CN104401020A - 负泊松比土工格栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负泊松比土工格栅的制备方法，包括以下步骤：步骤1按照工程需要，选择密度和熔体指数符合要求的聚乙烯作为连续相材料,聚丙烯作为分散相材料，另外再加入少量的增润剂；步骤2确定成型参数，对于负泊松比土工格栅，分散相的含量为10％～20％，增润剂的含量为2～7％，熔融次数为3～5次，挤出成型压力在30～80MPa，成型材料的泊松比为-0.05～-4.2；步骤3利用当前土工格栅生产工厂的生产设备,将聚乙烯、聚丙烯搅拌均匀通过吸料机吸入造粒机，重复造粒2～4次，然后将粒料导入挤出机中，加热熔融后用设定的压力经过模具挤出，冲孔拉伸之后通过冷却池冷却定型，牵引成卷，进行包装。

Description

负泊松比土工格栅的制备方法

技术领域

本发明提出了一种基于聚合物的拉胀效应制备负泊松比土工格栅的方法，属于土木工程领域。

背景技术

近年来，随着我国水利和交通等基础设施的大规模建设，特别是随着交通路网向山区延伸，高大加筋土结构(高度超过20m的高大挡墙和路基等)越来越多。在行车荷载及自然因素(气象、水文、地质、地震等)的作用下，高大加筋土结构变形、开裂甚至垮塌等灾害时有发生，给人民生命财产带来重大损失。目前，关于高大加筋土结构的设计理论还非常不完善，为了提高加筋土的力学性能，在高大加筋土结构设计中人们往往过度地追求使用高强土工材料，而轻视了对加筋土工程变形和强度有重要影响的筋土界面的作用特性。在高大加筋土结构中，深层筋-土界面附近土的剪缩特性和筋材的拉缩特性降低了筋材与土的咬合作用，使得界面似摩擦角明显低于浅层。故此，如何提高筋-土界面的力学性能是高大加筋土结构设计中亟待解决的主要难题之一。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺点，本发明公开了一种负泊松比土工格栅的制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

负泊松比土工格栅的制备方法，包括以下步骤：

步骤1按照工程需要，选择密度和熔体指数符合要求的聚乙烯(PE)作为连续相材料,聚丙烯(PP)作为分散相材料，另外再加入少量的增润剂；

步骤2确定成型参数，对于负泊松比土工格栅，分散相(聚丙烯)的含量为10％～20％，增润剂的含量为2～7％，熔融次数为3～5次，挤出成型压力在30～80MPa，成型材料的泊松比为-0.05～-4.2；

步骤3利用当前土工格栅生产工厂的生产设备,将聚乙烯、聚丙烯搅拌均匀通过吸料机吸入造粒机，重复造粒2～4次，然后将粒料导入挤出机中，加热熔融后用一定的压力(30～80MPa)经过模具挤出，冲孔拉伸之后通过冷却池冷却定型，牵引成卷，进行包装。

所述的步骤2成型参数的确定方法如下：

根据力学性能的要求，确定制备负泊松比土工格栅过程中分散相含量、增润剂的含量、熔融次数及挤出成型压力；当连续相和分散相的模量值相差越大,材料所获得的泊松比值越小,负泊松比效应越明显，同时较低的挤出成型压力有利于共混体系负泊松比效应的持续。

所述的步骤3制备工艺如下：

道路使用时，采用挤出拉伸工艺定型，获得单向和双向两种不同类型的土工格栅；矿山使用时，采用挤出拉伸工艺定型，为保证使用强度，可生产三向土工格栅。

在需要加筋结构的工程中均可使用该类型负泊松比土工格栅，如道路工程、水利工程、矿山工程等。

本发明的有益效果如下：

本发明基于负泊松比聚合物的拉胀效应，通过聚合物(聚乙烯/聚丙烯)的共混技术，研制出一种负泊松比土工格栅的制备方法，负泊松比土工格栅不仅具有拉胀效应，能有效提高筋材与填料的相互作用，而且有着优良的阻尼特性，能提高加筋土的吸能减振作用。因此，负泊松比土工格栅的发明对提高加筋土的力学性能有重大意义。

附图说明

图1空化模型图；

图2负泊松比效应随格栅变形的发展图。

具体实施方式

材料性能的特殊性是由其内部结构的特殊性所决定的,目前,关于负泊松比材料的微观结构有四种不同模型:六边型结构,棒状结构,箭头状结构和卵型块状结构。根据研究推测具有负泊松比效应的聚烯烃共混物体系应符合图1的空化模型。在拉伸中表现出负泊松比效应是因为共混体系内部发生空化作用的结果。空化理论认为,材料在受外界拉伸力作用后,原来紧密结合的分散相与连续相之间产生孔隙,空隙随拉伸力作用向四周扩张,产生材料的宏观体积膨胀效应,相间的空隙吸收外来作用力,泊松比测试结果为负。由此推断,要获得足够小的泊松比值,控制共混体系的相容性是一个关键有效的方法。研究表明,共混体系的相容性越差,体系的泊松比越小,出现负泊松比值的几率就越大。

根据旋转-空化作用机理，共混体系发生负泊松比效应的必要条件：首先体系必须至少存在两相结构，其次连续相必须是能够在拉伸过程中形成网络状结构的材料，可以选择柔软的物质,且两相间必须确保一定的相容性。聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)是常用的土工格栅材料，一般单独使用。前者强度低，但不易老化；后者强度高，但脆性大，容易受紫外线老化，不宜储存。

本发明以柔软的高密度聚乙烯做连续相,以软刚性的聚丙烯做分散相,采用共混法研制负泊松比土工格栅。

通过研究发现，在聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的共混体系中,组分的选择和共混体系的构成对负泊松比效应的产生起到决定性作用。在所选用的材料中,当连续相和分散相的模量值相差越大,材料所获得的泊松比值越小,负泊松比效应越明显。更进一步地推断,分析比较发现,共混体系的负泊松比效应随分散相含量的增加有减小的趋势。控制分散相的含量在10％～20％的范围时,共混物受到外力拉伸时,具有较好的负泊松比效应。图2所示为负泊松比效应随格栅变形的发展图。两种不同分散相含量的土工格栅在变形达到2％时的泊松比都小于-0.05；分散相含量10％的土工格栅在变形0.25％时，负泊松比效应十分突出，泊松比值达到-4.2，而且分散相含量20％的土工格栅的最小泊松比值也达到了-3.96。在实际应用中，可以根据加筋土所需要的力学性能选取分散相的含量进行负泊松比土工格栅的制备。

具体实施的方法如下：

(1)材料的选用

根据工程需要，选择合适密度和熔体指数的聚合物作为原料进行负泊松比效应显著和稳定的土工格栅制备。

(2)确定成型参数

对于负泊松比土工格栅，分散相(聚丙烯)的含量为10％～20％，增润剂的含量为2～7％，熔融次数为3～5次，挤出成型压力在30～80MPa，成型材料的泊松比为-0.05～-4.2；实际应用中，根据力学性能的要求，确定制备负泊松比土工格栅过程中分散相含量、熔融次数及注塑成型压力。当连续相和分散相的模量值相差越大,材料所获得的泊松比值越小,负泊松比效应越明显，同时较低的注塑成型压力有利于共混体系负泊松比效应的持续。

(3)制备工艺

利用当前土工格栅生产工厂的生产设备,将混合料高温熔融,共混后加压剂出,然后拉伸定型,实现批量生产。道路使用时，可采用挤出拉伸工艺定型，可获得单向和双向两种不同类型的土工格栅；矿山使用时，可采用挤出拉伸工艺定型，为保证使用强度，可生产三向土工格栅。

(4)生产流程

根据使用情况，选取对应种类的原材料及相容剂，确定配比。利用当前土工格栅生产工厂的生产设备,将聚乙烯、聚丙烯搅拌均匀通过吸料机吸入造粒机，重复造粒2～4次，然后将粒料导入挤出机中，加热熔融后用一定的压力(30～80MPa)经过模具挤出，冲孔拉伸之后通过冷却池冷却定型，牵引成卷，进行包装。

(5)应用范围

在需要加筋结构的工程中均可使用该类型负泊松比土工格栅，如道路工程、水利工程、矿山工程等。

实例1：

道路工程中，路基在行车荷载及自然因素的作用下容易发生开裂、滑坡甚至垮塌等情况，为提高筋-土界面的力学性能，可使用具有拉胀效应的负泊松比土工格栅作为筋材。制备适用于道路工程的负泊松比土工格栅，将以聚乙烯和聚丙烯为原料，通常情况下聚丙烯作为共混体系中的分散相，其含量为12％～15％，再加入5～6％的增润剂，熔融共混后放入挤出机中，采用挤出拉伸工艺，利用挤出机在50～60MPa的压力下挤出，冷却后形成负泊松比土工格栅，土工格栅成型后的泊松比为-0.2～-4.1，将该类型土工格栅铺设在路基中，不仅具有拉胀效应，能有效提高筋材与填料的相互作用，而且有着优良的阻尼特性，能提高加筋土的吸能减振作用，这样一来能极大地提高了筋-土界面的力学性能，确保加筋土结构的稳定性。

实例2：

某道路工程沿河岸修筑的路堤挡土墙，在外界因素的影响下容易引发变形、开裂，严重时甚至出现滑塌等情况，为提高挡土墙的支承能力，延长挡土墙的使用寿命，修筑时可在墙体内加入具有拉胀效应的负泊松比土工格栅。制备该类型的土工格栅，将以聚乙烯和聚丙烯为原料，通常情况下聚丙烯作为共混体系中的分散相，其含量在15％～20％，再加入3～5％的增润剂，充分熔融共混后放入挤出模具中，在30～40MPa的压力下挤出混合料。该类型土工格栅冷却成型后的泊松比为-0.05～-3.8。将负泊松比土工格栅作为筋材加入挡土墙中，其所具有的拉胀特性，能有效提高筋材与接触材料的相互作用，从而极大地提高筋材与填料的力学性能，而且这种在受拉之后有着优良阻尼特性的筋材，能提高挡土墙的吸能减振作用，确保其稳定性。

Claims (3)

1.负泊松比土工格栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1按照工程需要，选择密度和熔体指数符合要求的聚乙烯作为连续相材料,聚丙烯作为分散相材料，另外再加入少量的增润剂；

步骤2确定成型参数，对于负泊松比土工格栅，分散相的含量为10％～20％，增润剂的含量为2～7％，熔融次数为3～5次，挤出成型压力在30～80MPa，成型材料的泊松比为-0.05～-4.2；

步骤3利用当前土工格栅生产工厂的生产设备,将聚乙烯、聚丙烯搅拌均匀通过吸料机吸入造粒机，重复造粒2～4次，然后将粒料导入挤出机中，加热熔融后用设定的压力经过模具挤出，冲孔拉伸之后通过冷却池冷却定型，牵引成卷，进行包装。

2.如权利要求1所述的负泊松比土工格栅的制备方法，其特征在于，所述的步骤2成型参数的确定方法如下：

根据力学性能的要求，确定制备负泊松比土工格栅过程中分散相含量、增润剂的含量、熔融次数及挤出成型压力；当连续相和分散相的模量值相差越大,材料所获得的泊松比值越小,负泊松比效应越明显，同时较低的挤出成型压力有利于共混体系负泊松比效应的持续。

3.如权利要求1所述的负泊松比土工格栅的制备方法，其特征在于，所述的步骤3制备工艺选择过程如下：

道路使用时，采用挤出拉伸工艺定型，获得单向和双向两种不同类型的土工格栅；矿山使用时，采用挤出拉伸工艺定型，为保证使用强度，可生产三向土工格栅。