Результаты экспериментов на растяжение

АННОТАЦИЯ

Предмет исследования: Образцы геомембран из полиэтилена (ПЭ) и поливинилхлорида (ПВХ), используемых для устройства противофильтрационных элементов.

Цели: Определение физико-механические свойства образцов полимерных геомембран из полиэтилена (ПЭ) и поливинилхлорида (ПВХ) – прочность на растяжение, модуль линейной деформации, коэффициент Пуассона.

Материалы и методы: Для проведения экспериментальных исследований использовалась методика, установленной ГОСТ Р 53226- 2008. Для испытания образцов полимерных геомембран использовалась современная разрывная машина, обладающая системой фиксации результатов экспериментов в реальном времени. По полученным значениям были вычислены необходимые нам параметры деформируемости и прочности материалов геомембран.

Результаты: Эксперименты выявили значительную растяжимость полимерных материалов, которая затрудняет достижения разрыва образца. Это потребовало уменьшения размеров образцов. Большую неточность в определение физико-механических свойств вносит значительное искажение формы образца в момент разрыва. По результатам испытаний и приближённых вычислений прочность образца из ПЭ на растяжение составила 15÷22 МПа, в то время как у образца из ПВХ – около 28 МПа. Модуль деформации образцов является переменным, он уменьшается по мере роста напряжений. Модуль деформации ПЭ уменьшился с 2,1 ГПа до 150 МПа, а ПВХ – с 350 до  30 МПа.

Выводы: Таким образом, в условиях одноосного растяжения геомембраны из ПВХ являются более прочными и менее деформируемыми, чем геомембраны из ПЭ.

ВВЕДЕНИЕ

Геосинтетические изделия используются в гидротехническом строительстве около 50 лет [1,2]. В основном они применяются для борьбы с фильтрацией. Для гидроизоляции каналов и плотин используются полимерные геомембраны, выполненные из пластиката поливинилхлорида (ПВХ) или из полиэтилена (ПЭ).

Имеется ряд примеров использования полимерных геомембран и плёнок для устройства противофильтрационного элемента высоких грунтовых плотин. В этом случае полимерная геомембрана вынуждена воспринимать высокое давление. Условия работы противофильтрационного элемента из полимерной геомембраны осложняются высокими деформациями, присущими грунтовым плотинам. Соответственно, возникает потенциальная опасность разрыва геомембраны. Чтобы проектировать надёжные противофильтрационные устройства грунтовых плотин, необходимо знать их физико- механические свойства, характеризующие прочность и деформативную способность.

Несмотря на широкое применение полимерных геомембран в строительстве, их физико-механические свойства изучены недостаточно хорошо. Хорошо известно, что полимерные материалы способы к значительному удлинению без разрыва и имеют высокую прочность на растяжение. Однако конкретные значения показателей прочности и деформативной способности полимерных изделий остаются не известными. Производители геомембран в паспортах изделий указывают параметры, использование которых затруднительно. В качестве показателя прочности геомембраны используют предельное значение растягивающей силы, соответствующее разрыву геомембраны. Через данный показатель невозможно определить значение прочности материала на растяжение, т.к. неизвестна площадь поперечного сечения полимерной ленты при разрыве. Деформативную способность геомембраны характеризуют через относительное удлинение при разрыве.

Поэтому актуальным вопросом является исследование физико- механических свойств материалов геомембран, характеризующих их прочность и деформативную способность.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Нами был осуществлён поиск научно-технической информации об экспериментальных исследованиях физико-механических свойств полимерных геомембран. Был выявлен недостаток информации об их прочности и деформируемости. Результаты испытаний геомембран публикуются редко. Примерами могут служить [3-7].

Обзор выявил, что существует несколько способов испытаний образцов полимерных изделий.

Первый  способ  является  нормативным,  он  установлен  в  ГОСТ Р 53226-2008 «Полотна нетканые. Методы определения прочности». Этот способ предусматривает растяжение образца шириной 50 мм и рабочей длиной 100 мм в разрывной машине. Одним из важных недостатков этого способа является несоответствие условиям работы геомембраны в реальном сооружении. Узкий образец подвергается одноосному растяжению, имея возможность удлинения в продольном и укорачиванию (сужению) в поперечных направлениях.

Второй способ – «BurstTest» предусматривает растяжение геомембраны по двум осям за счёт её «надувания» боковым давлением [4-6]. Одним из недостатков данного способа является сложность фиксации величин напряжений и деформаций.

Третий способ (метод двухосного растяжения) заключается в растяжении квадратного образца геомембраны по двум осям с помощью специализированного оборудования [7].

Обзор показывает, что понятие прочности на растяжение для полимерных геомембран является довольно условным. Более правильно говорить о предельных растягивающих напряжениях, после достижения которых полимер начинается интенсивно удлиняться, но не разрушается. Однако для упрощения будем называть их прочностью.

По результатам предыдущих наших исследований [6], проведённых методом «надувания» было определено, что прочность на растяжения для геомембран из ПЭ составляет примерно 18 МПа, а из ПВХ – 7 МПа.

Китайские исследователи, проводившие испытания методом двухосного растяжения, получили для геомембран из ПВХ прочность равной 4÷6 МПа, а для геомембран из ПЭ – 10÷20 МПа [7].

Нами были выполнены экспериментальные исследования нескольких образцов геомембран из ПЭ и ПВХ по способу, установленному в ГОСТ, и произведено сравнение результатов с результатами, полученными другими авторами и/или другими методами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для проведения экспериментов использовалась современная разрывная машина, установленная в МИСиС. Образец подвергался растягивающему усилию, возрастающему с постоянной скоростью. Она позволяет осуществляет записывать данные о результатах экспериментов в реальном времени. Однако эти данные не полные – фиксируется лишь растягивающая сила и удлинение образца. Поэтому производились дополнительные замеры геометрии образца с помощью микрометра.

Испытывались 3 образца геомембраны из ПЭ толщиной 1 мм, один образец из ПЭ толщиной 3 мм и 2 образца геомембраны из ПВХ толщиной 3,75 мм. Часть из образцов (4) были стандартными, а часть – укороченными.

Испытания двух стандартных образцов геомембраны из ПЭ показали, что максимальное значение растягивающего усилия составляет около 1080 Н (рис.1). При этом удлинение составляет примерно 18÷19%. После достижения этих значений образце сильно удлиняется без разрыва. Даже при удлинении более 500% разрыва достичь не удалось. Поэтому был испытан образец с рабочей длиной   50 мм.

Рис. 1. Результаты испытаний образцов геомембран на одноосное растяжение

Испытания образцов геомембраны из ПВХ оказались более трудными, т.к. ПВХ более податливый материал. Кроме того, происходит «выскальзывание» образца из-под зажимов. Образец стандартной длины (100 мм) удлинился на 250% при усилии 2600 Н (рис. 1). Примерно также деформировался  образец  меньшей  длины  (50 мм). Был зафиксирован разрыв образца.

По полученным данным были вычислены параметры прочности и деформируемости образцов. Сложность вычислений заключается в том, что растянутый образец очень сильно изменяет свою форму, поэтому значения могут быть определены только приближённо.

Вычисления показали, что прочность геомембраны из ПЭ толщиной 1 мм составляет примерно 22 МПа, а толщиной 3 мм – примерно 15 МПа. Эти значения примерно соответствуют полученным ранее в [6,7].

У ПВХ геомембраны изменение геометрических размеров происходило более интенсивно. Форма образца приобретает серпообразный вид. Замеры показали, что в месте разрыва ширина ленты уменьшилась с 50 мм до 33 мм, а толщина – с 3,75 мм до 2,78 мм. Таким образом, площадь поперечного сечения образца уменьшилась с 187 мм2 до 92 мм2. Приближённые вычисления показывают, что прочность геомембраны из ПВХ составляет примерно 29 МПа. Это значительно выше, чем при испытаниях другими методами [6,7].

Значения секущего модуля линейной деформации геомембран определялись для нескольких точек графика. Было выявлено, что по мере нагружения происходит значительное уменьшение модуля линейной деформации полимеров. Особенно интенсивно снижение модуля характерно для ПЭ. Секущий модуль линейной деформации образцов из ПЭ в процессе эксперимента снизился с 2100 МПа до 156 МПа. Секущий модуль линейной деформации образцов из ПВХ в процессе эксперимента снизился с 350 МПа до 32 МПа.

ВЫВОДЫ

По результатам экспериментов в условиях одноосного растяжения ПВХ является более предпочтительным материалом для противофильтрационных устройств грунтовых плотин. Прочность на растяжение образца из ПЭ оказалась ниже, чем у образца из ПВХ. При этом модуль линейной деформации образца из ПЭ почти в 5 раз больше, чем образца из ПВХ.

Однако следует отметить, что результаты испытания геомембран из ПЭ, проведённых разными методами, отличаются мало. В то время, как испытания геомембран из ПВХ при одноосном растяжении дают сильно завышенные результаты по прочности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

• Глаговский В.Б., Сольский С.В., Лопатина М.Г., Дубровская Н.В., Орлова Н.Л. Геосинтетические материалы в гидротехническом строительстве // Гидротехническое строительство. 2014. №9. С.23-27.
• Зверев А.О., Саинов М.П. Противофильтрационные элементы грунтовых плотин из геосинтетических материалов // Инновации и инвестиции. 2018. №1. С.202-210.
• Пастушков В.Г., Янковский Л.В. Проектирование дорожной одежды над подземным сооружением торгового центра // Интернет- журнал «Науковедение». 2013. №5.
• Lafleur, J., and Marcotte, M. Selection criteria for the use of geomembranes in dams and dikes in northern climate. International Conference on geomembranes. 1984. Denver. 415–419.
• Steffen, H. Report on two dimensional strain stress behaviour of geomembranes with and without friction. International Conference on geomembranes. 1984. Denver. 181–185.
• Зверев А.О., Саинов М.П., Лукичев Р.В. Результаты экспериментального исследования полимерных геомембран на двухосное растяжение // Вестник Евразийской науки. 2018. Том 10. №4
• Wu, H., Shu, Y., Jiang, X., Ren, Z. Biaxial tensile mechanical property of geomembrane used as high membrane faced rockfill dam: key technology of high membrane faced rockfill dam (III). Advances in Science and Technology of Water Resources. 2015. No.35(1). 16-22.