聚丙烯长丝土工织物水利性能和耐久性研究.pdf

材料研究与应用 2023，17（3）：586592Materials Research and ApplicationEmail：http：/聚丙烯长丝土工织物水利性能和耐久性研究庄亚芳,赵彦霞,者东梅,武鹏,丁金海（中石化（北京）化工研究院有限公司，北京 100013）摘要：优良的水利性能和耐久性是聚丙烯长丝土工织物在水利工程中长期稳定服役的关键，但相关研究数据的缺乏限制了对此类织物的深入理解及产品优化。通过研究不同单位面积质量和添加/未添加抗老化母粒织物的水利性能和耐久性发现：织物的水利性能，随单位面积质量增加而降低；高单位面积质量的织物皮层降解，但中间仍有未降解芯层，表现出耐久性增加的效果；同时，抗老化母粒的添加使织物水利性能稍有降低，但耐久性会显著升高，这归因于抗老化母粒具有阻止羰基形成、捕获自由基和分解过氧化物等作用。该研究为聚丙烯长丝土工织物的基础研究和实际应用提供了关键数据支撑。关键词：聚丙烯长丝土工织物；渗透系数；等效孔径；耐热氧老化；耐氙灯老化；耐酸碱中图分类号：TS176.3文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）03-0586-07引文格式：庄亚芳，赵彦霞，者东梅，等.聚丙烯长丝土工织物水利性能和耐久性研究 J.材料研究与应用，2023，17（3）：586-592.ZHUANG Yafang，ZHAO Yanxia，ZHE Dongmei，et al.Research on Hydraulic Properties and Durability of Polypropylene Filament Geotextiles J.Materials Research and Application，2023，17（3）：586-592.聚丙烯长丝土工织物是一种新型施工材料，由连续聚丙烯纤维铺排成网状，再经过针刺等工艺让纤维相互交织、缠结固着而成，具有优异的物理化学性能1。我国对聚丙烯长丝土工织物的研究和应用较晚，在设备制造方面显著落后于国外先进水平2。目前，虽然通过引进 3 条国外生产线已可以生产出聚丙烯长丝土工织物产品，并陆续将其应用在国家重大工程或国际工程项目建设中，如北京大兴国际机场、郑万高铁、长江马鞍山河道整治工程等3，但缺乏系统性研究，研究方向仍集中在基础力学性能，如拉伸、撕裂、抗穿刺等4-5，水利性能和耐久性研究相对较少。聚丙烯长丝土工织物具有多孔且疏水的特点，使其在水利工程、岩土工程和地质环境等工程中占据着重要地位，起排水过滤作用6-7。值得注意的是，优良的水利性能是其排水过滤的关键8-9。此外，一旦将聚丙烯长丝土工织物应用于工程中，其服役时间一般在数十年甚至上百年，不可避免的会受到光照、酸碱腐蚀等侵蚀，使其耐久性受到极大挑战10。因此，了解聚丙烯长丝土工织物的水利性能和耐久性对深入理解该织物和产品优化至关重要。本文以聚丙烯长丝土工织物为研究对象，对其展开水利性能和耐久性研究，并以聚酯长丝土工织 物作为对照组，重点研究单位面积质量（300 和600 gm2）及添加抗老化母粒对长丝土工织物的水利性能和耐久性的影响，其中水利性能的核心参数是渗透系数，而耐久性主要包括耐热氧老化、耐氙灯老化和耐酸碱老化。该研究期望为聚丙烯长丝土工织物水利性能和耐久性能的研究和应用提供更多的数据支撑。1实验部分1.1试样试样：单位面积为 300 和 600 gm2的聚丙烯长丝土工织物（含抗老化母粒），其成分（质量分数）为1.5%的奥美凯抗老化母粒和 98.5%的 Y26聚丙烯切片，简称为 PP-O2；单位面积为 300和 600 gm2的聚丙烯长丝土工织物（不含抗老化母粒），其成分（质量分数）为 100%的 Y26聚丙烯切片，简称为 PP；单位面积为 300 和 600 gm2的聚酯长丝土工织物，其牌 号 为-PETFNG-300 和 PETFNG-600，简 称 为PET。试剂：浓硫酸由伊诺凯科技有限公司生产，分析纯；氢氧化钙由西陇科学股份有限公司，分析纯；碳收稿日期：2023-02-13作者简介：庄亚芳，博士，工程师，研究方向为高分子材料耐久性及表征测试，E-mail：。DOI：10.20038/ki.mra.2023.000323酸钠由百灵威生产，试剂级。1.2仪器设备电子天平（ME204E），梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；数字式织物厚度仪 YG（B）141D，温州大荣纺织仪器有限公司；MHDS-15 土工水平垂直导水率试验机、酸碱老化箱，承德市明华检测仪器制造有限公司；等效孔径仪，英国 ENDECOFFS 公司；热烘箱，广州埃斯佩克环境仪器有限公司；氙灯老化箱，美国 Atlas公司；TCS-2000电子万能材料试验机，高铁科技股份有限公司；场发射扫描电子显微镜 S-4800，日本/日立公司。1.3性能测试及表征1.3.1水利性能依据 GB/T 15789，裁剪 5个直径为 50 mm 的圆形试样，对长丝土工织物进行垂直渗透系数的测试；依据 GB/T 17634，裁剪 5 个直径至少为 250 mm 的圆形试样，对试样进行湿法等效孔径测试。1.3.2耐久性将试样制备成 200 cm200 cm 的正方形。依据 GB/T 16422.2 对聚丙烯和聚酯长丝土工织物进 行 氙 灯 老 化 测 试，其 中 连 续 光 照 辐 照 度 为0.51 Wm2（波长 340 nm）、黑板温度 65、喷淋周期为 102 min/18 min 喷淋、老化总时间为 500 h；依据 GB/T 17631对聚丙烯和聚酯长丝土工织物进行热氧老化测试，将试样放入 110 热烘箱中，间隔悬挂放置 14 d；依据 GB/T 17632 对聚丙烯和聚酯长丝土工织物进行酸碱老化测试，其中硫酸溶液浓度为 0.025 molL1、氢氧化钙碱溶液浓度为 2.5 gL1、酸碱液温度为 60，在土工织物在浸泡的过程中各织物间应保持 10 mm 以上的间距以防浸润不彻底，浸泡 72 h后先用三级水清洗，然后再用 0.01 molL1的碳酸钠溶液清洗，最后用三级水洗直至将织物上的酸碱残留洗干净。1.3.3拉伸性能采用电子万能材料试验机，按照 GB/T 15788测试获得材料的拉伸最大力，夹具间距离设置为100 cm、拉伸速率为 50 mmmin1。1.3.4表面形貌利用场发射扫描电子显微镜，观察试样纤维耐酸碱老化处理前后的表面形貌的变化。2结果与讨论2.1单位面积质量和抗老化母粒对长丝土工织物水利性能的影响土工织物的水利性能是其应用于水利工程中的关 键 参 数，渗 透 系 数 是 水 利 性 能 的 重 要 指 标 之一11。织物的厚度、单位面积质量、等效孔径等均会影响其渗透系数12-14。不同类型长丝土工织物性能如图 1 所示。从图 1 可见：随着单位面积质量增加，聚丙烯长丝土工织物（PP）的厚度增加，等效孔径降低了 29%，渗透系数降低了 51%；而对照组聚酯长丝土工织物（PET）的等效孔径和渗透系数，并未随单位面积质量的增加发生显著变化。表明，单位面积质量增加对聚丙烯长丝土工织物的水利性能产生了显著影响，且由此导致的等效孔径变化对织物渗透性能影响最大，而厚度的变化对渗透性能的影响次之。针对单位面积质量为 300 gm2的土工织物，加入抗老化母粒的聚丙烯长丝土工织物（PP-O2）的渗透系数和等效孔径均低于未加抗老化母粒的聚丙烯长丝土工织物（PP），这是由于加入抗老化母粒后影（a）厚度；（b）等效孔径（O90）；（c）渗透系数。（a）thickness；（b）characteristic opening size（O90）；（c）permeability coefficient.图 13种不同类型长丝土工织物性能Figure 1Properties of three different types of filament geotextiles庄亚芳等：聚丙烯长丝土工织物水利性能和耐久性研究酸钠由百灵威生产，试剂级。1.2仪器设备电子天平（ME204E），梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；数字式织物厚度仪 YG（B）141D，温州大荣纺织仪器有限公司；MHDS-15 土工水平垂直导水率试验机、酸碱老化箱，承德市明华检测仪器制造有限公司；等效孔径仪，英国 ENDECOFFS 公司；热烘箱，广州埃斯佩克环境仪器有限公司；氙灯老化箱，美国 Atlas公司；TCS-2000电子万能材料试验机，高铁科技股份有限公司；场发射扫描电子显微镜 S-4800，日本/日立公司。1.3性能测试及表征1.3.1水利性能依据 GB/T 15789，裁剪 5个直径为 50 mm 的圆形试样，对长丝土工织物进行垂直渗透系数的测试；依据 GB/T 17634，裁剪 5 个直径至少为 250 mm 的圆形试样，对试样进行湿法等效孔径测试。1.3.2耐久性将试样制备成 200 cm200 cm 的正方形。依据 GB/T 16422.2 对聚丙烯和聚酯长丝土工织物进 行 氙 灯 老 化 测 试，其 中 连 续 光 照 辐 照 度 为0.51 Wm2（波长 340 nm）、黑板温度 65、喷淋周期为 102 min/18 min 喷淋、老化总时间为 500 h；依据 GB/T 17631对聚丙烯和聚酯长丝土工织物进行热氧老化测试，将试样放入 110 热烘箱中，间隔悬挂放置 14 d；依据 GB/T 17632 对聚丙烯和聚酯长丝土工织物进行酸碱老化测试，其中硫酸溶液浓度为 0.025 molL1、氢氧化钙碱溶液浓度为 2.5 gL1、酸碱液温度为 60，在土工织物在浸泡的过程中各织物间应保持 10 mm 以上的间距以防浸润不彻底，浸泡 72 h后先用三级水清洗，然后再用 0.01 molL1的碳酸钠溶液清洗，最后用三级水洗直至将织物上的酸碱残留洗干净。1.3.3拉伸性能采用电子万能材料试验机，按照 GB/T 15788测试获得材料的拉伸最大力，夹具间距离设置为100 cm、拉伸速率为 50 mmmin1。1.3.4表面形貌利用场发射扫描电子显微镜，观察试样纤维耐酸碱老化处理前后的表面形貌的变化。2结果与讨论2.1单位面积质量和抗老化母粒对长丝土工织物水利性能的影响土工织物的水利性能是其应用于水利工程中的关 键 参 数，渗 透 系 数 是 水 利 性 能 的 重 要 指 标 之一11。织物的厚度、单位面积质量、等效孔径等均会影响其渗透系数12-14。不同类型长丝土工织物性能如图 1 所示。从图 1 可见：随着单位面积质量增加，聚丙烯长丝土工织物（PP）的厚度增加，等效孔径降低了 29%，渗透系数降低了 51%；而对照组聚酯长丝土工织物（PET）的等效孔径和渗透系数，并未随单位面积质量的增加发生显著变化。表明，单位面积质量增加对聚丙烯长丝土工织物的水利性能产生了显著影响，且由此导致的等效孔径变化对织物渗透性能影响最大，而厚度的变化对渗透性能的影响次之。针对单位面积质量为 300 gm2的土工织物，加入抗老化母粒的聚丙烯长丝土工织物（PP-O2）的渗透系数和等效孔径均低于未加抗老化母粒的聚丙烯长丝土工织物（PP），这是由于加入抗老化母粒后影（a）厚度；（b）等效孔径（O90）；（c）渗透系数。（a）thickness；（b）characteristic opening size（O90）；（c）permeability coefficient.图 13种不同类型长丝土工织物性能Figure 1Properties of three different types of filament geotextiles587材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期响了纺丝制备过程，使纺出的聚丙烯长丝直径变小，直径越小对应的土工织物等效孔径越小，其垂直渗透系数越低13；然而，对于单位面积质量 600 gm2的土工织物，PP-O2的渗透系数反而有所升高，这是因为 600 gm2的 PP-O2的土工织物厚度低于 PP 的厚度，对水的阻力作用小。2.2单位面积质量和抗老化