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34杨旭东等土工合成材料的老化性能研究

土工合成材料的老化性能研究

杨旭东丁辛
（东华大学纺织学院上海200051）

摘要：简要说明了土工合成材料的老化机理，介绍了常用的防老化方法和各种老化检测、分析方法，
并对国内外土工合成材料老化试验方法和相关标准加以总结和分类。最后，对土工合成材料的寿命预测方
法和模型进行了归纳和评价。
关键词：土工合成材料老化防老化人工气候试验大气老化试验

随着土工合成材料的迅速发展和人们对其认识气，因此老化主要表现为氧化，大多数聚合物的氧
的深入，土工合成材料在建筑、交通、水利等方面化机理可用下列简单式子描述［1～4，9］：
的应用也日益广泛。因为大多数土工材料的原料都链的引发：
是高分子材料，在大气环境中受阳光、温度、水汽RH→R·+H·（1）
等因素的影响，随着使用时间的增加，将产生老化链的增加：
现象，表现为物理机械性能的衰变，如强度降低··（）
R+O2→ROO2
等，从而丧失或部分丧失使用功能。在80年代以ROO·+RH→ROOH+R·（3）
前，大多数的土工材料在工程中只扮演小角色，例链的支化：
如，在植被自然加固筑堤以前作暂时的加固层、地ROOH→RO·+HO·（4）
基中土壤和混凝土的隔离层等等。在这些使用场合RO·+RH→ROH+R·（5）
中，土工合成材料在一定的使用时间内能否保持一··（）
HO+RH→H2O+R6
定的机械性能并不重要，因此这方面的研究也不受链的终止：
重视。随着土工合成材料越来越多地用作一些结构R·+R·→R———R（7）
物如公路、铁轨、土木工事、河堤的增强介质，例R·+ROO·→ROOR（8）
如长江口深水航道治理工程中就大量使用聚丙烯土·（）
2ROO→ROOR+O29
工合成材料来加固堤身和制作软体排，在其设定的最终得到既有降解又有交联的不活泼产物。
使用寿命里，能否保持一定的机械性能对整个工事但是，由于各种材料组成各不相同，所以老化
的稳定性将产生决定性影响。所以有关土工合成材形式也不尽相同。如：聚酰胺的老化，除发生氧化
料的老化问题就显得日趋重要，特别是如何准确地反应外，还伴随着水解、氨解等反应发生；聚酯在
预测土工合成材料的使用寿命，这已成为目前的研氧化过程中也会发生水解反应。另外，由于材料使
究热点之一。用过程中受到光、热、氧、水分等的综合作用，其
内部发生的反应更加复杂。除此之外，材料在机械
1土工合成材料的老化机理和防老化应力、超声波、电、化学药品、高能辐射等作用下
方法也会发生老化，每一种老化都有其各自的特点。表
1列出了土工合成材料的四种主要原料对不同的老
1.1土工合成材料的老化机理和影响老化的因素化形式的耐老化程度［6］。
从本质上讲，土工合成材料的老化是由于组成与以上老化机理相对应，影响土工合成材料老
材料的高聚物发生了降解和交联两类不可逆的化学化的因素可以归纳为内因和外因两种。内因即以上
反应的结果。这两类反应可以在同一种材料老化过（1）至（9）式中的RH，主要是指土工合成材料原
程中发生，只是不同材料以不同的反应为主。一般料本身的结构状态（包括化学结构和物理结构）和
来说，由于材料在使用过程中不可避免地要接触氧内部各组分的比例和性质等［1，8］。外因可看成是链
2001年第2期合成材料老化与应用35

引发中反应（1）的反应条件和催化剂，是促使材因素）。主要包括太阳光、氧、臭氧、热、水分、
料老化的诱因，主要指土工合成材料在使用过程中机械应力、高能辐射等。
所处的外界环境因素（物理因素、化学因素和生物
表1土工合成材料不同原料的耐老化性能比较

聚丙烯聚酰胺聚酯聚乙烯
（PP）（PA）（PET）（PE）

光降解（包括光氧化和光解）0+!0

热氧化-+!0
水解+0-+

化学酸+0+!
降解
碱++0!

生物降解（主要是微生物降解）!+0!

注：“-”、“0”、“+”、“!”代表各原料的耐老化性能由坏到好的顺序。其中“0”为参照物，可理解为“中”；而
“-”、“+”、“!”分别表示“差”、“良”、“优”。
1.2土工合成材料的防老化方法"改进成型加工和后处理工艺
土工合成材料的防老化要从影响老化的内外因这种方法是从影响材料老化的内因着手，通过
和老化机理入手，因此土工合成材料的防老化方法改进成型工艺和后处理方法，如优化聚合工艺、原
也可以在此基础上归纳为以下几种：料预处理、定向、改性等尽量减少高聚物中的老化
"添加防老剂弱点，从而改善土工合成材料的防老化性能。
根据土工合成材料的老化机理，应从以下四方"物理防护
面来延缓其老化［4］：高聚物的老化首先是从它的表面开始而逐渐往
（1）屏蔽紫外线；内部深入的。因此可以通过在材料表面涂漆、镀金
（2）防止发色基团的产生或降低发色基团对紫属、涂布等物理防护方法，使材