专利名称：水下土工布寿命的预测方法
技术领域：
本发明涉及一种土工布寿命的预测方法。特别涉及一种水下土工布寿命的预测方法。
背景技术：
土工合成材料广泛应用在建筑、交通、水利等方面，它的原料大都是高分子材料。在大气环境中受阳光、温度、水汽等因素的影响，随着使用时间的增加，土工合成材料将会产生降解现象，反映到宏观方面，表现为物理机械性能的衰变，如强度降低，从而丧失或部分丧失其使用功能，这一过程称之为土工合成材料的老化。在80年代以前，大多数的土工材料在工程中只扮演小角色，例如，在植被自然加固筑堤以前用作暂时的加固层、地基中土壤和混凝土的隔离层等等。在这些使用场合中，土工合成材料在一定的使用时间内能否保持一定的机械性能并不重要，因此这方面的研究也不受重视。随着土工合成材料越来越多地用作一些结构物(如公路、铁轨、土木工事、河堤)的增强介质，在其设定的使用寿命里，能否保持一定的机械性能对整个工事的稳定性将产生决定性影响。所以有关土工合成材料的老化问题就显得日趋重要，特别是如何准确地预测土工合成材料的使用寿命，这已成为目前的研究热点之一。
聚丙烯材料由于其本身的结构状态和特性，其抗生物老化、化学降解和水解性能非�：茫惴河τ糜诮降乐卫砉こ讨�。但是聚丙烯抗光氧和热氧老化却比较差，特别是抗光氧老化，这就需要采用合理的方法加以改进。.常用的防老化方法有两种，一种是添加防老化剂改进成型加工和后处理工艺，第二种是物理防护。前一种方法是从影响材料老化的内因着手，通过改进成型工艺和后处理方法，如优化聚合工艺、原料预处理、定向、改性等尽量减少高聚物中的老化弱点，从而改善土工合成材料的防老化性能。第二种方法，即物理防护由于高聚物的老化首先是从它的表面开始而逐渐往内部深入的，因此可以通过在材料表面涂漆、镀金属、涂布等物理防护方法，使材料表面附上一层防护层，从而延缓老化进程。
但是，无论采用何种防老化方法，最终仅仅只是延缓老化进程。为保证工程的安全性，需要对其使用寿命进行检测。尤其是水下聚丙烯土工布寿命的测试尤其重要。目前通常采用破坏性的测试方法，即在一段时期内数次直接从埋设的土工布中不同水深部分截取部分土工布进行强力测试，根据强力的变化情况推测土工布不同埋设不同水深部分的寿命，对截取的空缺部分及时补上。这种测试的方法费时费事，而且测试费用高，所获得的数据有较大的主观随意性，不能全面准确地反映出水下聚丙烯土工布寿命。
本专利发明人经过长期的研究实验发现，织物断裂强力随紫外辐射增加而衰减规律符合以下方程(利用Origin软件求得)y=100×e-axb---(1)]]>其中y为经向断裂强力保持率(％)；x为紫外辐射能(J/cm2)，a和b为常数。
该衰减方程的正确性有可靠的理论依据和实验数据支持。
其理论依据为织物强力下降是由于微观结构的变化所致，特别是与分子量关系密切，而分子量的变化归根结底是由聚丙烯的光氧老化动力学过程所决定的。聚丙烯的光氧老化可以分为三个阶段链的引发、增加(是游离基链增多的含义，并非游离基链式反应中的链增长)和终止三个阶段。在不同的老化时间，不同的反应占主导地位在老化初始阶段，链引发反应是主导反应，而主链断裂情况很少，因此分子量和断裂强力都下降缓慢；随着老化时间的增加，氢过氧化物的含量逐渐增多，而由氢过氧化物分解的烷氧自由基会发生β断裂。而β断裂是聚丙烯分子量降低的主要反应，因此随着β断裂成为主导反应，分子量和断裂强力下降明显到了老化未期，链终止反应逐渐占主导地位，虽然链断裂会导致分子量降低，但是链交联反应的增加减弱了分子量和强力的下降程度，所以此时又呈缓慢下降趋势。这一动力学过程可以用红外测试结果加以证明。
图1是对聚内烯织物的原料一聚丙烯长丝进行人工加速老化试验后，不同时间取样进行红外测试的结果。从图1中可以发现，羰基的吸收峰在1740cm-1处。β断裂的主要特征就是羰基基团含量的上升，从图1中波峰的变化情况可以知道羰基含量的变化在初期(0、6小时)羰基含量增加缓慢，但是到了一定阶段羰基的含量明显增加(12、24、48小时)，这说明此时β断裂占据主导地位，到了后期(59、74小时)羰基的含量慢慢下降，此时β断裂虽然仍然发生，但是链交联反应已渐渐成为主导反应。
这一光氧老化动力学过程反应到宏观方面，使得断裂强力呈现缓一急一缓的衰减规律。而方程1较准确的反应了这一变化规律，因此这一方程具有普遍性的意义。只是不同的聚丙烯土工织物，其常数a和b的值有所差别。
此外，发明人经过多次实验还发现不同水域，不同水深的紫外辐射衰减规律符合以下方程．y＝100×e-ax
其中y为紫外辐射强度保持率(％)；x为水深(m)，a拟合系数因该方程验证简便，只需利用紫外辐射测量仪测试不同水深(m)的紫外辐射能即可获得相关数据，故在此不作详细说明。
发明内容
本发明利用织物断裂强力随紫外辐射增加而衰减规律及水下紫外辐射衰减规律，提供一种水下土工布寿命的测试方法。
为达上述目的，本发明是这样实现的一种水下聚丙烯土工布寿命的测试方法，包括以下步骤给定一待测水域，统计获得该水域在大气条件下紫外辐射能X的值，并测试在不同紫外辐射条件下的聚丙烯土工布强力保持率y，依据聚丙烯土工布强力保持率随紫外辐射能变化的拟合方程y=100×e-axb]]>(其中y为经向断裂强力保持率％，x为紫外辐射能J/cm2，a和b为拟合常数)，获得a和b的值，选择测试数处该水域不同水深位置的紫外辐射能，根据水下紫外辐射能衰减方程f＝100×e-cx(其中f为紫外辐射强度保持率％，x为水深，c为拟合系数)，获得该水域的c值，获得该水域水下紫外辐射能衰减方程，结合上述结果，可获得该水域不同水深处聚丙烯土工布的强力保持率，从而对该水域水下聚丙烯土工布寿命进行预测。
本发明的有益效果是解决了现有预测水下聚丙烯土工布寿命方法中无法准确定量分析的技术问题，并且在预测过程中无需截取埋设在水下的土工布，保持了工程的完整性。预测方法简便准确，降低了工程的寿命预测成本。
图1为羰基吸收峰的变化情况图
具体实施例方式
以下分别以聚丙烯机织土工布和聚丙烯聚酯纤维复合土工织物在交大泳池及长江横沙码头的实验为例，进一步说明本发明。
实验中采用SUR-1型紫外辐射测量仪对曝晒场中的紫外辐射能进行测量。太阳光线通过测量仪器的石英玻璃保护窗口以后，到达紫外线滤光片，其中只有280-400nm波段的紫外光线可以穿透滤光片，其它波段的光线(包括可见光、红外光和远红外光线)都被有效地阻截。利用半导体紫外光电探测器对透过滤光片的紫外光线进行测量，将光信号转变成电信号后输出仪器经计量标定后，电压值就可以换算成相应的紫外线辐射强度值。
首先，在户外曝晒条件下(水平面以上)分别获得聚丙烯机织土工布和聚丙烯聚酯纤维复合土工织物强力衰减方程，采用的试验方法为标准ASTM D5970-96进行户外曝晒试验。根据织物断裂强力随紫外辐射增加而衰减的方程(利用Origin软件求得)y=100×e-axb---(1)]]>其中y-经向断裂强力保持率(％)；x-紫外辐射能(J/cm2)对于不同织物，常数a和b的值如表1所示表1不同土工织物的拟合常数值
其次、测试交大泳池及长江横沙码头不同水深的紫外辐射衰减方程根据水下紫外辐射能的衰减方程y＝100×e-ax其中y为紫外辐射强度保持率(％)；x为水深(m)，a拟合系数从而获得两水域在各个时间的拟合系数a值，如表2所示表2、水下试验拟合曲线的a值及相关系数
三、寿命预测(交大泳池与长江横沙码头根据大气曝晒试验三年紫外辐射能的测定结果，统计得出其年平均紫外辐射能均为8256.3J/cm2。)1)在交大泳池不同水深处聚丙烯土工织物的寿命预测a、聚丙烯机织土工布在交大泳池水深0.2米处，放置1年后的强力预测原始试样的断裂强力测试结果为3.31KN。
根据表2中的a值，以及方程(2)，可以得出交大泳池水深0.2m处的紫外辐射强度保持率为100×e-3.7726×0.2＝47.02％由此可以得出一年后水深0.2m处的紫外辐射能为8256.3×0.472＝3897.0J/cm2。
将此值及表1中相应的a、b值带入方程(1)，即可得出聚丙烯机织布在交大泳池水深0.2米处，放置一年后的强力保持率为60.10％，即一年后的强力值为3.31×0.601＝1.99KN。
b、聚丙烯机织土工布在横沙码头水深0.2米处，放置1年后的强力初始强力及一年后水平面处紫外辐射能同上。
根据表2中的a值，以及方程(2)，可以得出横沙码头水深0.2m处的紫外辐射强度保持率为100×e-0.2×21.0159＝1.50％由此可以得出一年后水深0.2m处的紫外辐射能为8256.3×0.015＝123.8 J/cm2。
将此值及表1中相应的a、b值带入方程(1)，即可得出聚丙烯机织布在交大泳池水深0.2米处，放置一年后的强力保持率为99.99％，即3.31×0.9999＝3.309KN。
2)聚丙烯聚酯纤维复合土工织物在交大泳池和横沙码头水深0.2米处放置一年的断裂强力预测试样的初始强力为3.64KN。
方法和步骤同1、2，只是常数有所不同，结果分别为交大泳池3.64×0.789＝2.87KN横沙码头3.64×0.987＝3.59KN根据以上方法和步骤，就可以得出不同水深处各试样放置一定时间后的具体强力值。实验表明，通过本发明方法测试出的数据准确可靠。
本发明中亦可先测试获得不同水深的紫外辐射衰减方程，之后再测试获取聚丙烯机织土工布的强力衰减方程。
权利要求
1.一种水下土工布寿命的预测方法，其特征在于包括以下步骤给定一待测水域，统计获得该水域在大气条件下紫外辐射能X的值，并测试在不同紫外辐射条件下的聚丙烯土工布强力保持率y，依据聚丙烯土工布强力保持率随紫外辐射能变化的拟合方程y=100×e-axb]]>(其中y为经向断裂强力保持率％，x为紫外辐射能J/cm2，a和b为拟合常数)，获得a和b的值，选择测试数处该水域不同水深位置的紫外辐射能，根据水下紫外辐射能衰减方程f＝100×e-cx(其中f为紫外辐射强度保持率％，x为水深，c为拟合系数)，获得该水域的c值，近从而获得该水域水下紫外辐射能衰减方程，结合上述结果，可获得该水域不同水深处聚丙烯土工布的强力保持率，从而对该水域水下聚丙烯土工布寿命进行预测。
全文摘要
一种水下土工布寿命的测试方法，利用织物断裂强力随紫外辐射增加而衰减规律及水下紫外辐射衰减规律，测试水下土工布寿命。解决了现有预测水下聚丙烯土工布寿命方法中无法准确定量分析的技术问题，并且在预测过程中无需截取埋设在水下的土工布，保持了工程的完整性。预测方法简便准确，降低了工程的寿命预测成本。
文档编号G01N21/31GK1712936SQ20041002529
公开日2005年12月28日 申请日期2004年6月21日 优先权日2004年6月21日
发明者薛育龙, 包伟国, 杨旭东, 徐建平 申请人:上海新纺织产业用品有限公司
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