負泊松比土工格柵的製備方法

2023-07-31 00:49:06

負泊松比土工格柵的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種負泊松比土工格柵的製備方法，包括以下步驟：步驟1按照工程需要，選擇密度和熔體指數符合要求的聚乙烯作為連續相材料,聚丙烯作為分散相材料，另外再加入少量的增潤劑；步驟2確定成型參數，對於負泊松比土工格柵，分散相的含量為10％～20％，增潤劑的含量為2～7％，熔融次數為3～5次，擠出成型壓力在30～80MPa，成型材料的泊松比為-0.05～-4.2；步驟3利用當前土工格柵生產工廠的生產設備,將聚乙烯、聚丙烯攪拌均勻通過吸料機吸入造粒機，重複造粒2～4次，然後將粒料導入擠出機中，加熱熔融後用設定的壓力經過模具擠出，衝孔拉伸之後通過冷卻池冷卻定型，牽引成卷，進行包裝。
【專利說明】負泊松比土工格柵的製備方法

【技術領域】
[0001]本發明提出了一種基於聚合物的拉脹效應製備負泊松比土工格柵的方法，屬於土木工程領域。

【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國水利和交通等基礎設施的大規模建設，特別是隨著交通路網向山區延伸，高大加筋土結構(高度超過20m的高大擋牆和路基等)越來越多。在行車荷載及自然因素(氣象、水文、地質、地震等)的作用下，高大加筋土結構變形、開裂甚至垮塌等災害時有發生，給人民生命財產帶來重大損失。目前，關於高大加筋土結構的設計理論還非常不完善，為了提高加筋土的力學性能，在高大加筋土結構設計中人們往往過度地追求使用高強土工材料，而輕視了對加筋土工程變形和強度有重要影響的筋土界面的作用特性。在高大加筋土結構中，深層筋-土界面附近土的剪縮特性和筋材的拉縮特性降低了筋材與土的咬合作用，使得界面似摩擦角明顯低於淺層。故此，如何提高筋-土界面的力學性能是高大加筋土結構設計中亟待解決的主要難題之一。


【發明內容】

[0003]為了解決現有技術存在的缺點，本發明公開了一種負泊松比土工格柵的製備方法。
[0004]本發明採用的技術方案如下:
[0005]負泊松比土工格柵的製備方法，包括以下步驟:
[0006]步驟I按照工程需要，選擇密度和熔體指數符合要求的聚乙烯(PE)作為連續相材料，聚丙烯(PP)作為分散相材料，另外再加入少量的增潤劑；
[0007]步驟2確定成型參數，對於負泊松比土工格柵，分散相(聚丙烯)的含量為10%?20%，增潤劑的含量為2?7%，熔融次數為3?5次，擠出成型壓力在30?80MPa，成型材料的泊松比為-0.05?-4.2 ;
[0008]步驟3利用當前土工格柵生產工廠的生產設備，將聚乙烯、聚丙烯攪拌均勻通過吸料機吸入造粒機，重複造粒2?4次，然後將粒料導入擠出機中，加熱熔融後用一定的壓力(30?SOMPa)經過模具擠出，衝孔拉伸之後通過冷卻池冷卻定型，牽引成卷，進行包裝。
[0009]所述的步驟2成型參數的確定方法如下:
[0010]根據力學性能的要求，確定製備負泊松比土工格柵過程中分散相含量、增潤劑的含量、熔融次數及擠出成型壓力；當連續相和分散相的模量值相差越大，材料所獲得的泊松比值越小，負泊松比效應越明顯，同時較低的擠出成型壓力有利於共混體系負泊松比效應的持續。
[0011]所述的步驟3製備工藝如下:
[0012]道路使用時，採用擠出拉伸工藝定型，獲得單向和雙向兩種不同類型的土工格柵；礦山使用時，採用擠出拉伸工藝定型，為保證使用強度，可生產三向土工格柵。
[0013]在需要加筋結構的工程中均可使用該類型負泊松比土工格柵，如道路工程、水利工程、礦山工程等。
[0014]本發明的有益效果如下:
[0015]本發明基於負泊松比聚合物的拉脹效應，通過聚合物(聚乙烯/聚丙烯)的共混技術，研製出一種負泊松比土工格柵的製備方法，負泊松比土工格柵不僅具有拉脹效應，能有效提高筋材與填料的相互作用，而且有著優良的阻尼特性，能提高加筋土的吸能減振作用。因此，負泊松比土工格柵的發明對提高加筋土的力學性能有重大意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1空化模型圖；
[0017]圖2負泊松比效應隨格柵變形的發展圖。

【具體實施方式】
[0018]材料性能的特殊性是由其內部結構的特殊性所決定的，目前，關於負泊松比材料的微觀結構有四種不同模型:六邊型結構，棒狀結構，箭頭狀結構和卵型塊狀結構。根據研究推測具有負泊松比效應的聚烯烴共混物體系應符合圖1的空化模型。在拉伸中表現出負泊松比效應是因為共混體系內部發生空化作用的結果。空化理論認為，材料在受外界拉伸力作用後，原來緊密結合的分散相與連續相之間產生孔隙，空隙隨拉伸力作用向四周擴張，產生材料的宏觀體積膨脹效應，相間的空隙吸收外來作用力，泊松比測試結果為負。由此推斷，要獲得足夠小的泊松比值，控制共混體系的相容性是一個關鍵有效的方法。研究表明，共混體系的相容性越差，體系的泊松比越小，出現負泊松比值的機率就越大。
[0019]根據旋轉-空化作用機理，共混體系發生負泊松比效應的必要條件:首先體系必須至少存在兩相結構，其次連續相必須是能夠在拉伸過程中形成網絡狀結構的材料，可以選擇柔軟的物質，且兩相間必須確保一定的相容性。聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)是常用的土工格柵材料，一般單獨使用。前者強度低，但不易老化；後者強度高，但脆性大，容易受紫外線老化，不宜儲存。
[0020]本發明以柔軟的高密度聚乙烯做連續相，以軟剛性的聚丙烯做分散相，採用共混法研製負泊松比土工格柵。
[0021]通過研究發現，在聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的共混體系中，組分的選擇和共混體系的構成對負泊松比效應的產生起到決定性作用。在所選用的材料中，當連續相和分散相的模量值相差越大，材料所獲得的泊松比值越小，負泊松比效應越明顯。更進一步地推斷，分析比較發現，共混體系的負泊松比效應隨分散相含量的增加有減小的趨勢。控制分散相的含量在10%?20%的範圍時，共混物受到外力拉伸時，具有較好的負泊松比效應。圖2所示為負泊松比效應隨格柵變形的發展圖。兩種不同分散相含量的土工格柵在變形達至Ij2%時的泊松比都小於-0.05 ;分散相含量10%的土工格柵在變形0.25%時，負泊松比效應十分突出，泊松比值達到-4.2，而且分散相含量20%的土工格柵的最小泊松比值也達到了 -3.96。在實際應用中，可以根據加筋土所需要的力學性能選取分散相的含量進行負泊松比土工格柵的製備。
[0022]具體實施的方法如下:
[0023](I)材料的選用
[0024]根據工程需要，選擇合適密度和熔體指數的聚合物作為原料進行負泊松比效應顯著和穩定的土工格柵製備。
[0025](2)確定成型參數
[0026]對於負泊松比土工格柵，分散相(聚丙烯)的含量為10%?20%，增潤劑的含量為2?7%，熔融次數為3?5次，擠出成型壓力在30?80MPa，成型材料的泊松比為-0.05?-4.2 ;實際應用中，根據力學性能的要求，確定製備負泊松比土工格柵過程中分散相含量、熔融次數及注塑成型壓力。當連續相和分散相的模量值相差越大，材料所獲得的泊松比值越小，負泊松比效應越明顯，同時較低的注塑成型壓力有利於共混體系負泊松比效應的持續。
[0027](3)製備工藝
[0028]利用當前土工格柵生產工廠的生產設備，將混合料高溫熔融，共混後加壓劑出，然後拉伸定型，實現批量生產。道路使用時，可採用擠出拉伸工藝定型，可獲得單向和雙向兩種不同類型的土工格柵；礦山使用時，可採用擠出拉伸工藝定型，為保證使用強度，可生產三向土工格柵。
[0029]⑷生產流程
[0030]根據使用情況，選取對應種類的原材料及相容劑，確定配比。利用當前土工格柵生產工廠的生產設備，將聚乙烯、聚丙烯攪拌均勻通過吸料機吸入造粒機，重複造粒2?4次，然後將粒料導入擠出機中，加熱熔融後用一定的壓力(30?SOMPa)經過模具擠出，衝孔拉伸之後通過冷卻池冷卻定型，牽引成卷，進行包裝。
[0031](5)應用範圍
[0032]在需要加筋結構的工程中均可使用該類型負泊松比土工格柵，如道路工程、水利工程、礦山工程等。
[0033]實例1:
[0034]道路工程中，路基在行車荷載及自然因素的作用下容易發生開裂、滑坡甚至垮塌等情況，為提高筋-土界面的力學性能，可使用具有拉脹效應的負泊松比土工格柵作為筋材。製備適用於道路工程的負泊松比土工格柵，將以聚乙烯和聚丙烯為原料，通常情況下聚丙烯作為共混體系中的分散相，其含量為12%?15%，再加入5?6%的增潤劑，熔融共混後放入擠出機中，採用擠出拉伸工藝，利用擠出機在50?60MPa的壓力下擠出，冷卻後形成負泊松比土工格柵，土工格柵成型後的泊松比為-0.2?-4.1，將該類型土工格柵鋪設在路基中，不僅具有拉脹效應，能有效提高筋材與填料的相互作用，而且有著優良的阻尼特性，能提高加筋土的吸能減振作用，這樣一來能極大地提高了筋-土界面的力學性能，確保加筋土結構的穩定性。
[0035]實例2:
[0036]某道路工程沿河岸修築的路堤擋土牆，在外界因素的影響下容易引發變形、開裂，嚴重時甚至出現滑塌等情況，為提高擋土牆的支承能力，延長擋土牆的使用壽命，修築時可在牆體內加入具有拉脹效應的負泊松比土工格柵。製備該類型的土工格柵，將以聚乙烯和聚丙烯為原料，通常情況下聚丙烯作為共混體系中的分散相，其含量在15%?20%，再加入3?5%的增潤劑，充分熔融共混後放入擠出模具中，在30?40MPa的壓力下擠出混合料。該類型土工格柵冷卻成型後的泊松比為-0.05?-3.8。將負泊松比土工格柵作為筋材加入擋土牆中，其所具有的拉脹特性，能有效提高筋材與接觸材料的相互作用，從而極大地提高筋材與填料的力學性能，而且這種在受拉之後有著優良阻尼特性的筋材，能提高擋土牆的吸能減振作用，確保其穩定性。
【權利要求】
1.負泊松比土工格柵的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟I按照工程需要，選擇密度和熔體指數符合要求的聚乙烯作為連續相材料，聚丙烯作為分散相材料，另外再加入少量的增潤劑； 步驟2確定成型參數，對於負泊松比土工格柵，分散相的含量為10 %?20 %，增潤劑的含量為2?7%，熔融次數為3?5次，擠出成型壓力在30?80MPa，成型材料的泊松比為-0.05 ?-4.2 ; 步驟3利用當前土工格柵生產工廠的生產設備，將聚乙烯、聚丙烯攪拌均勻通過吸料機吸入造粒機，重複造粒2?4次，然後將粒料導入擠出機中，加熱熔融後用設定的壓力經過模具擠出，衝孔拉伸之後通過冷卻池冷卻定型，牽引成卷，進行包裝。
2.如權利要求1所述的負泊松比土工格柵的製備方法，其特徵在於，所述的步驟2成型參數的確定方法如下: 根據力學性能的要求，確定製備負泊松比土工格柵過程中分散相含量、增潤劑的含量、熔融次數及擠出成型壓力；當連續相和分散相的模量值相差越大，材料所獲得的泊松比值越小，負泊松比效應越明顯，同時較低的擠出成型壓力有利於共混體系負泊松比效應的持續。
3.如權利要求1所述的負泊松比土工格柵的製備方法，其特徵在於，所述的步驟3製備工藝選擇過程如下: 道路使用時，採用擠出拉伸工藝定型，獲得單向和雙向兩種不同類型的土工格柵；礦山使用時，採用擠出拉伸工藝定型，為保證使用強度，可生產三向土工格柵。
【文檔編號】B29D28/00GK104401020SQ201410632708
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月11日 優先權日:2014年11月11日
【發明者】崔新壯, 湯濰澤, 張炯, 樓俊傑, 侯飛, 黃丹 申請人:山東大學