土工布的动态蠕变及疲劳性能.pdf

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1、堑塑兰塑苎三三鲞墨二塑 ：j ! ：I ! ! j 土工布的动态蠕变及疲劳性能 储才元张佑霞 ( 东华大学纺织学院，上海，2 0 0 0 5 1 ) 摘要：对机织土工市、针刺非织造土工布和针刺复台土工布的动态蠕变特性、疲劳寿命及其破坏机理进行研究分析土工市 的蠕变特性和疲劳寿命与其组成的纤维材料性能、组织结构和循环负荷条件密切相关。 关词：土工织物非织造布动态蠕变疲劳性能研究 中田洼分类号：T s1 7 6 5 B 在用土工织物( 简称土工布) 作为加筋、增强作 用的许多工程中，土工布受到持续的或间歇持续的 交变外力作用，当产生的动态蠕变变形达到一定程 度时还会产生疲劳破坏。所以，土工布的动态

2、蠕变 性能的研究与施工设计、工程质量有密切关系。 l 实验仪器与实验条件 土工布动态蠕变和疲劳试验在I n s n 1 3 4 1 电 液伺服疲劳试验机上，使土工布拉伸到某一设定的 平均负荷时开始进行一定负荷振幅的疲劳试验，即 土工布始终处于拉伸状态下的拉拉疲劳试验，选 用正弦波加载，交变负荷的频率；机织土工布为 1 z ，非织造土工布因其伸长较大，限于仪器频率响 应的限制选为0 5 H z 。试样隔距长度为1 0 0 m m 。 土工布的拉伸性能试验是在D C S 一5 0 0 岛津万能材 料试验机上进行的。 三种不同类型土工布试样的实测规格和拉伸性 能列于附表。 实验方案如下：1 ) 对机

3、织土工布，动态疲劳试验 的平均负荷分别设定为8 0 0 N 、7 0 0 N 、5 5 0 N 和 5 0 0 N 。负荷振幅均为5 0 N ；2 ) 对非织造土工布，动 态疲劳试验的平均负荷分别设定为2 5 5 N 、2 4 0 N 、 2 2 5 N 、2 1 0 N 、1 8 0 N 、1 5 0 N 和1 2 0 N 。负荷振幅均取 3 0 N 。3 ) 对复合土工布和复合前后的机织布，疲劳 试验的平均负荷均选为7 5 0 N ，负荷振幅为1 0 0 N ，频 率为O 5 I z 。 根据上述三组试验方案，分别在疲劳试验机上 附囊试样规格和拉伸性麓 获得两类指标：1 ) 以伸长振幅的中

4、点坐标作为相应 时刻( t ) 的蠕变伸长的形变一时问曲线，即动态蠕变 曲线；2 ) 疲劳试验中试样断裂时的疲劳次数一疲劳 寿命。我们规定：对机织布，疲劳次数达到1 2 0 0 0 次，对非织造布，疲劳次数达到6 0 0 0 次，试样仍未断 裂时就停止试验。上述各方案性能试验都是沿试样 的纵向进行。 2 实验结果与分析讨论 2 1 土工布的动态蠕变规律 根据三组试样的动态疲劳试验，可以获得各相 应的动态蠕变曲线。以平均负荷为5 5 0 N 的机织布 和1 2 0 N 的非织造布为例，其实验散点图分别示于 图1 、2 ，图中实线为其平均蠕变曲线。在相同实验 条件下，同种类试样的样品间的蠕变曲线有

5、较大的 离散，特别是 非织造土工 布。其他平均 负荷条件下的 动态蠕变睦线 也有同样的规 律：在交变负 荷开始时，蠕 变伸长增加很 快，以后逐渐 减慢。三种类 型土工布的蠕 试样名稀规格 经向拉伸强度经向断鬟伸长事t ) 后的蓑叠髻蠢；玉磊敖墨嫠舅笛赛器患望? 3 7 5 N 7 5 。n t 从复台土工布中剥膏非织造布 田1 机织土工布的动志壹曲嫂 ( 平均负荷为5 5 0 N ) J 。：j 。：= J = j 彤： 妒 时啕舟 圈2 非织造土工布的动志变曲线 ( 平均负荷为1 2 0 N ) 乎、* 单霉 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchas

6、e from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【3 4 】3 4 2 0 0 2 年2 月 变变形y 与时间t 间关系可能是下列函数类型之 一：即双啦线f 6 = 。+ 6 ，幂函数_ = n + 矿，倒指 数函数_ = n 一”，对数函数_ = n + 6 l n 等。通过 统计分析，可以得到以幂函数或对数函数形式都能 很好描述上述土工布的蠕变规律。且不同类型土工 布的蠕变曲线函数中的。，6 常数是不同的，并随着 平均负荷增加n 值也增大。 三种类型土工布的动态蠕变曲线均反映在负荷 初期蠕变变形增加迅速，这是粘弹性变形中的急弹 性变形和推迟

7、时间谱中短时间的缓弹性变形及部分 塑性变形占总变形的绝大部分，且初期的蠕变伸长 率随平均负荷增加而增大。复合土工布的蠕变特征 主要决定于机织布。在相同平均负荷百分率条件 下，非织造土工布比机织土工布容易产生更大的蠕 变变形。在以后的蠕变时间里，蠕变变形增加较缓 慢，但机织土工布的蠕变随时间增加的速率较非织 造土工布要高。对用于加固增强土木、水利工程的 土工布来说，太大的蠕变变形是不可取的。实测数 据表明：机织土工布比非织造土工布对工程有较高 的增强作用效果，提高工程设计时的安全系数，使土 工布所受的平均负荷较小，其动态蠕变伸长率也将 大大降低。机织土工布和非织造土工布的动态蠕变 伸长率与平均负

8、荷和作用时间( 疲劳次数) 间关系示 于图3 、4 。图中每一实验点是从各不同平均负荷的 动态蠕变曲线上取某一定疲劳次数时的蠕变伸长率 得到。两种类型土工布的动态蠕变伸长率与平均负 荷呈显著的直线相关。其线性相关系数均在0 9 9 以 E 。 骚 需要 平均负荷d 9 4 鼹 嚣7 6 ， 7 0 1 0 0 嶂端舻2 鳓 圈3 机织土工布圈非织造土工布 2 2 土工布的疲劳特性与破坏机理 在负荷振幅与频率一定条件下，土工布的疲劳 寿命随着平均负荷的增加而减小，符合一般的疲劳 破坏规律。实验中，当机织土工布在平均负荷为 5 0 0 N 和5 5 0 N 时，疲劳寿命太于1 2 0 0 0 ，但

9、在平均负 荷为6 0 0 N ，7 0 0 N 和8 0 0 N 时，1 2 次实验的平均疲劳 寿命分别为2 4 t 7 ，“7 和6 0 次。对非织造土工布也 有类似的规律，随着平均负荷增加，疲劳寿命降低。 实验表明：土工布疲劳寿命的离散性很大，机织布的 疲劳寿命达6 0 左右，而非织造布更高，当平均负 荷为2 5 5 N 时，实测的疲劳寿命高达1 2 8 。 土工布疲劳寿命另一个重要特征是：当土工布 试样达到疲劳破坏时，由动态蠕变得到的累积伸长 率非常接近试样拉伸试验所得到的断裂伸长率，且 与疲劳试验时的平均负荷关系不大，这一规律，对机 织土工布更为明显。 对经过规定次数疲劳试验后未断裂的

10、机织土工 布和非织造土工布的拉伸性能进行测试，疲劳后的 两种土工布的断裂强力和断裂伸长率均有较大的降 低，且疲劳试验的平均负荷越大，降低也越多。机织 土工布强力降低为1 6 7 2 3 3 ，非织造土工布 强力降低为1 4 1 1 9 9 。又对疲劳断裂后两 种土工布中的单纤维性能作测定，机织布中单纤维 的强力从原来的5 4 5 6 c N 下降为3 48 6 c N ，断裂伸 长率从原来的3 0 3 降低为2 3 2 ，非织造布中单 纤维的强力几乎没有变化，仅断裂伸长率有较显著 的降低。相应地，机织布中单纤维的双折射率由原 来的0 0 3 3 变为O 0 4 6 。非织造布中单纤维的双折 射

11、率几乎没有变化。方差检验表明，疲劳前后，机织 布中纤维性能的变化显著，非织造布的纤维性能变 化不大，仅承受了。机械处理”作用，在总变形中消除 了部分缓弹性和塑性变形，使断裂伸长率降低。实 验表明，由于机织布和非织造布的原料性状、组织结 构不同，其疲劳破坏机理也是不同的。机织布中长 丝纤维在疲劳过程中受到剧烈的反复交变负荷作 用，使纤维内部大分子取向，并产生分子链的断裂， 造成单纤维强力降低，机织布破坏是由单纤维疲劳 破坏而引起的。而非织造布疲劳过程中，单纤维的 受力较小，单纤维性能变化不显著。但在交变负荷 作用下，单纤维逐渐从缠结点中抽拔，引起纤维集合 体解体而导致非织造土工布疲劳破坏。由于疲

12、劳过 程中纤维间的相互滑移，其动态蠕变伸长率比机织 土工布要大得多。 在相同的疲劳试验条件下，复合土工布的疲劳 寿命( 1 7 2 0 次) 比原机织布( 2 3 1 7 次) 低，而经复合后 被分离的机织布( 9 8 4 次) 由于受到刺针的损伤，其 疲劳寿命更是大大降低。针刺前后的两种机织布的 疲劳寿命相差约一倍之多。其原因是由于它们原来 各自的断裂强度有较大的差异。同时，蒯针对机织 布中纤维的损伤，根据G r i m t h 的临界裂缝长度的 理论，刺针造成纤维的损伤裂痕将大大降低单纤维 的疲劳寿命，导致针刺复合土工布疲劳寿命的降低。 可以想见，这一情况对针刺编织复合土工布将更为 万方数

13、据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报第二十三卷第一期3 5 【3 5 】 机织格栅复合土工布的开发与性能 钱竞芳 ( 东华大学服装学院，上海，2 0 0 0 5 1 ) 摘要：设计和研制了一种机织涤纶格栅与针刺非织遣布复台的土工布，它钝保持非织造布良好的水力学性舱，又具有机织 布良好的强力和抗蠕变性能。 关词：复合土建织物机织聚酯格栅针刺非织造市聚醣长丝开发眭能 中圈法分类号：T s1 7 6 5 B 目前土工布的种类有：织造、非织造、复合型。 其中

14、，非织造布由于具有孔隙率高、孔隙分布复杂的 特点，因而具有良好的隔离、渗滤、导、排水性能，但 强度相对较低，断裂伸长率太，尺寸稳定性不好。而 机织布则强度高，断裂伸长率低，但孔径分布单一， 导、排水性能差，渗滤功能不强。为此笔者开发了一 种高强涤纤机织格栅与非织造布复合的土工布，使 其既具有良好的强力、抗蠕变性能，又具有良好的隔 离、渗滤、导排水性能，形成一种既能 加筋增强又能反滤、排水、隔离的新型 复合土工布。 l 方案设计 1 1 非织造布的选择 目前在土工布中，针刺涤纶非织 造布由于其良好的性能而得到广泛应 用，针刺涤纶短纤非织造布和针刺涤 纶长丝非织造布由于加工方法、工艺 条件、工艺参

15、数不同，产品在结构和性 能上有所不同。长丝非织造布强度较 高，直通孔径数量多、孔隙率大，且由 于生产设备投资高放售价较高。短丝非织造布强度 较低，成阿均匀，直通孔径少，孔隙分布更复杂，且由 于生产设备简单，投资少，售价低。鉴于复合士工布 中非织造布主要起隔离、渗滤、导排水作用，强力有 机织布或机织格栅承担，因此在本文中非织造布选 用针刺涤纶短纤非织造布，其单位面积重量为 1 5 0 9 i 1 2 。 1 2 机织格栅原料的选择 ， r，l J ， ，rr， lYjT ， l_ ， H I-。1 I_ -I _-I1-l I- _- - - - -J 附圈织造工艺圈 0 o o o o ) 0

16、 一， 加重。 3 结论 1 土工布的动态蠕变蓝线可以采用幂函数曲 线( 一= 一) 和对数曲线( y = 4 + 扰n f ) 表示。函数 中的常数。，6 值随土工布种类和平均负荷不同而 改变。 2 土工布的疲劳寿命随平均交变负荷的增加 而降低。当疲劳试验中土工布积累的蠕变伸长率达 到试样自身的断裂伸长率相近时，土工布开始疲劳 破坏，与平均负荷无关。 3 土工布的动态蠕变和疲劳寿命的离散性很 大，非织造土工布的结构不匀太，疲劳寿命的离敢也 更大。机织土工布疲劳破坏的主要机理是单纤维的 疲劳破坏，而非织造土工布的破坏机理是纤维集合 体由于纤维相互滑移，缠结点的逐步解体。 4 针刺复合土工布的断

17、裂强度，由于针刺对机 织布中的纤维损伤而比原机织布的强度要降低 1 0 以上。疲劳寿命也比原机织布降低2 5 8 。 考文t lW 。d ，JH ，n e C r 钟p d G t e 五k s ，P T o c 咧4 h ( 埘 o n G “口她1 9 9 0 2 汤宝润等土工布的蠕变挣睦研究纺氧学报1 9 9 3 ( 1 ) ：1 6 1 9 3 张佑曩土工布的动态蠕变及疲劳性瞻研究中国纺飒大学，硕士 学位论文。l 孵9 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark