塑料土工格栅拉伸成型工艺及格栅力学性能研究进展

＊刘计 袁洪波 宋立彬 栾贻国 郑超*

（1.山东大学材料科学与工程学院 山东 250061 2.肥城联谊工程塑料有限公司 山东 271608）

1.引言

塑料土工格栅是应用极为广泛的土工合成材料之一，具有强度高、耐蠕变性好、施工简便、成本低等优点，能够对土基起到加固、稳定与防护作用，在公路、铁路、机场、水利、建筑等方面获得大量应用，在青藏铁路冻土层路基建设、三峡库区边坡防护工程等国家重点工程中发挥重要作用[1-2]。

拉伸成型是制造塑料土工格栅的主要工艺。根据承载方向不同，塑料土工格栅可以分为单向、双向和多向格栅；根据使用的原材料不同，可以分为聚丙烯（Polypropylene，PP）、高密度聚乙烯（High density polyethylene，HDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）土工格栅。利用拉伸成型工艺制造土工格栅时，首先将原材料与增塑剂、抗氧化剂、炭黑等辅料充分混合，以提升其机械性能、耐老化等性能[3-4]。随后，通过挤出机挤出一定厚度和宽度的板材，在压力机上利用模具冲孔。最后，将预冲孔板材加热进行纵向拉伸，形成单向格栅；再次加热并进行横向拉伸，即可得到双向或多向格栅。因此，纵向或横向拉伸环节直接决定产品成型形状和性能。此外，由于预冲孔环节为后续拉伸成型提供初始板料，因此预冲孔孔型的结构设计对最终成型结果也有显著影响。通过对孔型、板厚等预冲孔板料参数和拉伸温度、拉伸速度等拉伸工艺参数进行研究并分析其影响规律，可以合理调控格栅成型过程，从而提高产品质量。

拉伸成型获得的塑料土工格栅产品性能，主要采用格栅的力学性能指标进行分析，包括抗拉强度、拉伸模量、延伸率、2%和5%应变下拉伸强度等静态力学性能指标，以及蠕变强度等动态力学性能指标。格栅力学性能与其服役寿命息息相关，揭示拉伸成型工艺参数对格栅力学性能的影响规律极具应用价值。本文总结了近年来针对预冲孔板料设计方法、拉伸工艺参数影响规律和格栅力学性能方面的研究成果，探讨了塑料土工格栅发展趋势，以期为高性能塑料土工格栅成型理论与技术研究提供参考。

2.预冲孔板料设计方法

在塑料土工格栅成型过程中，板料上的预冲孔经拉伸后形成格栅网孔，其余部分形成格栅筋条[5]。格栅网孔对砾石、砂土起到固定作用，筋条主要起到承载作用。因此，预冲孔板料的孔型、孔基本尺寸、孔间距、板料厚度等参数均影响最终产品的形状与性能。

单向格栅预冲孔的孔型一般为矩形、椭圆形、长圆形；双向和多向格栅包括方形、菱形、圆形、半圆形、三角形等。许闻博[6]采用有限元法模拟了长圆形孔条件下单向格栅拉伸过程，发现随孔圆角半径增大，圆角过渡处应力、应变减小。这对于避免断裂、崩丝等缺陷至关重要[7]。王征[8]选取菱形、圆形、方形三种孔型进行双向格栅拉伸过程模拟，结果表明方形孔得到的格栅筋条厚度分布均匀，而圆形孔与菱形孔时筋条厚度分布不均，特别是筋条中心处减薄严重。刘杰[9]在拉伸速度为150mm/min，拉伸温度为130℃条件下进行了一系列实验，发现孔径是影响格栅强度的首要因素，其次是板料厚度、孔间距和孔型。郑超[10]针对PP拉伸变形行为进行了实验和数值模拟研究，发现孔横向间距对格栅筋条成型和室温拉伸断裂行为有重要影响。双向格栅纵、横间距相同时，一般纵向筋条力学性能存在过剩。通过增大纵向间距形成合理的纵横间距差，可以实现两个方向性能综合调控[11-12]。

3.拉伸工艺参数影响规律

针对不同原材料和格栅目标形状，选择合适的拉伸工艺参数对格栅成型至关重要。实际生产中，拉伸温度和拉伸速度影响材料流动和晶体重新取向，是需要重点关注的两个参数。

(1)拉伸温度

合适的拉伸温度能够保证格栅成型质量，同时节约能源、降低成本。王征[8]分析了拉伸温度对格栅用PP原料室温性能的影响，发现高温拉伸后的PP样条室温断裂拉伸长度和伸长率均随拉伸温度升高而增大。曹茜[13]通过实验与数值模拟研究了拉伸温度（90～145℃）对PP格栅性能的影响，发现在拉伸速度相同时，随拉伸温度提高格栅高温拉伸应力和室温拉伸强度均降低。在较高拉伸温度下，聚合物分子链活性增加，所需拉伸力随之下降；由于拉伸时分子链重新排布，晶体取向更加均匀，因此室温下能够承受更大变形，致使断裂伸长率增加[14]。

(2)拉伸速度

许闻博[6]利用有限元法讨论了不同拉伸速度（100mm/min～150mm/min）对拉伸过程的影响，结果表明筋条中间位置应变随拉伸速度增加而增大，这有利于获得更高的取向度，进而获得更好的力学性能。曹茜[13]分析了拉伸速度对PP原料性能的影响，发现随拉伸速度提高，拉伸应力随之增大。这是由于拉伸速度较大时，材料内部缺陷发展时间短，应力集中效应未能发挥作用，此外高应变速率下分子链被拉长后还未松弛即被继续拉伸，这将导致应力增大。在单一变量分析基础上，研究者利用正交试验探讨了拉伸温度、拉伸速度、拉伸比对格栅性能影响的显著性，发现影响顺序从强到弱分别是拉伸温度、拉伸速度、拉伸比[9]。此外，研究发现拉伸温度与拉伸速度存在时温等效性。在生产过程中，可以通过合理协调拉伸温度与拉伸速度，控制产品质量与生产效率。

4.格栅力学性能

塑料土工格栅力学性能研究主要围绕格栅静态与动态拉伸特性。静态拉伸特性针对使用过程中出现的短时间大载荷状况，动态拉伸特性一般针对格栅蠕变过程进行分析。

(1)格栅静态拉伸特性

Dong等[15]采用数值分析方法研究了双向矩形格栅和多向三角形格栅的拉伸变形行为，结果表明筋条的力学响应与加载方向密切相关，如图1所示。对于双向格栅，当拉伸方向与筋条方向一致时，拉伸强度和刚度都较高，而在其他方向则较低；当拉伸方向与筋条方向成45°时，抗拉强度和刚度接近于零。对于多向格栅，尽管其最大抗拉强度低于双向格栅，但抗拉强度分布更加均匀，因此更能有效承受来自不同方向的拉力作用。杨广庆等[16]研究了不同拉伸速度（0.05mm/min～50mm/min）对HDPE格栅力学性能的影响，发现随着拉伸速度减小，格栅抗拉强度和拉伸模量减小，而峰值应变增大。李海江[17]和陈蕾[18]利用自制的双向拉伸系统对格栅进行了单向、双向和全向拉伸试验。通过对拉伸速度与拉伸强度、拉伸模量的回归分析，建立了拉伸模量与拉伸速度的回归方程。

图1 双向和多向格栅拉伸强度分布图[15]

(2)格栅蠕变特性

塑料土工格栅使用时间达数十年，在长期受载过程中，格栅应变随时间延长而增加，即蠕变变形不断增大[19]。如果蠕变变形过大，将造成加筋土失稳失效。一般采用常规蠕变试验和加速蠕变试验检测格栅蠕变性能。

Hossein等[20]对HDPE单向格栅在静、动载荷作用下的拉拔特性开展实验研究，发现随着频率增加，动载荷对格栅的作用可以等效为动载荷平衡位置对应的静载荷作用。Yeo等[21]评价了PET和HDPE土工格栅的拉伸蠕变性能，结果表明在相同的抗拉强度百分比下，PET格栅的蠕变变形小于HDPE格栅；PET格栅初始蠕变阶段的应变速率与加载载荷无关，而HDPE土工格栅初始蠕变阶段的应变速率则呈指数级增加。袁慧等[22]对PP土工格栅蠕变特性进行研究，发现长期载荷作用下格栅受力超过60%极限抗拉强度时发生断裂。在土工格栅使用过程中对应变进行动态检测是研究蠕变特性的有效方式，对此由超导电炭黑和HDPE制成的新型传感土工材料提供了一条有效途径[23]。此外，数字图像相关方法也逐渐应用于土工材料静态和疲劳试验[24-25]，使格栅力学性能研究更加深入。

5.发展趋势分析

（1）由于影响预冲孔和拉伸工艺的参数众多，采用实验试错研究将耗费大量人力、时间。因此，开展塑料高温条件下数值模拟方法研究，建立高精度的塑料土工格栅拉伸成型有限元分析模型，对于提高预冲孔孔型设计效率和获得合理的拉伸工艺参数组合具有重要意义。

（2）现有研究一般仅针对塑料高温拉伸变形行为或格栅室温力学性能，较少关注拉伸过程中材料的微观结构变化，更未涉及结构演变与性能变化的关联关系。因此，开展“变形—结构—性能”关系研究对于全面揭示拉伸成型机理和提高制品性能至关重要。

（3）多向土工格栅近年来发展迅速，应用需求极大。与单向和双向格栅相比，多向格栅具有更多的筋条，能够承受多个方向载荷，同时拥有更多的网孔结构，因而能够与砾石砂土更好结合。图2所示为肥城联谊工程塑料有限公司近期开发的两款新型多向土工格栅产品[26-27]。因此，着力开发多向土工格栅新产品，并研发与之适应的高精度高效率拉伸成型方法十分迫切。

图2 两种新型多向土工格栅[26-27]

6.结论

合理的预冲孔结构参数设计、优化的拉伸工艺参数组合对于提高塑料土工格栅成型效率和制品力学性能至关重要。近年来国内外研究者围绕上述问题开展了大量工作，取得了诸多研究成果，促成了塑料土工格栅拉伸成型从粗放到精细化发展。因此，继续开展拉伸过程数值模拟方法研究、揭示“变形—结构—性能”关系、研发多向土工格栅新产品及成型方法等对于丰富高性能塑料土工格栅成型理论和推动工业应用具有重要意义。