橋梁纜索用HDPE壽命研究現狀*

張彬玢 張鴻琪

1 概述

HDPE在1956年就已推出,它具有密度較大,力學強度、熔點和硬度較高的特點,同時可應用各種先進技術改善和提高HDPE的其他性能。近50年來,HDPE在土木工程行業中的應用越來越廣泛,橋梁工程中應用是以HDPE為基料的纜索熱擠護套用料,其中添加了 2.5%左右的炭黑并已加入了抗氧劑以保持HDPE加工和成型后的熱穩定性,使之具備吸濕性小、耐磨性好、耐寒性好、耐化學藥品性好、易加工及良好的耐環境應力開裂性等優點。但是它存在提前開裂這一普遍的問題。開裂與HDPE材料性質、幾何外形都有關系。在橋梁拉索護套上使用的HDPE還受到包括大氣老化與受力因素的綜合作用。因此需要找出對應這些條件下HDPE護套應力開裂壽命和老化壽命的方法。

2 HDPE的破壞

HDPE護套的開裂可以歸為以下三種原因[1]:1)第三方損傷。2)節點破壞。3)材料失效。第三方損傷是由一些不規范的施工方式造成的。節點破壞可能是由于HDPE與錨固端的連接方式不合理或者材料缺陷導致的熔融結合瑕疵。與材料失效和聚合物的材性、制作過程錯誤等有關。

HDPE的開裂存在兩種破壞形態:脆性和延性。延性破壞過程會伴隨著宏觀屈服現象。延性破壞時間由蠕變速率決定;脆性破壞過程會伴隨著裂紋增長。這兩種過程同時進行,最終失效取決于在一定應力、溫度和刻痕深度下,哪個過程發展的更快。

3 應力開裂機理

3.1 微觀機理

Lustiger曾提出一個簡單模型來描述HDPE材料[2]:

HDPE材料包含有序結晶性區域和無定形區域兩部分,結晶區域包括稱為片晶的褶皺晶層,它們被無定形區域分隔開來。晶層間的聚合物鏈在變形時起關鍵作用。晶層間有三種這樣的鏈:纖毛、松散環和分子結。Lustiger模型的關鍵點就是分子結在破壞過程中的作用。當應力較小,分子結會慢慢解開并隨時間松弛,因此應力開裂破壞發生在片晶之間。圖1顯示了這個過程,斷裂面呈現脆性破壞的特征。

3.2 宏觀機理

銀紋可以被認為是應力開裂的宏觀表現。銀紋(損傷區)就是裂紋尖部張開和纖維拉伸開的區域。圖2表示銀紋的結構。破壞過程可以分成幾步。首先,在刻痕末端施加荷載后立即形成銀紋。在銀紋的末端,材料的局部屈服產生了塑性區。

微纖維承受應力,隨著時間的推進,微纖維伸長導致銀紋緩慢增長。銀紋區域微纖維的斷裂使裂紋增長。當微纖維減少到臨界值時,材料就完全破壞了。

4 應力開裂實驗方法

實驗室采用加速法模擬SCG過程。最常用的方法包括應力集中(刻痕),升高溫度,改變環境,施加高應力或者疲勞荷載。常見HDPE應力開裂實驗方法見表1。

5 HDPE應力開裂壽命預測方法

5.1 斷裂力學方法

分析HDPE的開裂通常采用線彈性斷裂力學(LEFM),許多學者研究了應力強度因子K和裂紋增長率之間的關系,提出了一些半經驗模型,但是多數斷裂力學模型中裂紋增長率的穩定性只有在增長速率達到或者超過10-9m/s時才成立[10],但實際的裂紋增長速率遠低于那個值。LEFM方法不方便計入蠕變效應[11]也使它無法預測HDPE的開裂行為。

表1 常見應力開裂實驗方法

5.2 轉換法

Boltzmann提出了線性粘彈性基本方程,其應用之一就是時溫等效原理(簡稱TTS)。

其中,aT為時間溫度轉換系數,可以通過 Williams-Landel-Ferry(WLF)方程得到:

其中,C1,C2均為常數。

TTS假定材料結構在測試過程中不改變,而且只有材料低于熔點溫度下的線性變形范圍內才有效,溫度會影響微晶體的運動,當溫度高于熔點時,PE的晶體結構就會改變,而且高溫會導致材料重結晶,小的晶體會生成大晶體。因為溫度對結晶度有影響,單獨對曲線進行水平轉換不能得到連貫的主曲線。我們需要對曲線同時進行水平和豎向轉換,即雙向轉換。轉換因子表達如下[12,13]:

其中,aT為水平轉換系數;bT為豎向轉換系數;T為實驗室測試溫度;Tr為任意參考溫度或者目標溫度。

5.3 反應速率法

瑞典化學家Arrhenius發現化學反應速率的對數是溫度倒數的函數,認為溫度變化不會引起材料較大的結構變化?？梢杂孟铝蟹匠瘫硎?

其中,k為動力學速率常數;k0為動力學速率指前常數;E為表觀活化能;R為氣體常數,取8.314 J/mol;T為絕對溫度。

從Arrhenius方程引申出如下反應速率法模型[17],這也被ASTM和ISO規范采用:

其中,t為實驗溫度下的失效時間;σ為施加的應力;T為實驗溫度;A,B,C均為常數。

6 大氣老化

抗應力開裂能力僅僅從物理性質方面規定了對HDPE的要求,但是一些橋梁實際運營過程中HDPE始終暴露在大氣環境中,大氣環境中的輻射、溫度會使 HDPE發生劣化。老化后HDPE的實際抗應力開裂能力降低。這種化學變化對使用性能影響不可忽視,甚至直接決定了護套的使用壽命。

大氣老化的作用可以通過化學反應動力學角度,推導出某物理性能指標達到一定值時的時間與試驗地點的光能量和環境溫度的關系式,即壽命方程。利用已知的實驗數據進行回歸分析,就可以預報HDPE在任意地點的壽命。下面的公式可以用來描述HDPE的老化壽命[7]:

其中,t為某一性能指標達到某一定值的時間,例如拉伸強度或者伸長率保持70%的時間;T為戶外暴露試驗地點的年平均溫度;Q為戶外暴露試驗地點的太陽年均總輻射量;A,B均為常數。

7 結語

橋梁纜索設計借用電纜護套使用標準,要求纜索護套使用壽命達到25年,在近年HDPE性能得以改善和提高后,考慮到換索、纏包、涂裝維護和維修成本較大,橋梁纜索護套設計提出了50年壽命的使用要求[8]。但實際上由于護套直接暴露在大氣環境中,大氣老化使材料性能退化,同時HDPE護套隨纜索受力,在SCG和老化的共同作用下,護套的實際使用壽命難以達到設計壽命。今后應針對橋梁纜索HDPE護套的實際受力情況和使用環境進行深入的研究,找出能夠判斷其使用壽命的方法,從而為橋梁的安全使用提供可靠的數據。

[1]A.Lustiger.The molecular mechanism of slow crack growth in polyethylene[J].Science and Engineering,1985,46(6):137.

[2]A.Lustiger.The molecules in polyethylen[J].Report GRI-85/0129,Chicago,1985(5):18-19.

[3]J.M.Andrew,I.M.Ward.The Cold-Drawing of High Density Polyethylene[J].Journal of materials science 5,1970(8):411-417.

[4]Hermann Weiher,Konrad Zilch.Usage of HDPE in bridge construction-a corrosion protection system for steel tendons under extreme loading[EB/OL].http://www.mb.bv.tum.de/index-d/mitarbeiter/weiher/2006-PPXⅢ-confpaper-we-zi.pdf.

[5]CarlosH.da Silva,Deniol K.Tanaka,Amilton Sinatora.The effect of load and relative humidity on friction coefficient between high density polyethylene on galvanized steel-preliminary results[J].Wear,1999(7):225-229,339-342.

[6]王 俊,彭 堅.老化試驗中PE-HD的結構與力學性能研究[J].中國塑料,2005,19(1):4-7.

[7]葉苑岑.聚丙烯在不同氣候區域的大氣老化相關性[J].合成材料老化與應用,1991(4):2-8.

[8]葉覺明.熱擠HDPE護套在橋梁纜索防護中的應用[J].工程塑料應用,2005,33(3):17.

[9]付 敏,郭寶星.聚乙烯材料熱及光氧老化的研究進展[J].2004,7(6):17.

[10]M.K.V Chan,J.G Williams.Slow stable crack growth in high density polyethylenes[J].Polymer,1983(24):234-244.

[11]C.H.Popelar,G.H.Staab.Eighth Plastic Pipe Symposium,1983:62.

[12]C.H.Popelar,V.H.Kenner,J.P.Wooster.An accelerated method for establishing the long term performance of polyethylene gas pipe materials[J].Polymer Engineering and Science,2007(31):1693-1700.

[13]Popelar C.H,Kenner V.H,Popelar S.F.Determination of the Performance Life of Heat Fusion Joints in Polyethylene Gas Pipe Materials[R].Annual Report,1989.

[14]X.Lu,N.Brown.Unification of ductile failure and slow crack growth in an ethylene-octene copolymer[J].Journal of Materials Science,2006(26):612-620.

[15]L.Rolland,L.J.Boatman.Surface Embitterment of Ductile Polymers:A Fracture Mechanics Analysis[J].Polymer engineering and science,1985,25(4):7.

[16]H.D.Hoekstra,J.Breen.Fracture behavior of exposed HDPE specimens with an embrittled layer due to UV-exposure[J].Angewandte Makromolekulare Chemie,1997(2):5-7.

[17]C.G Bragaw.Service Rating of Polyethylene Systems by the Rate Process Method[J].Eighth Plastic Fuel Gas Pipe Symposium,New Orleans,1983(3):4-6.