PVC材料基本力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀

彭道軍，徐樹全，焦亞?wèn)|，韓雨琦,方 勇

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

PVC聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride)是世界上最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的塑料品種之一。20世紀(jì)初，美國(guó)BFGoodrich公司的工業(yè)科學(xué)家Waldo Semon[1]實(shí)驗(yàn)開發(fā)出聚氯乙烯替代了日益昂貴的天然橡膠。二戰(zhàn)期間，PVC取代傳統(tǒng)材料大量用于織物防水涂層。20世紀(jì)50年代，越來(lái)越多的公司開始生產(chǎn)PVC，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了進(jìn)一步的創(chuàng)新和改進(jìn)方法來(lái)提高其耐用性，為PVC在建筑和施工中的應(yīng)用打開了大門。到20世紀(jì)中后期，在提高了這種材料對(duì)極端溫度的抵抗力后，PVC開始被用于向家庭和工業(yè)輸送水。今天，PVC是繼聚乙烯和聚丙烯之后，世界上第三大銷售商品塑料。PVC的低成本、可加工或回收的能力以及出色的耐用性使其成為數(shù)十個(gè)行業(yè)的首選材料[2]。

PVC材料在西方發(fā)達(dá)國(guó)家建筑行業(yè)得到普遍應(yīng)用，在人們?nèi)粘Ｉ钪幸驳玫綇V泛使用。究其原因是由于PVC具有材質(zhì)輕、隔熱保溫性能好、防潮、阻燃，并具有良好的抗腐蝕性以及穩(wěn)定性。此外，PVC材料還具有良好的抗老化、抗彎強(qiáng)度以及良好的伸縮性[3]。論文綜述了PVC材料的基本力學(xué)性能和目前的主要結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀，希望對(duì)PVC在建筑結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 PVC基本力學(xué)性能

1.1 本構(gòu)參數(shù)確定

PVC材料本構(gòu)方程涉及到的指標(biāo)包括有彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、泊松比等。材料的力學(xué)性能都需要試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。目前我國(guó)PVC材料拉伸性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要采用現(xiàn)行的GB/T 1040.1—2018《塑料拉伸性能的測(cè)定 第一部分：總則》，是主要依據(jù)現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ASTM D638—2010《塑料拉伸性能的測(cè)定》、ISO 527-1:2012《塑料拉伸性能的測(cè)定》等進(jìn)行修訂的。

在典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，如圖1所示，曲線a為無(wú)屈服點(diǎn)的脆性材料；曲線b、c為有屈服點(diǎn)(σy)的韌性材料；曲線d為無(wú)屈服點(diǎn)的韌性材料，即軟質(zhì)PVC制品常見的拉伸曲線。不同種類的塑料對(duì)其拉伸強(qiáng)度的描述為：進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)后觀測(cè)到的某一位置的力度最大值，此數(shù)據(jù)可能是發(fā)生屈服或斷裂狀態(tài)所形成的應(yīng)力值，但不確定為曲線圖中的最大值。拉伸屈服應(yīng)變描述為當(dāng)進(jìn)行首次拉伸實(shí)驗(yàn)后，在應(yīng)變?cè)黾印?yīng)力保持的狀態(tài)下出現(xiàn)的應(yīng)變情形。此應(yīng)變與相應(yīng)的曲線圖中的點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。有明顯屈服點(diǎn)的材質(zhì)按照其定義進(jìn)行取值，在無(wú)法確定材料的屈服點(diǎn)時(shí)，采用Coplan法[4]進(jìn)行屈服點(diǎn)的測(cè)定。

PVC材料根據(jù)其加入的增塑劑劑量大小可以使PVC具有不同的硬度，可以劃分為硬質(zhì)和軟質(zhì)材料兩種。硬質(zhì)PVC具有高強(qiáng)度、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以制造建筑結(jié)構(gòu)件及水管類產(chǎn)品。由于其物理性能如剛性、彈性、耐腐蝕、抗老化性能優(yōu)異且易取材，通常是木材、鐵、銅、鋅、鋁等的極佳代用品。軟質(zhì)類PVC拉伸強(qiáng)度范圍在6.9～25 MPa，而硬質(zhì)類PVC在34～62 MPa之間[5]，差距較大，且其他性能也有較大差異。表1為某種硬質(zhì)PVC材料與鋼材的部分材料力學(xué)性能的對(duì)比[6]。如表1所示，此PVC材料拉伸強(qiáng)度大約只有四十多兆帕，但密度約為鋼材密度的1/6，所以其強(qiáng)度并不比某些金屬低。斷裂伸長(zhǎng)率約為鋼材的2～4倍，延展性較好。但斷裂拉伸強(qiáng)度約為鋼材的1/10，初始抗拉切線模量為鋼材的1/80。在材料彈性受力范圍內(nèi)，對(duì)于給定荷載和截面尺寸，PVC材料產(chǎn)生的撓曲大約是鋼材的80倍。

表1 某PVC材料和鋼材的部分力學(xué)性能對(duì)比

1.2 本構(gòu)模型

PVC是粘彈性高分子材料，不同的基元會(huì)使得粘彈性高分子材料呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性征。目前確定的高分子材料本構(gòu)關(guān)系是根據(jù)綜合試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集分析而構(gòu)建的。主要本構(gòu)關(guān)系模型包括有唯象型和統(tǒng)計(jì)型兩種。由于統(tǒng)計(jì)型關(guān)系模型在實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算較為繁瑣、成本高，因此此種關(guān)系型與唯象本構(gòu)相比通用性不佳[7]，該文以唯象型本構(gòu)關(guān)系來(lái)總結(jié)PVC相關(guān)材料的本構(gòu)關(guān)系。

1.2.1 發(fā)泡PVC本構(gòu)模型

現(xiàn)階段開展的塑料材料的本構(gòu)關(guān)系研究主要針對(duì)的是泡沫塑料，泡沫塑料是以塑料為主體添加發(fā)泡劑和其他添加劑制成。在進(jìn)行泡沫塑料相關(guān)研究中，Sherwood-Frost模型為最具代表性的模型[8]。

盧子興[9]利用拉伸試驗(yàn)對(duì)泡沫塑料進(jìn)行了相關(guān)研究，以Sherwood-Frost模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了均勻發(fā)泡材料的本構(gòu)關(guān)系探究；耿皓[10]針對(duì)聚乙烯泡沫塑料在靜態(tài)壓縮時(shí)不同密度、不同壓縮厚度、不同壓縮次數(shù)所表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)分析;李俊[11]以發(fā)泡聚乙烯為研究對(duì)象，利用Sherwood-Frost模型進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，并且也在此模型基礎(chǔ)上建立了壓縮模型;饒聰超等[12]對(duì)這些研究成果進(jìn)行總結(jié)后構(gòu)建了Sherwood-Frost經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ椭邪☉?yīng)變率和密度效應(yīng)，并依此建立了塑料結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料本構(gòu)關(guān)系方程

(1)

(2)

式中，σ0為參考應(yīng)力；ai、bi為方程的擬合參數(shù)。

泡沫塑料的本構(gòu)關(guān)系在文獻(xiàn)[14]中進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但是目前對(duì)于塑料本構(gòu)模型的研究主要在于發(fā)泡制品，對(duì)于普通硬質(zhì)PVC方面的本構(gòu)關(guān)系研究較少。

1.2.2 普通PVC本構(gòu)模型

對(duì)于未發(fā)泡加工的工程塑料，與PVC同屬的粘彈性高分子材料進(jìn)行的本構(gòu)模型研究成果較多，在ZWT非線性粘彈性本構(gòu)模型基礎(chǔ)下進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)載應(yīng)用較為普遍[15]，應(yīng)用較廣泛，本構(gòu)表達(dá)式如下

(3)

式(3)反應(yīng)的是非線性彈性平衡響應(yīng)，E0和α、β分別是與之相應(yīng)的彈性常數(shù)；低應(yīng)變率下的粘彈性響應(yīng)狀態(tài)以首個(gè)積分項(xiàng)進(jìn)行描述，Maxwell單元的彈性常數(shù)和松弛時(shí)間與E1和θ1相對(duì)應(yīng)；而后一個(gè)積分項(xiàng)描述高應(yīng)變率下的粘彈性響應(yīng)，Maxwell單元的彈性常數(shù)和松弛時(shí)間分別對(duì)應(yīng)為E2和θ2。

在動(dòng)態(tài)載荷條件下由于聚合物材料敏感性較高，因此會(huì)使ZWT非線性粘彈性本構(gòu)模型參數(shù)不易保持。考慮到這一問(wèn)題，雷經(jīng)發(fā)[16]為了揭示PVC改性彈性體在靜、動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)性能，試驗(yàn)獲得應(yīng)變率為0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1、1 510 s-1、2 260 s-1和3 000 s-1下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，對(duì)ZWT非線性粘彈性本構(gòu)模型中用于描述材料非線性彈性響應(yīng)的前三項(xiàng)引入應(yīng)變率相關(guān)項(xiàng)予以修正得出PVC彈性體低應(yīng)變率下和高應(yīng)變率下的ZWT模型表達(dá)式。PVC彈性體低應(yīng)變率下ZWT模型的修正表達(dá)式為

(4)

高應(yīng)變率下ZWT模型的修正表達(dá)式為

(5)

朱艷峰[17]根據(jù)UPVC管材標(biāo)準(zhǔn)試件的拉伸試驗(yàn)曲線判斷PVC材料本構(gòu)模型與ZWT模型近似，且忽略粘彈性直接簡(jiǎn)化ZWT模型為

σ=E0ε+αε2+βε3

(6)

通過(guò)進(jìn)行本構(gòu)參數(shù)擬合，表明具有良好的一致性，因此可以得出不同UPVC管材相應(yīng)的本構(gòu)方程，為硬質(zhì)PVC材料的本構(gòu)關(guān)系的研究提供了理論基礎(chǔ)。

2 PVC結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀

從20世紀(jì)50年代開始，隨著塑料的應(yīng)用，建筑材料進(jìn)入了高分子材料時(shí)代，這是第三代建筑材料。在建筑材料中，PVC塑料作為結(jié)構(gòu)材料也有了一定發(fā)展，現(xiàn)主要對(duì)以下幾個(gè)部分進(jìn)行總結(jié)。

2.1 PVC主體結(jié)構(gòu)

PVC塑料制品作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)時(shí)，主要以硬質(zhì)PVC材料為主結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前純PVC材料大量應(yīng)用于建筑塑料模板結(jié)構(gòu)中。少數(shù)學(xué)者用其應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外堤岸防護(hù)、堤壩防滲等工程中的板樁和圍欄中，并進(jìn)行試驗(yàn)分析。

Touchstone[18]進(jìn)行了PVC聯(lián)鎖板樁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)板樁結(jié)構(gòu)加載一圈形成的撓度和應(yīng)變進(jìn)行測(cè)算后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)與理論測(cè)算結(jié)果及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后表明：實(shí)測(cè)值與理論值相比更小，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比全尺寸試驗(yàn)數(shù)值大。Tom[19]在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，PVC板樁材料不具備顯著的各向異性特征，彈性模量的影響因素中溫度指標(biāo)非常突出，當(dāng)在低溫條件下時(shí)模量會(huì)增大，在高溫條件下相應(yīng)會(huì)降低；在60 ℃以上條件時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)明顯的模量降低狀況。賀煒[6]研究了PVC板樁作為基坑板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的特性及設(shè)計(jì)理論，建立PVC板樁懸臂和單支點(diǎn)基坑支護(hù)二維數(shù)值模型，探討了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、土體強(qiáng)度等因素對(duì)PVC板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)最大支護(hù)深度及最小嵌固深度的影響。研究結(jié)果表明：PVC板樁強(qiáng)度不高且具有蠕變特征，在進(jìn)行長(zhǎng)期支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變形控制。

對(duì)于PVC圍欄結(jié)構(gòu)，Sotayo[20]等設(shè)計(jì)了一個(gè)雙開間PVC立柱的圍欄結(jié)構(gòu)的荷載-變形響應(yīng)試驗(yàn)，圍欄結(jié)構(gòu)在中心柱頂部和頂部欄桿的中間間隔點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)加載，計(jì)算出雙隔間PVC圍欄結(jié)構(gòu)的橫向剛度為12.7～14 N/m。PVC圍欄與木圍欄的橫向剛度比較表明，木圍欄的剛度比PVC圍欄高出約262%。此外，有限元分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果之間也顯示出良好的一致性，這項(xiàng)研究結(jié)果為PVC圍欄和其他應(yīng)用的未來(lái)復(fù)合材料和組件提供了有用的基準(zhǔn)。

2.2 PVC混凝土組合結(jié)構(gòu)

PVC管混凝土是在PVC管中填充混凝土得到的一種新的結(jié)構(gòu)材料，是主要的PVC混凝土組合結(jié)構(gòu)。與其他涂層防護(hù)措施相比，PVC管優(yōu)點(diǎn)在于厚度更厚、更均勻、整體性好，與鋼管相比，PVC的熱導(dǎo)率不到其1%，為混凝土提供了一個(gè)不透水不隔氣的保溫層，給混凝土提供了充分的養(yǎng)護(hù)條件，對(duì)混凝土可以起到防護(hù)和約束增強(qiáng)的作用。

Guo等[21]對(duì)鋼管、玻璃(GFRP)、PVC管、碳纖維復(fù)合材料管(CFRP)、PE管等不同材料約束下的混凝土柱進(jìn)行軸向加載試驗(yàn)研究。在變形、宏觀變形特征、失效機(jī)理和失效模式的研究中得到了這幾種不同約束下混凝土柱的極限承載力以及約束材料對(duì)極限承載力的影響。比較了這幾種限制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。其中鋼管約束混凝土柱最好，其次是GFRP-PVC管和PVC管。

Dong[22]通過(guò)軸壓試驗(yàn)，對(duì)比PVC管短混凝土柱和無(wú)PVC管約束的柱，通過(guò)控制混凝土強(qiáng)度、荷載條件、高徑比等主要影響因素，得出在PVC管對(duì)混凝土的約束效應(yīng)下，混凝土的強(qiáng)度和變形能力均有所提高。Murtaza[23]為了研究PVC管混凝土柱的復(fù)合機(jī)理和約束機(jī)理，制作的試件在兩種加載模式下進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)：復(fù)合模式和約束模式。結(jié)果表明，復(fù)合模式柱的強(qiáng)度提高幅度大于約束模式柱，其中約束模式柱比相應(yīng)的復(fù)合模式柱表現(xiàn)出更多的軸向和橫向變形。

2.3 PVC木塑結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)90年代以來(lái)北美、歐洲的許多國(guó)家對(duì)PVC木塑復(fù)合材料進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)PVC木塑復(fù)合材料具有良好的彈性模量，具備與硬木相近的抗壓性和抗彎性，在使用期限方面比普通木材的使用時(shí)間更長(zhǎng)，已成為基材、墻材、模板、地板和裝飾材以及戶外設(shè)施中不可缺少的材料[24]。

Munir等[25]學(xué)者對(duì)木塑材料中的木粉總量進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析后認(rèn)為，當(dāng)材料中木粉總量增加會(huì)使得材料模量、硬度同步提升，但材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸率會(huì)相應(yīng)下降。當(dāng)材料出現(xiàn)老化時(shí)，其力學(xué)性征和外觀品質(zhì)也會(huì)出現(xiàn)明顯變化。對(duì)材質(zhì)影響的因素中，光照和氧化因素最為顯著。Stark[26]針對(duì)環(huán)境因素對(duì)PVC木塑復(fù)合材料的力學(xué)和外觀性征影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在光照和水環(huán)境中，木塑復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)彈性、剛度及色質(zhì)變化，其變化程度比僅在光照輻射條件下出現(xiàn)的變化更加明顯。

田先玲等[27]將PVC木塑復(fù)合材料嘗試應(yīng)用于房屋建筑，對(duì)將木塑材料用于圍護(hù)用途進(jìn)行了可行性分析。李影等[28]主要對(duì)PVC木塑復(fù)合材料的連接方式進(jìn)行了詳細(xì)闡述，其介紹的連接方式包括機(jī)械式、膠接式以及焊接式，對(duì)三種連接方式施工需要關(guān)注的問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。這些都為裝配式PVC木塑房屋的推廣及后續(xù)的研究工作打下了基礎(chǔ)。

3 總結(jié)與展望

a.PVC粘彈性高分子材料，性能受許多因素制約：混料工藝及配方等，性能過(guò)于復(fù)雜。在PVC制品中，硬質(zhì)PVC剛度比軟質(zhì)PVC制品高，更適合應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。

b.目前PVC本構(gòu)模型研究的大多是發(fā)泡軟制品，少數(shù)學(xué)者對(duì)硬質(zhì)PVC材料以粘彈性模型參考計(jì)算，且缺乏對(duì)其系統(tǒng)的進(jìn)行區(qū)分試驗(yàn)分析論證，有待進(jìn)一步的深入研究。

c.PVC由于熱穩(wěn)定和抗沖擊性能較差，作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)主要還是以復(fù)合材料的形式存在，適合未來(lái)的簡(jiǎn)易、臨時(shí)建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)中，不僅能夠保持或提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，還能在一定程度上節(jié)約成本，響應(yīng)國(guó)家綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的號(hào)召，前景廣闊。