桥梁拉索HDPE护套老化机理及服役寿命研究

雷欢 赵爽 李启富

摘 要：本研究旨在探究高密度聚乙烯（high density polyethylene， HDPE）护套的老化机理及其在自然环境下的服役寿命。对HDPE护套在湿热气候（海南琼海市）和干热气候（新疆吐鲁番市）下进行了3 a的自然老化试验和在干热气候（美国凤凰城）下进行1 a的太阳跟踪聚光加速老化试验，对HDPE老化试验中的力学性能、分子结构、热性能、反应动力学、反应级数进行分析。结果表明，黑色HDPE护套在自然老化和太阳跟踪聚光加速老化过程中产生的特征官能团相似，热分解活化能基本相同，反应机理也一致；基于试验数据，提出了HDPE护套服役寿命模型，得出HDPE护套在中东特殊干热地区的服役寿命为15～28 a，东南亚特殊湿热地区为14～20 a，气候环境温和地区超过40 a。本研究为预测HDPE护套在各种环境下的服役寿命提供了理论依据，也为HDPE护套材料的研发与应用提供了参考。

关键词：高密度聚乙烯护套；老化机理；服役寿命；老化试验

中图分类号：U448.27 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.03.005

0 引言

高密度聚乙烯（high density polyethylene， HDPE）护套材料为热塑性树脂，由乙烯单体和一定的辅助剂经过化工合成。该护套具有许多优点，例如耐热、耐寒、化学性质稳定，同时拥有较高的刚性和韧性[1]，被广泛应用在拱桥、斜拉桥、悬索桥的拉索防护上。桥梁拉索HDPE护套在使用过程中，必然会受到温度、湿度和紫外线等其他多种因素影响，使其性能降低，护套出现老化。不同气候条件下材料的使用寿命具有显著差异。以青藏高原为代表的西部地区，昼夜温差较大，日照辐射量大，从而加剧了材料自然老化。相比较于内地，西部地区聚乙烯制品寿命更短。护套作为拉索的重要防护体系，当护套发生破坏时，拉索内部钢丝或钢绞线等金属直接暴露在大气中，将导致拉索存在腐蚀断裂的风险。拉索结构乃至整座桥梁的服役寿命与HDPE护套的使用寿命直接相关，因此，对桥梁拉索护套进行老化行为研究及寿命预测，对于桥梁拉索的应用和发展具有重要意义[2]。

目前，国内外学者对HDPE护套老化现象进行了深入研究。龙跃等[3]对大量桥梁病害案例进行分析，发现护套发生老化的主要因素是紫外线、护套应力、湿度。刘山洪等[4-7]对拉索HDPE护套老化过程中的开裂行为和力学性能变化进行了研究。Zhao等[8]进行了HDPE的紫外加速老化试验、拉伸试验，结果表明，当紫外线照射时间延长时，聚合物的脆性增大，分子链段间缠结程度减小。Liu等[9]采用连续自核退火技术对HDPE在不同应力作用下的光氧老化进行补充，结果发现应力会加速HDPE护套老化。Zanasi等[10]对HDPE老化影响因素进行了研究，结果表明，温度、氧气和应力的耦合作用会导致HDPE老化速度加快。Dan等[11]研究了变荷载作用下HDPE护套的应变水平，并分析了其基本疲劳载荷特性，进一步研究了护套的疲劳寿命，揭示了影响HDPE护套寿命分布规律的主要因素。刘亚平等[12]通过在不同地区进行户外自然老化试验，得出了HDPE护套材料断裂伸长保留率在不同地理区域下随老化时间的变化曲线。陈静[13]通过HDPE护套在不同损伤模式下的腐蚀试验，对HDPE护套拉索结构系统的腐蚀损伤规律进行深入研究。

综上所述，国内外学者在拉索HDPE护套材料的老化原因及性能变化方面进行了大量试验研究及理论分析，但是对于不同环境下拉索HDPE护套自然老化性能研究及拉索护套太阳跟踪聚光加速老化过程研究较少，并且对于拉索护套服役寿命预测缺乏计算模型。鉴于此，本研究针对黑色桥梁缆索HDPE护套材料在湿热和干热2种不同自然环境下开展自然老化试验和太阳跟踪聚光加速老化试验，研究拉索HDPE护套自然老化和太阳跟踪聚光加速老化过程中的性能变化规律和老化机理。基于太阳跟踪聚光加速老化试验，假定老化机理不变，提出HDPE护套在非应力加载下的服役寿命预测模型。基于温度、湿度、辐照三因素服役寿命预测模型，对HDPE护套在不同环境（特殊湿热和干热地区）下进行自然老化性能试验及服役寿命预测。

1 黑色HDPE护套自然老化性能试验

1.1 HDPE护套自然老化机理

在HDPE护套自然老化阶段，紫外光、氧气和温度的作用尤为突出，这一阶段通常被认为是光氧化降解的过程。在使用过程中，HDPE材料会发生物理及化学变化，表现为变脆、表面龟裂、发黄等外在现象。

在加工、长期存放和使用过程中，HDPE护套容易被氧化而产生羰基、过氧化羟基或双键[14-16]。光波长在200～400 nm范围内的紫外线辐照会引起HDPE材料老化，其中羰基是聚乙烯光化学反应的主要引发基团，能吸收260～340 nm波长范围内的紫外线并引发光化学反应，即Norrish I和Norrish II反应（图1）。含氢过氧基的氢过氧化物受210～300 nm波长范围内的紫外线激发后，主要分解为烷氧自由基和氢氧自由基，促进光氧老化成为自发的催化氧化过程，并加速光氧化反应。因此，羰基化合物、氢过氧化物都会加速HDPE材料的光氧老化[17-19]。其中，Norrish I型反应生成大分子烷基或甲基自由基[20]。烷基的进一步反应可生成醛、羧酸、酯等化合物，而烷基的第二次Norrish I型反应会生成一氧化碳，第二次Norrish II型反应则会生成末端乙烯基。此外，产生的甲基酮还会经历第二次Norrish II型反应而生成酮羰基。因此，次级反应主要生成羰基和乙烯基氧化产物，进一步加剧聚乙烯护套的光氧老化降解[21]。

由上可得，在HDPE材料的光氧老化过程中会生成氢过氧化物和羰基化合物。因此，可以通过表征羰基化合物的含量来研究HDPE护套的光氧老化过程。

1.2 试验设计

1.2.1 样条制备

将HDPE样品置于80 ℃鼓风烘箱中干燥24 h后，取一小部分置于平板硫化机上，在170 ℃下压制成2 mm厚的片材，并裁制成标准样条（图2），样条尺寸参考规范GB/T 1040.2—2022[22]。

1.2.2 自然老化试验

根据规范GB/T 3681—2011[23]，将样条于中国琼海（湿热）及吐鲁番（干热）地区的老化试验场开展户外自然老化试验，老化时间为3 a。两地气候分别为典型的湿热和干热气候，样品放置如图3所示，暴晒角为南向45°。每0.5 a对HDPE样条进行一次取样分析。

1.2.3 太阳跟踪聚光加速老化

太阳跟踪聚光加速老化试验是一种自然加速试验方法，使用太阳跟踪聚光设备[24-26]来提高样件的太阳照射量，该方法可实现6～10倍的加速倍率，因此被广泛应用于各种高分子材料的服役寿命预测和耐候性评价。

根据ASTM G90-17，将HDPE样条投放于美国亚利桑那凤凰城老化试验场进行太阳跟踪聚光加速老化（图4），所用设备为EMMAQUA，加速老化试验时间为1 a。每个月对HDPE样条进行一次取样分析。

1.3 试验结果分析

1.3.1 试验环境条件分析

表1为试验环境基本信息。由表1[27]可知，琼海为典型湿热气候地区，年平均气温在25.4 ℃，年平均相对湿度达81.8%。中国吐鲁番和美国凤凰城都是典型干热气候地区，两地的平均气温分别为17.5 ℃、22.9 ℃，年平均相对湿度为27.9%、31.7%。

1.3.2 力学性能分析

高分子材料的微观结构会影响其性能，随着老化时间的增加，材料的微观结构也会发生变化，当微观结构变化到一定程度时，将会导致材料的宏观性能也发生变化，如断裂伸长率和拉伸强度等力学性能指标。因此可通过力学性能测试来研究HDPE护套的老化行为。

图5为太阳跟踪聚光加速老化试验中HDPE的拉伸强度和断裂伸长率随紫外辐照量变化曲线图。随着紫外辐照量的增加，拉伸强度先增加后逐渐下降，这是因为在紫外光照下，HDPE在老化初期发生了一定程度的交联，导致其拉伸强度先得到提升，然后逐渐下降。老化初期，拉伸强度下降得较缓慢，由于抗氧化剂的存在，HDPE在光照下产生的自由基浓度较低。随着紫外辐照量的逐渐增加和累积，自由基浓度增加，老化程度也越来越高，拉伸强度下降也越来越快。经过1 a的老化后，HDPE的拉伸性能仍维持在初始值的65%左右，约为19 MPa。另外，HDPE的断裂伸长率也呈现先增加后减小的趋势，与拉伸强度的变化趋势相似。老化1 a后，虽然断裂伸长率已经开始急剧变化，但仍保持在400%以上，符合规范CJ/T 297—2016[28]要求。

图6（a）为不同自然老化时间后HDPE的拉伸强度随紫外辐照量增加的变化曲线图。由图可知，自然暴晒0.5 a后，HDPE的力学性能分析结果表明，在琼海湿热老化后和吐鲁番干热老化后的拉伸强度均属于上升阶段，与太阳跟踪聚光加速老化的第二个月所测得的力学性能基本相似。图6（b）为不同自然老化时间后HDPE的断裂伸长率随紫外辐照量增加的变化曲线图。由图可知，HDPE样条在3 a的自然暴晒后，断裂伸长率在琼海湿热环境和吐鲁番干热环境下都保持在700%左右。对应加速老化试验初期的数据，这是因为在自然暴晒过程中，HDPE的氧化速率较低所致。

1.3.3 分子结构分析

由于HDPE在各老化阶段均有羰基、酮基、不饱和键等官能团生成，并在样条表面发生积聚，故而通过表征羰基含量，可以有效地分析HDPE材料的光降解行为和老化机理。图7是未经老化、琼海湿热老化、吐鲁番干热老化及太阳跟踪聚光加速老化的HDPE样条的红外光谱图。对比分析可知，自然老化与加速老化后，HDPE样条的红外光谱中均出现了羰基（1 710～1 800 cm-1）的振动吸收峰，且羰基吸收峰为双吸收峰，分别是酮羰基（1 712 cm-1）吸收峰和酯羰基（1 740 cm-1）吸收峰。值得注意的是，由于HDPE体系中抗氧化剂的存在，导致其氧化程度不高，吸收峰强度相对较弱，特别是酮基吸收峰。所有样品的红外光谱图中并未出现乙烯基（908 cm-1）吸收峰，这表明所有HDPE样条的老化降解机理基本相似，均为热氧化或光氧化降解机理，基本不存在无氧降解行为。

1.3.4 热性能分析

对中国吐鲁番环境下自然老化与美国凤凰城聚光加速老化后的HDPE样条进行热分析，进一步探索其老化后的热稳定性。选择吐鲁番环境下自然老化0.5 a与聚光加速老化0.5 a后的HDPE样条，分别以5、10、15、20、25 ℃/min的速率从室温升温到550 ℃，并获得5个升温速率对应的5条曲线，如图8和图9所示。不同升温速率下，HDPE样条分解温度不同，无论是自然老化还是太阳跟踪聚光加速老化，HDPE的升温速率越大，起始分解温度（T0）、最大分解温度（Tm）及终止分解温度（Tf）均越大，TG曲线趋向于高温方向移动，表现出明显滞后现象。

对比中国吐鲁番环境下自然老化0.5 a及美国凤凰城试验场下太阳跟踪聚光加速老化0.5 a后，HDPE在相同热分解速率下的热稳定性如表2所示，结果发现太阳跟踪聚光加速老化0.5 a后的样条起始分解温度、最大分解温度及终止分解温度均更小。

在升温速率（[βi]）为10 ℃/min下，聚光加速老化试验后HDPE的TG曲线趋向于向低温方向移动，如图10所示。这是因为HDPE材料在太阳跟踪聚光老化试验过程中，在高聚光和加热条件下，HDPE的老化反应得到加强，导致材料内部光氧化/热氧化降解程度较高，生成的低分子量HDPE较多，导致材料内部自由体积较大。因此，HDPE在太阳跟踪聚光加速老化后，其热性能效应比自然老化的相对要低。同时，无论是自然老化还是太阳跟踪聚光加速老化后的HDPE，其TG曲线均为单一分解阶段（图8和图9），即降解过程为一步降解反应，属于无规断链反应。

1.3.5 反应动力学分析

动态热降解法是一种在线性升温条件下，持续测量转化率与温度之间关系的方法。通过动态热降解法可绘制出质量与温度的关系曲线，进而得到相关的动力学参数。在此，采用Kissinger法[28-29]计算HDPE样条老化后的热降解活化能，通过Crane公式确定反应级数，从而确定吐鲁番自然老化与太阳跟踪聚光加速老化的相关性。

Kissinger法利用不同升温速率下，HDPE样条热失重过程中的最大分解速率所对应的温度来计算活化能。Kissinger方程为

[lnβiT2P，i=ln（AR/E）-（E/R）1TP，i，] （1）

式中：[βi]为升温速率；[TP，i]为升温速率等于[βi]时的峰值温度；A为指前因子；R为气体常数，为8.314 J/（mol·K）；[E]为表观活化能。

由热分析获得自然老化和聚光加速老化试验后HDPE在不同升温速度下的最大分解温度，整理可得表3。根据表3的数据，以[lnβiT2P，i]对[1TP，i]作图，进行一次拟合，由拟合直线斜率可得E，由截距得A，并可求得相关系数r，如图11所示。

经拟合分析，可得自然老化和聚光加速老化后HDPE的热分解动力学参数，结果如表4所示。自然老化后热分解活化能为235.29 kJ/moL，聚光加速老化试验后的反应活化能则为229.55 kJ/moL，虽然加速老化后HDPE的活化能存在略微的降低，但是两者仍然十分接近。HDPE热分解可以视为自然老化和太阳跟踪聚光加速老化试验方法的延续，因此通过热分解强化HDPE老化过程，求得其反应活化能，进一步分析2种试验过程中材料的老化反应动力学差异。结果表明，自然老化和太阳跟踪聚光加速老化过程中，两者的活化能十分接近，两者的老化反应机理基本一致。

1.3.6 反应级数分析

HDPE的老化降解反应的级数可通过Crane公式进行求解，如式（2）所示，

[d（lnβi）d（1/TP，i）=-EanR-2TP，i ，] （2）

式中：[Ea]为活化能；n为反应级数。

当[-EanR]≥2TP，i时，右边为一常数，此时为线性关系。反应级数（n）可以根据[lnβi]与1/TP，i所作直线斜率求出。

对于固态物质，热降解反应的机理一般可以分为4类：1）界面化学反应，其反应级数为0；2）固体产物的结晶中心形成（成核）及其生长，其反应级数为1/2；3）气体产物在气相边界层外扩散，其反应级数为2/3；4）随机成核与生长机理控制，其反应级数为1。因此，通过计算材料热降解反应级数可确定材料热降解反应机理。在吐鲁番自然老化和加速老化的样条在不同升温速率下对应的[T]P，i值如表3所示。

以[lnβi]对[1/TP，i]作图，可得其拟合直线，如图12所示，拟合直线的斜率即为降解反应级数。在吐鲁番自然老化后HDPE的热降解的反应级数为0.96，线性拟合系数为0.988 34，而太阳跟踪聚光加速老化后，HDPE的热降解动力学反应系数为0.95，线性拟合系数为0.991 37。所以，自然老化和太阳跟踪聚光加速老化试验后，HDPE的热老化分解为一级反应。由于HDPE的热分解反应是基于自然老化和太阳跟踪聚光加速老化试验，即HDPE的自然老化和太阳跟踪聚光加速老化试验也均为一级反应。

2 黑色HDPE护套服役寿命预测研究

2.1 聚光加速老化与自然老化的相关性

图13是聚光加速老化、在琼海湿热和吐鲁番干热老化试验过程中HDPE的拉伸强度与紫外辐照量的变化关系曲线图。对聚光加速老化过程中HDPE拉伸强度变化数据进行拟合，模型函数为y =exp（3.349+0.008x-0.003x2），根据变化关系曲线图及模型函数，计算得出聚光加速老化与自然老化的相关系数R2为0.85，模型数据拟合准确性较高。同时，以自然加速老化数据进行验证，数据偏差较小，基本在5%以内。因此，加速老化试验与自然老化试验的相关性很高，数据准确性也相对较高，加速老化试验可用于HDPE护套基于环境数据的服役寿命预测分析。

2.2 模型建立

HDPE护套的服役寿命模型[30]如式（3）所示，

[fA=tA/t1=Ir1xRH1yIrAxRHAytfT1-TA/10]， （3）

式中：fA为环境老化加速倍率；[tA]为自然老化状态下的服役寿命；[t1]为太阳跟踪聚光加速老化试验中的服役寿命；Ir1为太阳跟踪聚光加速老化试验中的年太阳紫外辐照总量；x为有效太阳辐照因子，根据材料的种类确定；RH1为太阳跟踪聚光加速老化试验中的年平均相对湿度；y为有效相对湿度因子，根据材料的种类确定；IrA为地区A的年太阳紫外辐照总量；RHA为地区A的年平均相对湿度；tf为温度变化率为10 oC时材料的加速因子，根据材料的种类确定；T1为太阳跟踪聚光加速老化试验中的白昼年平均温度（oC）；TA为地区A的白昼年平均温度（oC）。

2.3 服役寿命预测

基于静态自然加速试验结果，以拉伸强度初始值的65%作为寿命终点，将获取的Ir1、T1、RH1、IrA、TA、RHA数据代入式（3），计算出特殊湿热和干热环境下非应力加载下HDPE护套的服役寿命[tA]值，该值即为HDPE护套在该地区的服役寿命。以HDPE护套拉伸强度下降到初始值的30%为失效判据，预测HDPE护套在不同环境下的服役寿命，结果如图14所示。HDPE护套在中东特殊干热地区的服役寿命为15～28 a，而在东南亚特殊湿热地区的服役寿命为14～20 a。相比于特殊湿热和干热环境，北欧等地气候温和地区温度一般较低，其热老化速率小，服役寿命高，HDPE护套的服役寿命可超过40 a。

服役寿命预测

3 总结

通过黑色HDPE哑铃型样条自然老化试验和太阳跟踪聚光加速老化试验，研究黑色HDPE护套在不同老化条件下的老化行为规律和机理，为桥梁缆索HDPE护套服役寿命预测提供数据支撑。本研究的主要结论如下：

1）HDPE样条在太阳跟踪聚光加速老化和自然老化试验中，由于HDPE在老化初期发生了一定程度的交联，因此拉伸强度和断裂伸长率都先增加后逐渐下降。在紫外辐照量相等的情况下，自然老化试验中的力学性能变化与加速老化试验中的力学性能变化一致。

2）HDPE在自然老化和太阳跟踪聚光加速老化过程中，光氧/热氧老化产生的特征官能团种类、热分解活化能、反应级数基本一致，因此，自然老化和太阳跟踪聚光加速老化的老化机理基本相同。

3）聚光加速老化试验中，紫外辐照与HDPE拉伸性能变化关系的拟合曲线与自然加速老化数据偏差小于5%，表明聚光加速老化试验与自然老化试验的相关性很高，因此，基于自然老化试验及太阳跟踪聚光加速老化试验数据提出了HDPE护套的服役寿命模型。

4）以黑色HDPE护套的拉伸强度下降到初始值的30%为失效判据，进行2 mm厚的试验样条服役寿命的试验预测，在干热环境中服役寿命预测为15～28 a，在湿热环境中服役寿命预测为14～20 a，在气候温和地区的服役寿命预测超过40 a。

参考文献

[1] 赵立超，郑华蓉．高密度聚乙烯工艺技术进展[J].化工管理，2013（20）：255.

[2] 姚国文，刘明旭，赵玲，等.湿热环境下聚乙烯拉索护套应力-光氧老化性能[J].科学技术与工程，2021，21（26）：11355-11361.

[3] 龙跃，郑皆连，吴振.桥梁拉索典型病害事故的调查与研究[J].预应力技术，2010（6）：28-31，38.

[4] 刘山洪.斜拉索HDPE防护套的损伤机理及预防对策研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2013，32（S1）：888-893.

[5] 张适龄，黄永玖，曾宪民，等.应力作用下聚乙烯护套材料的表面形貌研究[J].塑料工业，2011，39（11）：83-86.

[6] 刘磊，黄正雨，李永亮，等.高密度聚乙烯的应力-光氧老化开裂研究[J].塑料工业，2014，42（2）：79-84.

[7] 胡文轩，刘长青，刘文君，等.微交联聚乙烯应力-光氧老化开裂行为的研究[J].材料科学与工艺，2018，26（5）：74-81.

[8] ZHAO B，GUO J，YU Y X，et al. A study on small punch test to characterize mechanical property of aged high-density polyethylene（HDPE）[J].Key Engineering Materials，2017，734：104-115.

[9] LIU Q， LIU S X， LV Y D， et al. Photo-degradation of polyethylene under stress： a successive self-nucleation and annealing （SSA） study[J].Polymer Degradation and Stability，2020，172：109060.

[10] ZANASI T，FABBRI E，PILATI F．Qualification of pipe-grade HDPEs：part I，development of a suitable accelerated ageing method[J].Polymer Testing，2009，28（1）：96-102.

[11] DAN D，CHENG W，SUN L M，et al. Fatigue durability study of high density polyethylene stay cable sheathing[J].Construction and Building Materials，2016，111：474-481.

[12] 刘亚平，李晖，魏绪玲.高密度聚乙烯户外自然老化的力学性能研究[J].山东化工，2007，36（8）：5-7.

[13] 陈静.环境与荷载作用下拉索HDPE防护系统腐蚀损伤试验研究[D].重庆：重庆交通大学，2020.

[14] 杨睿，刘颖，于建.聚烯烃复合材料的老化行为及机理研究[J].高分子通报，2011（4）：68-81.

[15] 张敏.高密度聚乙烯（HDPE）膜材料光氧老化性能研究[D].上海：东华大学，2017.

[16] 陈绍平.交联聚乙烯热氧老化性能研究及其改进[D].南京：东南大学，2022.

[17] FAIRBROTHER A，HSUEH H C，KIM J H，et al.Temperature and light intensity effects on photodegradation of high-density polyethylene[J].Polymer Degradation and Stability，2019，165：153-160.

[18] THERIAS S，RAPP G，MASSON C，et al．Limits of UV-light acceleration on the photooxidation of low-density polyethylene[J].Polymer Degradation and Stability，2021，183：109443.

[19] AINALI N M，BIKIARIS D N，LAMBROPOULOU D A．Aging effects on low- and high-density polyethylene，polypropylene and polystyrene under UV irradiation：an insight into decomposition mechanism by Py-GC/MS for microplastic analysis[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2021，158：105207.

[20] HU W X，LIU W J，REN X C. The study on aging behaviors and critical stress of cross-linked high-density polyethylene during stress and photo-oxidative aging[J].Journal of Polymer Research，2019，26（5）：114.

[21] 杜华.稻壳粉/高密度聚乙烯复合材料紫外老化降解机理研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2012.

[22] 全国塑料标准化技术委员会.塑料 拉伸性能的测定：第2部分 模塑和挤塑塑料的试验条件：GB/T 1040.2—2022[S].北京：中国标准出版社，2022.

[23] 全国塑料标准化技术委员会老化方法分技术委员会.塑料 自然日光气候老化、玻璃过滤后日光气候老化和菲涅耳镜加速日光气候老化的暴露试验方法：GB/T 3681—2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[24] 时宇，曾湘安，洪志浩，等.太阳跟踪聚光加速老化试验在塑料耐候性领域的应用[J].环境技术，2021，39（6）：70-77.

[25] 李迪凡，杨晓然，刘聪，等.加速自然环境试验装置中太阳跟踪系统研究[J].装备环境工程，2012，9（3）：56-58，70.

[26] QIN J X，JIANG J Q，TAO Y J，et al．Sunlight tracking and concentrating accelerated weathering test applied in weatherability evaluation and service life prediction of polymeric materials：a review[J].Polymer Testing，2021，93：106940.

[27] 李勇，刘亮，马志平，等．聚酯粉末涂层在典型气候环境下耐老化性的研究[J].涂料工业，2021，51（6）：63-68.

[28] 中华人民共和国住房和城乡建设部道路与桥粱标准化技术委员会.桥梁缆索用高密度聚乙烯护套料：CJ/T 297—2016[S].北京：中国标准出版社，2016.

[29] 王建航，许志彦，张玉鹏，等.磷杂菲/环氧树脂复合材料的热分解动力学研究[J].功能材料，2020，51（11）：11152-11158.

[30] SHI Y，QIN J X，TAO Y J， et al. Natural weathering severity of typical coastal environment on polystyrene：experiment and modeling[J]. Polymer Testing，2019，76：138-145.

Study on aging mechanism and service life of bridge HDPE sheath

LEI Huan， ZHAO Shuang， LI Qifu

（Liuzhou OVM Machinery Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China）

Abstract：This study aims to explore the aging mechanism of high density polyethylene （HDPE）sheath and its service life in the natural environment. The 3 a of natural aging tests were conducted in  hot and humid climate（Qionghai， Hainan），and hot and dry climate（Turpan，Xinjiang），respectively，while the l a of solar tracking accelerated aging tests were done in hot and dry climite（Phoenix City，America）.The mechanical properties， molecular structure， thermal properties， reaction dynamics，and reaction series in the aging tests were analyzed. The results showed that the characteristic functional groups produced by black HDPE during natural aging and solar tracking accelerated aging are similar， the thermal decomposition activation energy is basically the same， and the reaction mechanism is also consistent. Based on the test data， an HDPE service life model was proposed， and it was concluded that the service life of HDPE in the special dry and hot areas of the Middle East is 15～28 a， the special hot and humid areas of Southeast Asia are 14～20 a， and the service life of the mild climate environment is more than 40 a. This study provides a theoretical basis for predicting the service life of HDPE sheaths in various environments， and also provides a reference for the development and application of HDPE sheath materials.

Keywords：high density polyethylene sheath; aging mechanism; service life; aging test

（责任编辑：罗小芬）

收稿日期：2023-12-04；修回日期：2024-01-04

基金项目：广西科技重大专项（桂科AA22068066）；柳州市科技计划项目（2021AAF0101）资助

第一作者：雷欢，硕士，高级工程师，研究方向：预应力技术，E-mail：leih@ovm.cn