄氏度   小时
  0   23   0
  1   30   3
  2   37   3
  3   44   3
  4   51   3
  5   58   3
  6   65   3
  7   72   3
在本文中将该SIM方法称为“PRS SIM方法”。测量该方法结 束时的塑性应变(长度的不可逆增加值除以原始长度)。相对于不同的载荷测量塑性应变，并且将导致10％或更低的塑性应变的载荷称为“长期设计载荷”。与长期设计载荷相关的应力(所述载荷除以(原始宽度乘以))为“长期设计应力”，并提供了可使土工格室在静态载荷下长期承受的容许环向应力。
以PRS SIM方法进行测量，典型的HDPE土工格室仅能提供2.2MPa的长期设计应力。
在一些实施方案中，本发明的聚合物带材的特征在于长期设计应力为2.6MPa或更高，包括长期设计应力为3MPa或更高，或者甚至是4MPa或更高。
与HDPE土工格室不同，本发明的土工格室可提供高达16％应变这样的显著更好的性能，在一些实施方案中其提供高达22％的应变。特别是，所述土工格室可弹性地响应大于14.5MPa的应力，从而为负载支承应用提供所需的性能。弹性响应可保证在移除负载时，能完全恢复到原始尺寸。所述土工格室可赋予填料以更高的负载能力，以及可增强其在反复负载(即循环负载)下恢复至原始直径的能力。此外，本发明的土工格室可使用通常不能在基层和底基层使用的颗粒材料，如本文所进一步说明的那样。本发明的土工格室在潮湿环境下还能够具有更好的承载和抗疲劳性，在使用细小的颗粒材料时尤其是如此。
聚合物带材可包括聚乙烯(PE)聚合物，如HDPE、MDPE或LDPE，其中所述聚乙烯聚合物已经按照下文进一步说明的那样进行改性。
聚合物带材还可包括聚丙烯(PP)聚合物。虽然对于负载支承应用而言大多数的PP均聚物过脆，并且大多数的PP共聚物过软，但是一些级别的PP共聚物是可用的。这样的PP聚合物对于负载支承应用应足够硬，而且也应足够软使得土工格室可以折叠起来。适用于本发明的示例性聚丙烯聚合物包括聚丙烯无规共聚物、聚丙烯抗冲共聚物、聚丙烯与三元乙丙橡胶(EPDM)或乙烯α-烯烃共聚物系弹性体的共混物、以及聚丙烯嵌段共聚物。市售可得的PP聚合物为 R338-02N，其购自Dow Chemical公司；PP 71EK71PS级抗冲共聚物，其购自SABIC Innovative Plastics公司；以及PP RA1E10无规共聚物，其购自SABIC Innovative Plastics公司。示例性的乙烯α-烯烃共聚物系弹性体包括由Exxon Mobil公司生产的Exact 
Figure BPA00001335095400111
弹性体，以及由Mitsui株式会社生产的Tafmer 
Figure BPA00001335095400112
弹性体。由于PP聚合物在低温(低于零下20℃)下易碎，而且在静态或循环负载下易于蠕变，因此与本发明包含HDPE的土工格室相比，本发明的包含PP的土工格室的承重性可能较差，并且更多的受到它们的工作温度的限制。
本发明的PP和/或PE聚合物或任何其它的聚合物组合物通常是通过各种处理工艺和/或添加剂而改性的，以便获得所需的物理性能。最有效的处理为挤出后处理，其可以是挤出机的下游处理，也可以是随后进行的单独工艺。通常情况下，低结晶度聚合物(如LDPE、MDPE以及一些PP聚合物)需要进行挤出后处理，如取向、交联和/或热退火，而高结晶度聚合物不需要进行挤出后处理，即可挤出作为带材并焊接一起而形成土工格室。
在一些实施方案中，聚合物带材包含(i)高性能聚合物以及(ii)聚乙烯或聚丙烯聚合物的共混物(通常为增容的掺混物)。所述共混物通常为不可混溶的共混物(掺混物)，其中，所述高性能聚合物分散在由聚乙烯或聚丙烯聚合物形成的基质中。所述高性能聚合物为具有下述特性的聚合物：(1)当根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)在1Hz的频率下沿纵向测量时，该聚合物在23℃下的储能模量为1400MPa或更高，或(2)该聚合物的极限抗拉强度至少为25MPa。示例性的高性能聚合物包括聚酰胺树脂、聚酯树脂和聚氨酯树脂。特别合适的高性能聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺6/66、聚酰胺12，以及它们的共聚物。高性能聚合物通常占聚合物带材的约5重量％至约85重量％。在特定的实施方案中，高性能聚合物占聚合物带材的约5重量％至约30重量％，包括约7重量％至约25重量％。
可在形成土工格室(通过对带材焊合)之前或在形成土工格室之后对聚合物带材的性能进行改性。通常通过挤出聚合物材料片材，并 从所述聚合物材料片材上切割下带材而制成聚合物带材，并且通过对片材进行改性，以提高效率。可在熔融物成型为片材以及将所述片材冷却至熔融温度以下之后，将改性与挤出工艺在线进行，或者可在将片材与挤出机分离后作为独立的二次工艺而进行改性。可通过交联、结晶、退火、取向以及它们的组合处理片材、带材和/或土工格室，从而进行改性。
例如，可在约25℃至比制备片材用的聚合物树脂的熔点(Tm)峰值低约10℃的温度范围内，对宽度为5cm至500cm的片材进行拉伸(即，取向)。该取向步骤改变了带材的长度，使得所述带材的长度相对于其原始长度增加了2％至500％。拉伸后，可将带材进行退火。可在比制备片材用的聚合物树脂的熔点(Tm)峰值低约2℃至60℃的温度下进行退火。例如，如果得到HDPE、MDPE或PP片材，需要在约24℃至150℃的温度下进行拉伸和/或退火。如果对掺混聚合物进行退火，退火温度比HDPE、MDPE或PP相的熔点(Tm)峰值低约2℃至60℃。
在某些特定实施方案中，将聚合物片材或带材拉伸以使其长度增加50％(即，最终长度为原始长度的150％)。可在聚合物片材或带材表面温度为约100℃-125℃的温度下进行拉伸。由于拉伸而导致厚度减少10％至20％。
在其它实施方案中，可在挤出后通过用电子束辐射，或者通过在熔融前或在挤出机中熔融捏合期间向聚合物组合物中加入自由基源，从而将聚合物片材或带材进行交联。
在其它实施方案中，可通过提供多层聚合物带材，从而得到土工格室所需的性能。在一些实施方案中，聚合物带材至少具有两层、三层、四层或五层。
在如图2所示的一些实施方案中，聚合物带材100具有至少两个层110、120，其中，所述两个层由相同或不同的组合物制成，并且至少一层是由具有下述性质的高性能聚合物或高分子制成：(1)当根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)在1Hz的频率下沿纵向测量时，该聚合物在23℃下的储能模量为1400MPa或更高，或(2) 该聚合物的极限抗拉强度至少为25MPa。在实施方案中，一层包含高性能聚合物，而其它层包含聚乙烯或聚丙烯聚合物，其中所述聚乙烯或聚丙烯聚合物可为聚乙烯或聚丙烯聚合物与其它聚合物、填料、添加剂、纤维和弹性体形成的共混物或掺混物。示例性的高性能树脂包括聚酰胺、聚酯和聚氨酯；(1)聚酰胺、聚酯或聚氨酯与(2)LDPE、MDPE、HDPE或PP的掺混物；以及这三种聚合物(聚酰胺、聚酯和聚氨酯)中的任意两种的共聚物、嵌段共聚物、共混物或组合。
在如图3所示的其它实施方案中，聚合物带材200具有五层。其种两层为外层210，一层为核心层230，并且两个中间层220分别将核心层与两个外层结合(即中间层用作连接层)。该五层带材可由共挤出成型。
在其它实施方案中，聚合物带材200仅具有三层。其中两层为外层210，而第三层为核心层230。在该实施方案中，没有中间层220。该三层带材可由共挤出成型。
外层可对紫外线降解和水解提供良好的耐受性，并具有良好的可焊性。用于形成外层的聚合物可选自由HDPE、MDPE、LDPE、聚丙烯、它们的共混物以及它们与其它化合物和聚合物形成的掺混物所组成的组中。这些聚合物可与弹性体(特别是EPDM和乙烯α-烯烃共聚物)共混。核心层和/或外层也可由(1)HDPE、MDPE、LDPE或PP与(2)聚酰胺或聚酯的掺混物形成。每个外层的厚度可为约50微米至约1500微米(μm)。
中间(连接)层可由功能性HDPE共聚物或三元共聚物、功能性PP共聚物或三元共聚物、极性乙烯共聚物或极性乙烯三元共聚物制成。HDPE和PP共聚物/三元共聚物通常含有反应性端基和/或侧基，该反应性末端基和/或侧基可使得中间层(连接层)和外层之间形成化学键。示例性的反应性侧基包括羧基、酸酐、环氧乙烷、氨基、酰氨基、酯、 
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唑啉、异氰酸酯或它们的组合。各中间层的厚度可为约5微米至约500微米。示例性中间层树脂包括由Arkema公司制造的Lotader 
Figure BPA00001335095400132
树脂以及由DuPont公司制造的Elvaloy 
Figure BPA00001335095400133
Fusabond 
Figure BPA00001335095400134
或Surlyn 树脂。
核心层和/或外层可包含聚酯和聚酯与PE或PP形成的掺混物，聚酰胺和聚酰胺与PP或PE形成的掺混物，以及聚酯、聚酰胺和它们与PP或PE形成的掺混物。示例性的聚酰胺包括聚酰胺6、聚酰胺66和聚酰胺12。示例性聚酯包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。核心层和/或外层的厚度可为约50微米至约2000微米。
在如图4所示的其它实施方案中，聚合物带材300具有三层：顶层310、中心层320和底层330。顶层与前述的外层相同；中心层与前述的中间层相同；以及底层与前述的核心层相同。
通常对土工格室进行压纹(在挤出后用纹理化辊压制半固体物质而进行纹理化)，以便增加其与颗粒填料或土壤的摩擦性。也可将土工格室穿孔，以便改善其与颗粒填料的摩擦性以及排水性能。然而，压纹和穿孔均会降低土工格室的刚度和强度。由于通常需设置这些摩擦辅助手段，因此需要通过改变其聚合物组成和/或形态使土工格室具有增强的强度和刚度。
聚合物带材还可包含添加剂，以获得所需的物理性能。所述添加剂可选自成核剂、填料、纤维、纳米颗粒、受阻胺光稳定剂(HALS)、抗氧化剂、紫外线吸收剂以及碳黑等。
填料可为粉末、纤维或晶须的形式。示例性的填料包括：金属氧化物，如氧化铝；金属碳酸盐，如碳酸钙、碳酸镁或碳酸钙-镁；金属硫酸盐，如硫酸钙；金属磷酸盐；金属硅酸盐-特别是滑石、高岭土、云母或硅钙石；金属硼酸盐；金属氢氧化物；二氧化硅；硅酸盐；铝硅酸盐；白垩；滑石；白云石；有机或无机纤维或晶须；金属；金属包覆的无机颗粒；粘土；高岭土；工业灰；混凝土粉末；水泥或它们的混合物。在一些实施方案中，填料的平均粒度为小于10微米，在一些实施方案中，其长宽比也可大于1。在特定的实施方案中，填料是云母、滑石、高岭土和/或硅钙石。在其它的实施例中，纤维的直径小于1微米。
可为了各种目的而将纳米颗粒添加至聚合物组合物中。例如，UV吸收性无机固体纳米颗粒几乎不具有迁移性，因此对浸滤和/或蒸 发作用具有极大的耐受性。UV吸收性固体纳米颗粒在可见光谱中还是透明的，并且分散极其均匀。因此，它们可以在不会对聚合物的颜色或色调造成影响的条件下提供保护作用。示例性的UV吸收性纳米颗粒包含选自由钛盐、氧化钛、氧化锌、卤化锌和锌盐所组成的组中的材料。在特定的实施方案中，UV吸收性纳米颗粒为二氧化钛。市售可得的UV吸收纳米颗粒的例子为SACHTLEBENTM Hombitec RM 130F TN(由Sachtleben公司生产)、ZANOTM氧化锌(由Umicore公司生产)、NanoZTM氧化锌(由Advanced Nanotechnology有限公司生产)以及AdNano Zinc OxideTM(由Degussa公司生产)。
形成土工格室的聚合物带材可由各种工艺制成。所述工艺通常包括：熔融聚合物组合物，通过挤出机模具将组合物挤出为熔融片材、形成片材并可任选地使所得的片材纹理化，根据需要处理片材以获得所需的性能，将片材切割成带材，将由片材形成的带材焊接、缝合、粘合或铆接在一起以形成土工格室。首先，通常在挤出机或共-捏合机中将各种组分(如聚合物树脂及任何所需的添加剂)熔融捏合。这可在(例如)具有足够多的混合元件的挤出机(如双螺杆挤出机或单螺杆挤出机)中进行，其中所述挤出机在使聚合物发生最低程度的降解的情况下提供了所需的热量和剪切力。将组合物熔融捏合，从而将所有的添加剂完全分散。之后通过模具将组合为挤出，并且在金属压延机(calendar)间压成片状。设置在挤出机模具的下游的示例性处理，包括使片材表面纹理化、将片材穿孔、取向(单向或双向取向)、用电子束或X-射线照射以及热退火。在一些实施方案中，将片材进行热处理，以增加结晶度并降低内应力。在其它的实施方案中，通过电子束、X-射线、热处理以及它们的组合对片材进行处理，以便在聚合物树脂中诱导交联。也可考虑使用上述处理的组合。
可从所得的片材形成带材，并通过将其焊接、缝合或粘合在一起而形成土工格室。这些方法是本领域已知的。所得的土工格室能在长时期内于持续负载循环下保持刚度。
本发明的土工格室可用于那些不能采用现有的土工格室的负载支承应用。特别是，本发明的本土工格室也可以利用那些通常不适合 用于基层、底基层和路基用的负载支承应用的填充材料。
特别是，本发明的土工格室允许利用以下填充用材料，该填充用材料由于其刚性不足以及抗疲劳性相对较差(在颗粒材料中，抗疲劳性也被称为回弹模量)而在之前并不适合用于负载支承应用(如基层和底基层)。目前可用的示例性颗粒填充材料包括采石场废料(对高品质的颗粒材料进行分级后剩下的细粒部分)、混凝土碎料、再生沥青、碎砖、建筑碎料和瓦砾、碎玻璃、电厂灰、粉煤灰、煤灰、化铁高炉渣、水泥制造渣、钢渣以及它们的混合物。
以下将在以下非限定性的例子中对本发明进行进一步阐释，应该理解的是，这些例子只是示例性的，并且本发明不希望受限于本文所列出的材料、条件、工艺参数等。
例子
制备一些土工格室，并测定它们的应力-应变响应、DMA性能以及它们对颗粒材料承载能力的影响。
通常通过前述的Izhar方法测定拉伸应力-应变性能。
测量不同的挠度下的载荷或将其转换为牛顿(N)。测量挠度或将其转换为毫米(mm)。通过将特定挠度下的载荷除以带材的原始横截面积(原始宽度乘以原始厚度，其中厚度是上表面和底表面之间的标称峰至峰之间的距离)而计算应力。通过将特定挠度(mm)除以原始长度(mm)再乘以100而计算应变(％)。
比较例1
获得由高密度聚乙烯(HDPE)制成的土工格室(购自位于美国威斯康星州的Presto Geosystems公司)，并测试其性能。格室壁的平均厚度为1.5mm，并且带材具有菱形垂直小格样的纹理。土工格室为无穿孔的。其按照Izhar方法测得的应力-应变响应示于表1中。
表1
 应力(MPa)   7.874   10.499   12.336   13.386   13.911   14   14   14
 应变(％)   2   4   6   8   10   12   14   16
在约8％的应变和约13.4MPa的应力条件下，比较例开始发生严重的塑性变形，并在约8％的应变下实际达到其屈服点。换言之，解 除应力后，样品不能恢复其原始长度，而是永久地保持较长的长度(永久性残余应变)。这种现象对于用于负载支承应用(特别是在产品寿命周期内经受许多次循环(10,000-1,000,000或更多次循环)的负载支承应用)的格室加固体系是不利的，并且其是HDPE土工格室作为人行道和铁路用的负载支承而性能较差的原因。
实施例1
将HDPE带材挤出并压纹，以提供类似于比较例1的纹理。带材的厚度为1.7mm，之后在100℃的温度(带材表面温度)下进行拉伸，使得其长度增加50％并且厚度减少25％。按照Izhar方法测定这种HDPE带材的应力-应变响应，并将其示于表2中。
表2
 应力(MPa)   8   10.8   12.5   13.7   14.5   15.2   15.8   16.5   17.3
 应变(％)   1.9   3.3   4.8   6   6.6   7.6   8.8   10.5   12
实施例1的带材在大于17MPa的应力下保持高达12％应变的弹性响应，而没有屈服点并且没有达到其塑性极限。在解除负载后，其最初尺寸恢复率接近100％。
实施例2
将下列的高性能聚合物掺混组合物挤出，以形成厚度为1.5mm的纹理化片材，所述高性能聚合物掺混物组合物包含12重量％的聚酰胺12、10重量％的聚对苯二甲酸丁二醇酯、5％的用马来酸酐增容剂接枝的聚乙烯(Bondyram 
Figure BPA00001335095400171
5001，由Polyram公司制造)以及73％的HDPE。按照Izhar方法测定由该组合物所形成的带材的应力-应变响应，并且该应力-应变响应示于表3中。
表3
 应力(MPa)   8   10.8   12.5   13.7   14.5   15.2   15.8   16.5   17.3
 应变(％)   1.9   3.6   5.2   6.8   7.9   8.9   10   12   14
实施例2的带材在大于17MPa的应力下保持高达14％应变的弹性响应，而没有屈服点并且没有达到其塑性极限。在解除负载后，其最初尺寸的恢复率接近100％。
图5为示出比较例1、实施例1和实施例2的应力-应变结果的图。 对各个结果已经加上了(0，0)的补充点。可以看出，实施例1和实施例2有没有明显的屈服点，并可在大于17MPa的应力下，保持高达12-14％应变的无屈服的应力的增加，而比较例1在8-10％的应变和约14MPa的应力下达到其屈服点。这可转化为保持其弹性响应的更大范围。当预期到循环负载并且恢复到原始尺寸的能力(从而对填料实现最大的加固作用)较关键时，没有观察到实施例1和实施例2的屈服点这样的情况是重要的。
图6为比较例1与本发明的聚合物带材的应力-应变结果之间的区别的图，其中本发明的聚合物带材的特征为：在8MPa的应力下的应变至多为1.9％；在10.8MPa的应力下的应变至多为3.7％；在12.5MPa的应力下的应变至多为5.5％；在13.7MPa的应力下的应变至多为7.5％；在14.5MPa的应力下的应变至多为10％；在15.2MPa的应力下的应变至多为11％；在15.8MPa的应力下的应变至多为12.5％；在16.5MPa的应力下的应变至多为14％；以及在17.3MPa的应力下的应变至多为17％。虚线的左边的区域限定了本发明的应力-应变的组合。
实施例3
对两个格室进行测试，以证明其颗粒材料加固作用的改善以及承载能力的提高。这些格室为单独格室，而不是完整的土工格室。采用比较例1的格室作为对照物。为了进行比较，由实施例2的组合物制成格室，进行压纹，并且其厚度为1.5mm。
每个格室的壁的高度为10cm，焊缝之间的距离为33cm，有压纹，无穿孔，并且厚度为1.5mm。格室是开放的，以使其长“半径”为约260mm，并且其短半径为约185mm。将800mm长、800mm米宽的沙箱填充至沙的深度为20mm。沙的等级分布情况参见表4。
表4
  筛孔(mm)  0.25   0.5   0.75   1   2   4
  累计通过比％  10-20   35-55   50-70   60-80   80-90   90-100
将格室置于上述沙的表面上，并用相同的沙填充。扩大后的格室大致为椭圆形，其长轴为约260mm，并且短轴为约180mm。之后在 沙箱中再加入额外的沙，使其围绕格室并将格室埋入，以在格室上覆盖25mm的顶层。之后将沙压缩至相对密度为70％。
将直径为150mm的活塞置于格室的中心上方，并增加载荷，以在沙的表面按照50kPa的压力增加量提供压力(即每1分钟压力增加50KPa)。测量挠度(活塞在加固沙中的穿透距离)和压强(垂直载荷除以活塞面积)。
在下列情况中使用活塞：(1)仅在沙上；(2)在比较例1的格室上，以及(3)在实施例2的格室上。结果示于表5中。
表5
Figure BPA00001335095400191
在大于400kPa的压力下，实施例2的格室仍具有弹性，而比较例1的格室则没有弹性。观察到比较例1的格室由于HDPE壁的屈服而具有差的加固作用。比较例1的屈服点出现在垂直载荷为约250kPa时，如果在该垂直压力下计算平均环向应力(格室平均直径为225mm)，则所得的值为约13.5MPa。这个数值与由根据Izher方法进行的应力-应变拉伸测量而得到的屈服点值极好地保持一致。结果表明在刚度和抗屈服性(负载大于14MPa的环向应力的能力)与支承大的垂直载荷的能力之间存在着较强并且显著的相关性。应当指出，该测试只提供了单一负载，而实际应用中需要支承的负载是循环性的。因此，对塑性变形的抗性非常重要，而比较例1的格室却没有对塑性变形的抗性。
图7为示出在表5中的结果的图。抗穿透性的差别(即格室支承垂直载荷的能力高低)是很明显的。
实施例4
根据实施例2制备聚合物带材。
将比较例1的厚度为1.5mm的HDPE带材作为对照。
之后根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)在1Hz的频率下对两个带材进行分析。在约-150℃至约91℃的温度范围内测定对照HDPE带材。将对照带材以5℃/分钟的速率进行加热，并测定它的力、位移、储能模量以及损耗角正切。在约-65℃至约120℃的温度范围内测试实施例2的聚合物带材。将对照带材以5℃/分钟的速率进行加热，并测定它的力、位移、储能模量以及损耗角正切。
图8为对照HDPE带材的储能(弹性)模量和损耗角正切值相对于温度的图。
图9为实施例2的聚合物带材的储能(弹性)模量和损耗角正切值相对于温度的图。
HDPE的储能模量比实施例2的储能模量下降得更快。在23℃下，实施例2的带材的储能模量几乎为HDPE带材的储能模量的三倍。为了获得与HDPE带材在23℃下的储能模量相同的储能模量，需要将实施例2的带材加热到近60℃，即实施例2的带材能更好地保持其储能模量。
HDPE带材的损耗角正切值在75℃左右开始以指数方式增加，这表明其失去了弹性(即材料变得太脆，并且不能保持足够的刚度和弹性)，从而使得带材为黏性和塑性的。这是不利的，因为土工格室即使是置于地下(例如在公路下)时也可受热。实施例2的带材的损耗角正切值在温度高达100℃时也可保持其性能。该性能是有利的，因为其提供额外的安全系数。由于在高温下的性能是用于预测在适宜温度下的长期性能的方式(如在ASTM 6992中所述)，因此HDPE在约75℃下于几秒内开始失去其弹性以及其负载支承潜能的事实在某些程度上让人们预见到其具有较差的抗蠕变性以及具有塑性变形的倾向。与HDPE不同，本发明的组合物在极高温度下也保持了其弹性(低的损耗角正切值)，从而表明它具有保持其性能很多年以及能承受很多负载循环的潜能。
实施例5
根据PRS SIM方法对三个带材进行测试，以确定其长期设计应 力(LTDS)。根据比较例1制备了HDPE带材以作为对照。第一个测试带材为根据实施例2制备的带材。第二个测试带材为这样的带材，其根据实施例2制备，之后在115℃下取向，以使其长度比原始长度增加40％。结果示于下面的表6中。
表6
  土工格室  比较例1  实施例2  经取向的实施例2
  LTDS(MPa)  2.2  3  3.6
由此可以看出，与比较例1相比，实施例2和经取向的实施例2的LTDS均更高。
尽管已经描述了特定的实施方案，但是目前没有或不能预见的替代方式、修改方式、变化方式、改善方式和基本等同方式都可能被申请人或本领域的其他技术人员所发现。因此，所提交的随附权利要求书(它们可能会被修改)旨在涵盖所有这些替代方式、修改方式、变化方式、改善方式和基本等同方式。

Claims (27)

1.一种由聚合物带材形成的土工格室，当根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)在23℃和1Hz的频率下沿纵向测量时，至少一个所述聚合物带材的储能模量为500MPa或更高。
2.权利要求1所述的土工格室，其中，所述至少一个聚合物带材的储能模量为700MPa或更高。
3.权利要求1所述的土工格室，其中，所述至少一个聚合物带材的储能模量为1000MPa或更高。
4.权利要求1所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为14.5MPa或更高。
5.权利要求1所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为16MPa或更高。
6.权利要求1所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为18MPa或更高。
7.权利要求1所述的土工格室，其中，根据ASTM D696在25℃下测量时，所述至少一个聚合物带材的热膨胀系数为120×10-6/℃或更低。
8.一种人行道、公路、铁路或停车场，包括至少一个层，该层含有权利要求1所述的土工格室。
9.权利要求8所述的人行道、公路、铁路或停车场，其中所述的土工格室填充有颗粒材料，所述颗粒材料选自由下列材料组成的组中：沙、砂砾、碎石、道渣、采石场废料、混凝土碎料、再生沥青、碎砖、建筑碎料和瓦砾、碎玻璃、电厂灰、粉煤灰、煤灰、化铁高炉渣、水泥制造渣、钢渣以及它们的混合物。
10.一种由聚合物带材形成的土工格室，当根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)在63℃和1Hz的频率下沿纵向测量时，至少一个所述聚合物带材的储能模量为150MPa或更高。
11.权利要求10所述的土工格室，其中，所述至少一个聚合物带材的储能模量为250MPa或更高。
12.权利要求10所述的土工格室，其中，所述至少一个聚合物带材的储能模量为400MPa或更高。
13.权利要求10所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为14.5MPa或更高。
14.权利要求10所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为16MPa或更高。
15.权利要求10所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为18MPa或更高。
16.权利要求10所述的土工格室，其中，根据ASTM D696在25℃下测量时，所述至少一个聚合物带材的热膨胀系数为120×10-6/℃或更低。
17.一种人行道、公路、铁路或停车场，包括至少一个层，该层含有权利要求10所述的土工格室。
18.权利要求17所述的人行道、公路、铁路或停车场，其中所述的土工格室填充有颗粒材料，所述颗粒材料选自由下列材料组成的组中：沙、砂砾、碎石、道渣、采石场废料、混凝土碎料、再生沥青、碎砖、建筑碎料和瓦砾、碎玻璃、电厂灰、粉煤灰、煤灰、化铁高炉渣、水泥制造渣、钢渣以及它们的混合物。
19.一种由聚合物带材形成的土工格室，当根据PRS SIM方法进行测量时，至少一个所述聚合物带材的长期设计应力为2.6MPa或更高。
20.权利要求19所述的土工格室，其中，当根据PRS SIM方法进行测量时，所述至少一个聚合物带材的长期设计应力为3MPa或更高。
21.权利要求19所述的土工格室，其中，当根据PRS SIM方法进行测量时，所述至少一个聚合物带材的长期设计应力为4MPa或更高。
22.权利要求19所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为14.5MPa或更高。
23.权利要求19所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为16MPa或更高。
24.权利要求19所述的土工格室，其中，当根据Izhar方法在23℃下进行测量时，所述至少一个聚合物带材在12％应变下的应力为18MPa或更高。
25.权利要求19所述的土工格室，其中，根据ASTM D696在25℃下测量时，所述至少一个聚合物带材的热膨胀系数为120×10-6/℃或更低。
26.一种人行道、公路、铁路或停车场，包括至少一个层，该层含有权利要求19所述的土工格室。
27.权利要求26所述的人行道、公路、铁路或停车场，所述的土工格室填充有颗粒材料，所述颗粒材料选自由下列材料组成的组中：沙、砂砾、碎石、道渣、采石场废料、混凝土碎料、再生沥青、碎砖、建筑碎料和瓦砾、碎玻璃、电厂灰、粉煤灰、煤灰、化铁高炉渣、水泥制造渣、钢渣以及它们的混合物。
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