Применение метода ступенчатых изотерм для прогнозирования ползучести экструдированной полипропиленовой армирующей георешетки, используемой в строительстве



В данной работе проведены исследования ползучести экструдированный полипропиленовой георешетки, используемой в строительстве. Кривые ползучести были получены при трех различных режимах испытаний. На основе полученных данных продемонстрирована возможность прогнозирования ползучести подобных структур на гораздо более длительные времена по сравнению со временем проведения экспериментальных измерений.

Ключевые слова: метод ступенчатых изотерм; геосинтетические материалы; георешетка, ползучесть, временно-температурная аналогия

1. Введение

В настоящее время в строительстве находят широкое применение различные полимерные и композиционные материалы. Особое внимание уделяется применению геосинтетических материалов, таких как геотекстиль, георешетки, геосетки и др., используемых в различных областях строительства для возведения автомобильных и железных дорог, укрепления склонов, усиления слабых оснований, устройства подпорных стенок, укрепления от размывания русел рек, берегов водоемов, прудов. Геосинтетические материалы выполняют различные функции, включающие армирование, фильтрацию, разделение, дренирование и др. Особый интерес представляет использование геосинтетических материалов, таких как георешетки, в армирующей функции.

При выполнении прочностных расчетов конструкций с применением геосинтетических материалов принято считать, что механические свойства не зависят от фактора времени, т. е. сохраняют свою прочность и жесткость постоянной в течение длительного периода времени. Однако это не совсем верно, поскольку подавляющее большинство геосинтетических материалов изготавливается из натуральных или синтетических полимеров, обладающих ярко выраженными вязкоупругими свойствами. Данное обстоятельство затрудняет оценку долговременной прочности конструкций с применением геосинтетических материалов. Одной из основных проблем является их ползучесть, т. е. медленное увеличение деформации с течением времени. Для определения этой характеристики традиционно используются методы испытаний с постоянно приложенной нагрузкой, однако они весьма трудоемки, поскольку требуют больших временных затрат. Современные строительные конструкции проектируются на достаточно большие сроки службы, в некоторых случаях до 100 лет и более. Соответственно, требуется обеспечить прогнозирование их деформационного поведения на планируемый расчетный срок службы. При использовании обычных методов испытаний на ползучесть данные измерений можно экстраполировать не более чем на один порядок, т. е. для того чтобы обеспечить прогноз на 100 лет, необходимо провести испытания на ползучесть в обычных условиях в течение 10 лет. Проведение экспериментов такой длительности является весьма проблематичным. В таком случае альтернативой могут выступать ускоренные методы испытаний, которые проводятся при повышенных температурах и могут использоваться для прогнозирования ползучести на длительные времена. Использование ускоренных методов уменьшает время, которое требуется для проявления ползучести и получения соответствующих данных.

2. Обзор литературы

Метод температурного ускорения процесса ползучести или метод ступенчатых изотерм основан на принципе температурно-временной суперпозиции полимеров и может быть использован для прогнозирования деформационного поведения материалов во времени. Сущность метода заключается в измерении ползучести геосинтетического материала при одном уровне заданной растягивающей нагрузки, но при различных температурах с интервалом, не превышающем, как правило, 10 ⁰С для получения единой обобщенной кривой [1–2].Кривые ползучести получаются по традиционным методам измерений, только дополнительно применяется камера искусственного климата, способная поддерживать постоянную температуру в заданном диапазоне.

В работах [3–6] были проведены ускоренные испытания различных геосинтетических материалов на ползучесть с помощью метода ступенчатых изотерм. Было показано, что основываясь на принципе температурно-временной аналогии данный метод может быть представлен как эксперименты по кратковременному измерению ползучести с пошагово увеличиваемой температурой. Общая продолжительность экспериментов составляла не более 24 часов для всех температурных шагов. При последующей перестройке шкалы времени и сдвиге кривых получается одна обобщенная кривая, позволяющая прогнозировать деформационное поведение материалов на срок до 100 лет.

В работе [7] были проведены испытания на ползучесть до 10000 часов при нормальной температуре методом ступенчатых изотерм для пяти различных типов полиэфирных георешеток с различной прочностью от 100 до 400 кН/м. Результаты показали, что необходимо использовать как минимум 6–8 температурных шагов, чтобы прогнозировать поведение ползучести на срок более 75 лет.

В работах [8–9] проводились аналогичные испытания на ползучесть георешеток из полиэтилена низкого давления и полиэфира. В процессе проведения экспериментов варьировалось 3 основных параметра: температурный шаг, время выдерживания под нагрузкой и уровень приложенной нагрузки. Оптимальными являлись шаги по температуре в 7 ⁰С и времени в 10⁴ с. Было показано, что полиэфирные образцы проявляют меньшую ползучесть по сравнению с полиэтиленовыми образцами.

В работах [10–11] была продемонстрирована возможность применения метода ступенчатых изотерм для прогнозирования ползучести тканых полиэфирных и нетканых полипропиленовых полотен. Кроме того, как было показано в [12–14], метод ступенчатых изотерм может быть с успехом применен для прогнозирования ползучести высокомодульных арамидных нитей, которые хоть и редко, из-за высокой стоимости, но все же находят свое применение для изготовления геосинтетических материалов. Некоторые виды геосинтетических материалов, например, дренажные или фильтрующие, могут испытывать ползучесть при сжатии на протяжении своего расчетного срока службы. Работы [15–20] посвящены исследованию применения метода ступенчатых изотерм для прогнозирования долговременной ползучести при сжатии подобных георешетке полимерных структур.

3. Постановка цели и задач работы

Цель работы состоит в исследовании деформационного поведения при ползучести и разработке ускоренного метода испытаний на ползучесть экструдированной полипропиленовой георешетки.

Задачи:

‒ Определение кратковременной прочности исследуемой георешетки;

‒ Проведение измерений ползучести при различных задаваемых температурных шагах;

‒ Определение оптимальных параметров используемого метода.

4. Экспериментальная часть

Определение кратковременных механических характеристик при растяжении

В качестве объекта исследования была выбрана экструдированная полипропиленовая георешетка с прочностью при растяжении в 40 кН/м в двух направлениях, используемая в качестве армирующего материала для крупнофракционных строительных материалов.

Для проведения исследований использовалась испытательная установка Instron-5965, позволяющая проводить испытания в различных режимах нагружения с максимальной нагрузкой до 5 кН, а также при пониженных или повышенных температурах от -70 ⁰С до 350 ⁰С.

При расчёте напряжений, возникающих в более сложных структурах, которые не являются сплошными средами, например, таких как полотна, решетки, сетки и др., при приложении внешней нагрузки, целесообразнее применять в расчётах не напряжение, а удельную нагрузку, имеющим единицу измерения кH/м, то есть отношение усилия к погонной ширине образца.

,(1)

где F_{max —} максимальная нагрузка полотна, кН; Ш — погонная ширина образца, м.

Деформация материала определяется увеличением (при растяжении) или уменьшением (при сжатии) длины образца по отношению к первоначальной длине

, (2)

где Δl — приращение длины образца, мм;

l₀ — начальная длина образца, мм.

Рис. 1. Испытательная установка Instron 5965

Испытание по методу ступенчатых изотерм

В методе ступенчатых изотерм испытание производится на одиночном образце, который закрепляется в зажимах, установленных внутри камеры искусственного климата. При испытании образца задается необходимая постоянная нагрузка, рассчитанная в процентах от прочности при растяжении по формуле (1). Данная нагрузка, как правило, является кратной 10, 20, 30, 40 и 50 % от прочности при растяжении. Образец выдерживается при начальной установленной температуре в течение заданного периода времени t₁, как правило, составляющим максимально несколько часов. После этого температура увеличивается на одну ступень, и образец выдерживается при второй температуре в течение установленного периода времени t₂. Пошаговые интервалы увеличения температуры составляют, как правило, 6–15 ⁰С. Далее указанные шаги измерений повторяются определенное количество раз, которое зависит от расчетного срока службы, необходимого прогнозирования ползучести материала. Максимальная температура испытаний составляет, как правило, 60 ⁰С — 70 ⁰С для полиолефинов.

В данной работе были проведены исследования при трех различных режимах испытаний. В качестве варьируемого параметра был выбран шаг измерения температуры. Испытания проводились при трех шагах в 6, 10 и 14 ⁰С (рисунок 2).

Рис. 2. Режимы проведения испытаний

На рисунке 3а представлена кривая ползучести в диапазоне температур от 20 до 80 ⁰С с шагом 10 ⁰С, полученная по методу ступенчатых изотерм, для образца полипропиленовой георешетки. Продолжительность измерений на каждом шаге составляла 1800 с, уровень нагрузки составлял 10 % от прочности при растяжении для всех режимов испытаний. Затем кривая ползучести была разбита на отдельные участки, каждый из которых соответствует определенному температурному шагу. После этого все участки кривой ползучести были перестроены в модуль ползучести со сдвигом на соответствующее время от начала измерений для каждого шага t^’(n-1), где n — номер температурной ступени (рисунок 3б). Модуль ползучести определялся по формуле

,(3)

где Т_i — нагрузка на единицу ширины при ползучести, ε(t) — удлинение при определенном времени.

Далее все участки кривой ползучести, измеренной при каждом уровне температуры, были поочередно сдвинуты, начиная со второй кривой, до совпадения и частичного перекрытия предыдущей кривой для получения единой обобщенной кривой. Полученные кривые модуля ползучести для разных температур построены на одном графике в полулогарифмической системе координат. По горизонтальной оси отложено время в полулогарифмической системе координат, а по вертикальной оси о модуль ползучести при различных температурных шагах (рисунок 3в). На заключительном этапе обработке полученных данных обобщенная кривая модуля ползучести была обратно перестроена в прогнозируемую обобщенную кривую ползучести (рисунок 3г).

а	б
в	г

Рис. 3. Метод ступенчатых изотерм: а — кривая ползучести; б — модуль ползучести в полулогарифмической системе координат; в — сдвинутые кривые модуля ползучести; г — прогнозируемая кривая ползучести

Такой порядок был проделан для двух других режимов испытаний при температурных шагах в 6 и 14 ⁰С. Итоговые кривые ползучести, полученные при трех различных шагах в 6, 10 и 14 ⁰С, представлены на рисунке 4. Полученные данные показывают, что при температурных шагах в 6 и 14 ⁰С показывают достаточно схожее деформационное поведение под нагрузкой. Однако в отличие от кривой, полученной при заданном шаге в 10 ⁰С, накопленная деформация к длительным прогнозируемым временам является гораздо меньшей.

Рис. 4. Прогнозируемая ползучесть при трех различных режимах испытаний

5. Заключение

Проведена апробация метода ступенчатых изотерм для прогнозирования ползучести экструдированный полипропиленовой георешетки. Проведены измерения ползучести при постоянной заданной нагрузке при трех различных температурных интервалах. Результаты обработки экспериментальных данных показали, что кривые ползучести при температурных шагах в 6 и 14 ⁰С показывают достаточно схожее деформационное поведение под нагрузкой в отличие от кривой, полученной при заданном шаге в 10 ⁰С, накопленная деформация к длительным прогнозируемым временам является гораздо меньшей.

Литература:

1. Voskamp W., Greenwood J. H., Schroeder H. F. Durability of Geosynthetics Publication 243 // The Netherland. 2012. 189–192 p.
2. GRI Test method GS 10. Accelerated Tensile Creep and Creep-Rupture of Geosynthetic Materials Based on Time-Temperature Superposition Using the Stepped Isothermal Method. 2000. 15 p.
3. Achereiner F., Engelsing K., Bastian M. & Heidemeyer P. Accelerated creep testing of polymers using the stepped isothermal method Polymer Testing // 2013.
4. Jones, C. J. F.P. & Clarke, D. 2007, «The residual strength of geosynthetic reinforcement subjected to accelerated creep testing and simulated seismic events», Geotextiles and Geomembranes, vol. 25, no. 3, pp. 155–169.
5. Kongkitkul, W. & Tatsuoka, F. 2007, «A theoretical framework to analyse the behaviour of polymer geosynthetic reinforcement in temperature-accelerated creep tests», Geosynthetics International, vol. 14, no. 1, pp. 23–38.
6. Thomas, R. & Nelson, J. 2013, «The use of the stepped isothermal method for estimating the long-term creep strain and creep rupture strength of polypropylene resins used in civil engineering applications», Society of Plastics Engineers — 2013 SPE International Polyolefins Conference.
7. Hsiehl, C.W., Lee, K., Yoo, H.K. & Jeon, H. 2008, «Tensile creep behavior of polyester geogrids by conventional and accelerated test methods», Fibers and Polymers, vol. 9, no. 4, pp. 476–480.
8. Yeo, S.-. & Hsuan, Y.G. 2009, «Predicting the creep behavior of high density polyethylene geogrid using stepped isothermal method», Service Life Prediction of Polymeric Materials: Global Perspectives, pp. 205.
9. Yeo, S.-. & Hsuan, Y.G. 2010, «Evaluation of creep behavior of high density polyethylene and polyethylene-terephthalate geogrids», Geotextiles and Geomembranes, vol. 28, no. 5, pp. 409–421.
10. Zornberg, J.G., Byler, B.R. & Knudsen, J.W. 2004, «Creep of geotextiles using time-temperature superposition methods», Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 130, no. 11, pp. 1158–1168.
11. Bueno, B.S., Costanzi, M.A. & Zornberg, J.G. 2005, «Conventional and accelerated creep tests on nonwoven needle-punched geotextiles», Geosynthetics International, vol. 12, no. 6, pp. 276–287.
12. Alwis, K. G. N.C. & Burgoyne, C.J. 2008, «Accelerated creep testing for aramid fibres using the stepped isothermal method», Journal of Materials Science, vol. 43, no. 14, pp. 4789–4800.
13. Giannopoulos, I.P. & Burgoyne, C.J. 2012, «Accelerated and real-time creep and creep-rupture results for aramid fibers», Journal of Applied Polymer Science, vol. 125, no. 5, pp. 3856–3870.
14. Giannopoulos, I.P. & Burgoyne, C.J. 2011, «Prediction of the long-term behaviour of high modulus fibres using the stepped isostress method (SSM)", Journal of Materials Science, vol. 46, no. 24, pp. 7660–7671.
15. Hsuan, Y.G., Yeo, S.-. & Koerner, R.M. 2005, «Compression creep behavior of Geofoam Using the Stepped Isothermal Method», Geosynthetics Research and Development in Progress.
16. Hsuan, Y.G., Yeo, S.-. & Koerner, R.M. 2005, «Compression creep behavior of geofoam using the stepped isothermal method», Geotechnical Special Publication, pp. 3987.
17. Bozorg-Haddad, A. & Iskander, M. 2011, «Comparison of accelerated compressive creep behavior of virgin HDPE using thermal and energy approaches», Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 20, no. 7, pp. 1219–1229.
18. Bozorg-Haddad, A. & Iskander, M. 2011, «Predicting compressive creep behavior of virgin HDPE using thermal acceleration», Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 23, no. 8, pp. 1154–1162.
19. Mok, M.S., Blond, E., Mylnarek, J. & Jeon, H.Y. 2012, «A new approach to evaluate the long-term designing normal pressure of geonets using a short-term accelerated compressive creep test method», Geotextiles and Geomembranes, vol. 30, pp. 2–7.
20. Yeo, S.-. & Hsuan, Y.G. 2009, «Effects of temperature and stress on the short and long-term compressive behavior of expanded polystyrene», Geosynthetics International, vol. 16, no. 5, pp. 374–383.