鋼塑土工格柵拉伸強度測試中夾持方法的研究

戚晶磊

摘 要：本文針對目前鋼塑土工格柵測試中遇到的試樣難夾持、試樣易滑脫、試樣夾持段內(nèi)破壞、難得到極限強度等難題，通過對夾持的原理進行分析，結(jié)合檢測經(jīng)驗，提出兩種有效的檢測方法：纏繞夾具法和環(huán)氧樹脂法。并對兩種測試結(jié)果和理論極限拉伸強度進行統(tǒng)計分析，得出簡便易行且準確的鋼塑土工格柵測試的方法。

關(guān)鍵詞：鋼塑土工格柵;測試標準;夾持機理;纏繞夾具法;環(huán)氧樹脂法;極限拉伸強度

中圖分類號：TU41 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0158-03

1 概述

鋼塑土工格柵是土工格柵中的一種高強度產(chǎn)品，它是以高強鋼絲（或其它纖維），經(jīng)過特殊處理，并添加其它的助劑與聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）材料復(fù)合，通過擠出成為表面有粗糙壓紋的復(fù)合型高強抗拉條帶，即為鋼塑加筋土工帶。然后將鋼塑加筋土工帶的縱、橫向，按一定間距編織或夾合排列，采用特殊強化粘接的熔焊技術(shù)（超聲焊接技術(shù)），焊接其交接點成型，即為鋼塑土工格柵，見圖1、圖2。在鋼塑土工格柵縱向和橫向肋條協(xié)調(diào)作用下，在低應(yīng)變下能產(chǎn)生極高的拉伸模量，充分發(fā)揮了格柵對土體的嵌鎖作用。鋼塑土工格柵是現(xiàn)有剛性材料（扁鋼帶、帶肋鋼帶、鍍鋅鋼帶、不銹鋼鋼帶、鋼筋混凝土帶等）和柔筋材料（聚丙烯條帶、塑料土工格柵、經(jīng)編格柵等）的綜合性材料。

與傳統(tǒng)塑料土工格柵相比，鋼塑土工格柵具有以下優(yōu)點：

（1）鋼塑土工格柵的拉力由縱向、橫向編織的高強鋼絲承擔(dān)，鋼絲與外包裹層能協(xié)調(diào)作用，破壞伸長率低、強度高、變形小、蠕變小;

（2）鋼塑土工格柵耐腐蝕、壽命長;鋼塑土工格柵以聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）材料為保護層，再輔以各種助劑使其具有抗老化、抗氧化性能，可耐酸、堿、鹽等惡劣環(huán)境的腐蝕。因此，鋼塑土工格柵可以滿足各類永久性工程100年以上的使用需求，且性能優(yōu)，尺寸穩(wěn)定性好。

（3）通過生產(chǎn)過程中對塑料表面的處理，壓制有粗糙的花紋，以增強格柵表面的粗糙程度，提高鋼塑土工格柵與土體的摩擦系數(shù)。

（4）施工方便快捷、周期短、成本低;鋼塑土工格柵鋪設(shè)、搭接、定位容易且平整，避免了重疊交叉，可有效地縮短工程周期。

鋼塑土工格柵可廣泛地應(yīng)用于道路工程、鐵路工程、支擋結(jié)構(gòu)和堤壩工程、水利工程、隧道工程的加固與加強;它對抗車轍、防止路面的開裂等，都具有顯著的保障效果及良好的社會經(jīng)濟效益。

2 現(xiàn)行鋼塑土工格柵拉伸強度的測試方法

鋼塑土工格柵因其各項性能指標均高于現(xiàn)行國標GB/T 17689—2008《土工合成材料 塑料土工格柵》，同時其工作性狀并不等同于鋼塑土工加筋帶，目前并沒有針對性的產(chǎn)品標準和測試標準。

鋼塑土工格柵的拉伸強度和伸長率的測定一般參照GB/T 17689—2008《土工合成材料 塑料土工格柵》、SL 235-2012《土工合成材料測試規(guī)程 土工格柵拉伸試驗》以及JTG E50-2006《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程 條帶拉伸試驗》。但標準中未對鋼塑格柵的夾持方式進行有效說明，實際測試中易出現(xiàn)試樣難夾持、試樣易滑脫、試樣夾持段內(nèi)破壞、難得到極限拉伸強度等問題。鋼塑土工格柵的產(chǎn)品標準可以參照JT/T 517-2004《公路土工合成材料 土工加筋帶》，見表1。

3 常規(guī)拉力試驗機的夾具特性

拉力試驗機的夾具一般有平面摩擦型夾具和凹凸咬合型夾具。平面摩擦型夾具依靠夾具夾緊后的平面摩擦力對試樣進行固定，適用于剛度大或脆性的材料。試驗中如出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，需對夾持面進行增加摩擦力的處理，脆性材料在試驗中如出現(xiàn)夾持段內(nèi)破壞，需對夾持處增加襯墊進行保護。凹凸咬合型夾具的夾持力大，在拉伸過程中不易發(fā)生試樣從夾具中滑脫的現(xiàn)象，適用于柔性的高強材料。

鋼塑土工格柵強度很大，單肋強度可以達到30kN以上，對于鋼塑土工格柵這種強度很高且具有一定剛性的材料需要很高的夾持力。由于鋼塑土工格柵采用的是內(nèi)部鋼絲與外部包裹層（聚乙烯或聚丙烯）復(fù)合的特性，在測試過程中平面摩擦型夾具容易發(fā)生內(nèi)部鋼絲與外部包裹層出現(xiàn)滑脫的情況。咬合型夾具可以滿足夾持要求而不發(fā)生內(nèi)部鋼絲與外部包裹層的滑脫，但夾具的凹凸夾齒與條帶之間的咬合處承受很大的集中應(yīng)力，使得鋼絲未達到極限強度時，就在咬合處發(fā)生斷裂。

4 拉力試驗機的夾持機理

夾持的機理類似于鋼筋與混凝土的錨固原理，在試樣兩側(cè)施加一定的法向壓力，通過夾具與試樣間的摩擦力或咬合力固定試樣，當試樣受拉時，夾具下端試樣拉應(yīng)力最先達到最大值，然后逐漸沿夾持段往上逐漸減小，試樣應(yīng)力分布如圖3所示：

5 改進型測試方法

如果要測得試樣的極限拉伸強度，就需要保證試樣內(nèi)部鋼絲與外部包裹層不出現(xiàn)滑動的同時，不削弱試樣自身的強度，也就是必須使試樣在夾持影響段外斷裂。由于平面摩擦型夾具在夾持拉伸過程中試樣內(nèi)部鋼絲與外部包裹層會出現(xiàn)滑動，而凹凸咬合型夾具易在試樣與夾齒咬合處產(chǎn)生應(yīng)力集中，很大程度上削弱了材料的拉伸強度，所以需要尋找一種更合理的夾持方式。

根據(jù)夾具夾持原理，只要能使夾具夾持末端試樣應(yīng)力達到σmax（試樣極限拉伸強度），夾持段內(nèi)應(yīng)力均小于σmax，試樣就不會在夾持段內(nèi)破壞。要使試樣能夠達到極限拉伸強度σmax，可以通過：①增加夾持面長度;②增加試樣內(nèi)部鋼絲與夾持面之間的摩擦力，避免只夾持試樣外部包裹層而造成內(nèi)部鋼絲的滑脫。我們經(jīng)過多次的嘗試和分析對比，總結(jié)兩種有效的處理方法：①纏繞夾具法;②環(huán)氧樹脂法。

5.1纏繞夾具法

纏繞夾具法的基本原理類似于延長夾具，將鋼塑土工格柵垂直于受拉肋條方向的焊接肋條，小心地剝離，盡量保證受拉肋條表層的完整，然后將肋條兩端分別在特制的夾具上，按一定方式纏繞固定。通過肋條與肋條之間、肋條與支承軸之間的摩擦力，以及肋條末端產(chǎn)生的自鎖，將試樣錨固。試樣纏繞之后，摩擦面大大增加，同時通過一定的纏繞方式，試樣末端可以形成自鎖，極大地增加了錨固力。這樣處理之后，夾持力得到了很大的提高，同時夾持段內(nèi)應(yīng)力分布較為均勻，很大程度上減小了應(yīng)力集中，避免了格柵未達到極限峰值力時就在夾持段內(nèi)斷裂，見圖3。

5.2環(huán)氧樹脂法

環(huán)氧樹脂法是通過第二種方式即增加試樣內(nèi)部鋼絲與夾持面之間的摩擦力，避免只夾持試樣外部包裹層而造成的滑脫。方法是將肋條兩端靠中間一定長度內(nèi)的表面剝離，保持鋼絲原有排列。然后將鋼絲置入特制模具內(nèi)，倒入按一定比例配好的環(huán)氧樹脂，放置一段時間，讓其與鋼絲粘結(jié)固化。最后用平面摩擦型夾具夾持住肋條兩端環(huán)氧樹脂段，拉伸至破壞。這種方法是用摩擦系數(shù)較大且具有一定柔度的環(huán)氧樹脂替換掉原有摩擦系數(shù)較小的外部包裹層。由于環(huán)氧樹脂本身固化過程中，與鋼絲表面產(chǎn)生的化學(xué)粘結(jié)力，同時產(chǎn)生較大的握裹力，也一定程度增加了環(huán)氧樹脂與鋼絲之間的摩擦力，從而避免拉伸過程中鋼絲與環(huán)氧樹脂發(fā)生滑脫。

6改進型測試方法的測試結(jié)果

由于在實際的使用過程中以及測試過程中鋼塑土工格柵內(nèi)的鋼絲束不可能同時拉斷，所以實際測得的鋼塑土工格柵單肋的強度要小于每根鋼絲斷裂強度的總和（理論強度值）?，F(xiàn)選取單肋強度為7kN、12kN、30kN三種不同規(guī)格的鋼塑土工格柵，每一種規(guī)格取五條單肋，每條單肋分為3段，分別測量單絲強度、纏繞夾具法單肋強度、環(huán)氧樹脂法單肋強度。將鋼塑土工格柵單肋鋼絲的平均強度和兩種不同處理方法所測得單肋強度比較，見表2。

7結(jié)語

由以上數(shù)據(jù)對比表可以得出以下結(jié)論：

（1）對于各種規(guī)格的鋼塑土工格柵，纏繞夾具法和環(huán)氧樹脂法均能達到理論值的90%以上，尤其是對于單肋強度低的規(guī)格均接近95%。

（2）兩種方法測得的斷裂伸長率均比單根鋼絲的斷裂伸長率略大。

（3）對于規(guī)格為7kN和規(guī)格為12kN的鋼塑土工格柵，兩種測試方法所得結(jié)果較為接近，但規(guī)格為30kN的鋼塑土工格柵，環(huán)氧樹脂法測試結(jié)果更好，纏繞夾具法測試結(jié)果與理論值相差較遠。

由試驗證明，纏繞夾具法和環(huán)氧樹脂法在鋼塑土工格柵拉伸強度測試中均能在保證試樣內(nèi)部鋼絲與外部包裹層不出現(xiàn)滑動的同時，不削弱試樣自身的強度，準確測得極限拉伸強度值?？紤]到環(huán)氧樹脂法需要等待環(huán)氧樹脂固化，測試周期比較長，而纏繞夾具法測試操作簡便且效率高，因此在測試強度較低的鋼塑土工格柵時可以優(yōu)先采用纏繞夾具法，測試強度較高的鋼塑土工格柵時可以采用環(huán)氧樹脂法。

參考文獻：

[1] GB/T 17689—2008，《土工合成材料 塑料土工格柵》[S].

[2] SL 235-2012，《土工合成材料測試規(guī)程 土工格柵拉伸試驗》[S].

[3] JTG E50-2006，《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程 條帶拉伸試驗》[S].

[4] JT/T 517-2004，《公路土工合成材料 土工加筋帶》[S].