混凝土結(jié)構(gòu)原理.矩形箍筋約束混凝土

1、4.2 矩形箍筋約束混凝土1約束作用機(jī)理(1) 受力破壞過程小配箍率時(shí)( t 0.3 )的破壞過程及特征 應(yīng)力接近素混凝土單軸抗壓強(qiáng)度前，應(yīng)力應(yīng)變曲線和素混凝土的應(yīng) 力應(yīng)變曲線基本相同。 其中 c 0.4fc 時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為直線， c 0.4fc 后，應(yīng)力應(yīng)變曲線開始微凸。應(yīng)力接近單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)( c fc, p 1500 1700 10 6 )，箍筋應(yīng) 變較小( st 400 600 10 6 )，約束效果不明顯，混凝土抗壓強(qiáng)度提 高不多?；炷量v向應(yīng)力達(dá)到峰值 ( c pc p )時(shí)，箍筋應(yīng)力有所增長但仍未 屈服( st 900 1200 10 6 )；混凝土應(yīng)力較單軸抗壓強(qiáng)度有所提高

2、 ( c fcc fc )，但增長不大?；炷量v向應(yīng)變?cè)诜逯祽?yīng)變前后( c 0.851.11 pc )，試件出現(xiàn)沿縱 筋外緣的豎向裂縫，約束混凝土進(jìn)入軟化段?；炷翍?yīng)變超過峰值應(yīng)變后 ( c pc )，隨著混凝土縱向壓應(yīng)變的增加， 裂縫不斷出現(xiàn)、發(fā)展、貫通，混凝土膨脹急劇發(fā)展(泊松比增大) ，箍筋 開始屈服，混凝土的應(yīng)變達(dá)到 c 3000 4500 10 6 。此時(shí)箍筋的約束 效應(yīng)最大，混凝土尚未達(dá)到三軸抗壓強(qiáng)度。接近破壞時(shí)，保護(hù)層混凝土開始剝落，鋼筋全部外露。箍筋全部屈服甚 至個(gè)別拉斷，約束區(qū)混凝土的破壞大多為 斜剪破壞 ，由于箍筋未被全部 拉斷，混凝土存在殘余抗壓強(qiáng)度。此時(shí)混凝土的縱向壓應(yīng)

3、變遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于素 混凝土的極限壓應(yīng)變，達(dá)到 c 4000 6000 10 6 。較高配箍率時(shí)( t 0.36 0.85 )的破壞過程及特征 上升段應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率(約束混凝土的彈性模量)可能小于素 混凝土的彈性模量，原因是箍筋較多，保護(hù)層混凝土密實(shí)度難以保證、 且箍筋內(nèi)外混凝土的整體性不好?；炷量v向裂縫出現(xiàn)后，混凝土的膨脹加大，箍筋對(duì)混凝土的約束效應(yīng) 出現(xiàn)且很大。約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有明顯的峰值?；炷脸霈F(xiàn)第一條縱向裂縫和箍筋開始屈服時(shí)的縱向應(yīng)變值接近小配箍率混凝土的相應(yīng)應(yīng)變，但不同的是，高配箍率混凝土試件均發(fā)生在峰 值以前。接近破壞時(shí)，約束混凝土抗壓強(qiáng)度較單軸抗壓強(qiáng)度提高 1 倍以上

4、( c pc f cc 2 fc )，約束混凝土峰值應(yīng)變?yōu)樗鼗炷练逯祽?yīng)變的10 倍以上( pc 10 p 10,000 30,000 106)。破壞時(shí)，混凝土橫向膨脹明顯。所有鋼筋外露、屈服，箍筋接近圓形， 個(gè)別箍筋拉斷。保護(hù)層混凝土全部剝落， 核心混凝土出現(xiàn) 擠壓流動(dòng) 變形， 出現(xiàn)局部鼓凸。2)矩形箍筋約束機(jī)理矩形箍筋約束機(jī)理約束分區(qū)位置約束力約束力特征約束效果無約束區(qū)保護(hù)層無無無弱約束區(qū)箍筋內(nèi)側(cè)鄰近箍筋的縱向張拉壓 力和橫向索效應(yīng)壓力縱向大 橫向小弱強(qiáng)約束區(qū)對(duì)角線區(qū)雙向箍筋的張拉壓力接近 450 線強(qiáng)3)影響因素 體積配箍率、配箍特征值、約束指標(biāo) tV stVst, il i ast ,

5、it體積配箍率：VcsAcorsAcor體積強(qiáng)度比、約束指標(biāo)、配箍特征值、套箍指標(biāo)：ytf ytVst 4fyt Ast ttf c Vc f c sdcor 約束指標(biāo)越大，混凝土抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變?cè)酱?，且增長速度隨著約束 指標(biāo)的提高而增大。t 0.3 時(shí)，約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有屈服平臺(tái)，存在明顯峰值，箍筋在混凝土應(yīng)力達(dá)到峰值后屈服。t 0.36 時(shí)，約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線有屈服平臺(tái)，沒有明顯峰值點(diǎn)，箍筋在混凝土應(yīng)力達(dá)到峰值前屈服。界限約束指標(biāo)為：t 0.32矩形箍筋約束混凝土的三軸抗壓強(qiáng)度箍筋貢獻(xiàn)值(Nstt fc Acor )系數(shù)小于螺旋箍筋的 2，說明矩形箍筋的約束效應(yīng)小于螺旋箍筋的

6、約束效 應(yīng)。 箍筋間距 s箍筋間距較大時(shí)（ s 11.5 b ），箍筋約束作用甚微，僅當(dāng)箍筋間距滿 足 s b 時(shí)，箍筋才有明顯約束作用。對(duì)于約束指標(biāo) t 相等而間距存在差別（如 1倍）時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線在上升段（包括峰值應(yīng)力 fcc和峰值應(yīng)變 pc ）差別甚小。但下降段有明 顯區(qū)別，箍筋間距越小，下降段越高，混凝土殘余強(qiáng)度越高、混凝土延 性越好。 箍筋型式封閉、 1350綁扎箍筋和焊接箍筋的約束效應(yīng)沒有明顯差異。 復(fù)合箍筋減小了鋼筋的自由長度、提高了橫向約束剛度，對(duì)核心混凝土 的約束效果更好。在約束指標(biāo)相等的條件下， 復(fù)合箍筋約束混凝土的強(qiáng)度與峰值應(yīng)變較簡 單箍筋情況有稍許提高，下降段更為平緩

7、，延性更好?？傮w情況與簡單 箍筋差別不大。2矩形箍筋約束混凝土理論模型（1）Sargin模型（1971） 假定箍筋屈服； 根據(jù)平衡條件， 計(jì)算箍筋約束力， 并假定約束力沿箍筋內(nèi)側(cè)均勻作用于核 心混凝土周圍； 將約束混凝土簡化為半無限空間， 將箍筋約束力簡化為間距為箍筋間距 s 的分布集中力， 利用 Boussinesq公式計(jì)算核心混凝土內(nèi)部應(yīng)力 （其中橫向約束應(yīng)力為 uu2fu3z2）； 規(guī)定核芯面積位置（兩箍筋中間） 、利用承載力極值條件確定臨界核芯面 積 Ac b 2u0 2 ； 計(jì)算核芯面積約束應(yīng)力值； 依據(jù) Richart 三軸抗壓強(qiáng)度公式，計(jì)算約束混凝土抗壓強(qiáng)度：fccfcf y 1

8、 2 2u0s2 確定全截面混凝土抗壓強(qiáng)度。箍筋中間截面的有效截面核心2）Sheikh模型（1982） 將截面劃分為有效約束核芯區(qū)和非約束區(qū)， 區(qū)面積最小，截面上核芯區(qū)大小 Aec 由截面形狀角度 和高度形狀角度 決定； 有效截面核芯區(qū)參數(shù) 和 由實(shí)驗(yàn)確定 （參數(shù)具體含義及取值待查） ； 核芯區(qū)混凝土三軸抗壓強(qiáng)度與箍筋體積配箍率、箍筋工作應(yīng)力等因素有 關(guān)；正方形箍筋、縱筋均勻分布約束混凝土的峰值應(yīng)力為：2sB2f cc B2 nc2cc ks 1 1 2 1 fcs 140Poc5.5B2（參數(shù)具體含義及取值待查） 約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線由四段組成。3矩形箍筋約束混凝土數(shù)值方法 （1996）

9、 過鎮(zhèn)海模型（羅苓隆，過鎮(zhèn)海 .箍筋約束混凝土的受力機(jī)理及應(yīng)力 -應(yīng)變?nèi)?線計(jì)算,混凝土力學(xué)性能性能試驗(yàn)研究 ,第 6集,1996）對(duì)截面進(jìn)行約束分區(qū)； 建立箍筋應(yīng)力與不同分區(qū)混凝土約束應(yīng)力的關(guān)系方程； 建立不同分區(qū)混凝土的本構(gòu)關(guān)系； 利用變形協(xié)調(diào)方程，計(jì)算縱向應(yīng)變與豎向荷載（平均應(yīng)力）的數(shù)值關(guān)系； 建立約束混凝土本構(gòu)關(guān)系4矩形箍筋約束混凝土實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1） 抗壓強(qiáng)度CEB-FIP MC90 模型（ 1990） 約束應(yīng)力：10 n s t fc縱筋根數(shù)影響系數(shù) n1 38n箍筋間距影響系數(shù)1s2b00 2 n s t c三軸抗壓強(qiáng)度：當(dāng) 0 0.05 fc 時(shí)， fcc1 5 0 fc （待查

10、，量剛不對(duì)， f c似乎該在括號(hào)內(nèi)）當(dāng) 0 0.05 fc 時(shí)， fcc1.125 2.5 0 fc （待查，同上）當(dāng)考慮荷載的長期效應(yīng)時(shí)，三軸強(qiáng)度折減 15 過鎮(zhèn)海模型（ 1986）當(dāng) t 0.32 時(shí)， fcc 1 0.5 t f當(dāng) t 0.32時(shí)， fcc0.55 1.9 t f c（2）變形特征值 峰值應(yīng)變ccCEB-FIP MC90 模型（ 1990） fcc 2 10 3 fc過鎮(zhèn)海模型（ 1986）cu00.2 03.5 10 3矩形箍筋約束混凝土峰值應(yīng)變（過鎮(zhèn)海， 1986）表達(dá)方式峰值應(yīng)變 pc說明分段描述當(dāng) t 0.32 時(shí)pc 1 2.5 t pp 700 172 fc

11、10 6當(dāng) t 0.32 時(shí)pc 6.2 25 t p單一描述pc p 35極限應(yīng)變CEB-FIP MC90 模型（ 1990）t 0.32無屈服平臺(tái)，有明顯峰值點(diǎn)，雙段曲線描述）1約束應(yīng)力： 0 n s t fc0 2 n s t c（3）應(yīng)力應(yīng)變曲線 CEB-FIP MC90 模型 （ 1990） 上升段二次拋物線當(dāng) 0 c cc 時(shí)， c下降段平臺(tái)當(dāng) cc ccu 時(shí)， ccc曲線參數(shù)峰值 應(yīng)力 （長 期荷 載折 減 15）： fcc 1 5 0 fc （ 0 0.05 fc ）或fcc1.125 2.5 0 fc ( 0 0.05fc)峰值應(yīng)變：極限應(yīng)變：cu 0.2 0 3.5 10

12、 fc 過鎮(zhèn)海模型 （ 1986） 變量定義pcyfcc 1 0.5 t fcpc1 2.5 t p上升段：當(dāng) 0 x 1 時(shí)， ya,cx 3 2 a,c x2a,c 2 x3下降段：當(dāng)x 1時(shí)， y x 2d,c x 1 x參數(shù)取值：對(duì)于 C20C30 混凝土上升段曲線參數(shù) a,c 1 1.8 t a , a 2.4 0.01f cu下降段曲線參數(shù) d,c 1 1.75 t0.55 d , d 0.132 fc0u.785 0.905t 0.32 （有屈服平臺(tái)，無明顯峰值點(diǎn)，單曲線描述）fcc 0.55 1.9 t fcpc 6.2 25 t p0.68x 0.12x y 1.1胡海濤模型

13、（清華大學(xué)， 上升段：當(dāng) 0 x 1時(shí)，0.37 0.51x1.11990，適合于高強(qiáng)混凝土）ya,cx 3 2 a,c x2a,c 2 x3下降段：當(dāng) x 1時(shí)，xy d,c x 1 2 xa,c2.77 0.029 fc 1 3.5 td,c11.9 f c2 2.36 10 5 t 10 4cc1 1.09 t 1 s f bspc1 3.6 t 1 p Mander 約束混凝土模型 （ 1988）（J.B. Mander, M.J.N. Priestly, R. Park. Theoretical Stress-Strain Model for ConfinedASCE, Vol.11

14、4, No.8,ConcreteJ. Journal of Structural Division, pp.18041826,August,1988)基本參數(shù)： 應(yīng)力應(yīng)變曲線： 單一曲線描述，xr當(dāng)0 ccu 時(shí)， c fccrr 1 xr約束混凝土相對(duì)應(yīng)變：約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線系數(shù)：rEcEcEsec約束混凝土峰值割線模量：Esec素混凝土彈性模量（ MPa）： Ec 5000 fc約束混凝土抗壓強(qiáng)度：fcc fc 1.254 2.254 1 7.94fl 2 fl （圓形截面）fcfc約束混凝土極限應(yīng)變：cu 0.004 1.4 sf yh hucc約束混凝土峰值應(yīng)變： cc pc 1

15、5 fcc 1fc有效約束應(yīng)力：1 圓形截面徑向約束應(yīng)力 fl （Mpa）： fl 1ke s fyh矩形截面 x方向約束混凝土有效約束應(yīng)力（ Mpa）： flx ke x fyh矩形截面 y方向約束混凝土有效約束應(yīng)力 （Mpa）： flx ke y f yh（矩形截面）圓形截面體積配箍率：dAsh sd2s4矩形截面 x 方向體積配箍率： x Asxx Bs矩形截面 y 方向體積配箍率： y AsyDs有效約束系數(shù)： ke圓形截面有效混凝土核心面積：矩形截面有效混凝土核心面積：Acc 1 cc Ac符號(hào)說明：fcc ：約束混凝土抗壓強(qiáng)度cc ：約束混凝土峰值應(yīng)變cu ：約束混凝土極限應(yīng)變s

16、：橫向鋼筋體積配箍率fyh ：橫向鋼筋屈服強(qiáng)度hu ：橫向鋼筋極限應(yīng)變Ae 4x c ：約束混凝土相對(duì)應(yīng)變 ccf c ：混凝土單軸抗壓強(qiáng)度pc ：素混凝土峰值受壓應(yīng)變，一般 pc 0.002 fl ：約束混凝土側(cè)向壓應(yīng)力 Mpa flx：x 方向約束混凝土有效約束應(yīng)力 Mpa fly ：y 方向約束混凝土有效約束應(yīng)力 Mpa k e ：有效約束系數(shù)Ae ：有效混凝土核心面積Asx ：矩形截面平行 x 方向橫向鋼筋總面積Asy ：矩形截面平行 y 方向橫向鋼筋總面積B ：矩形截面約束混凝土核心寬度，至約束鋼筋中心D ：矩形截面約束混凝土核心長度，至約束鋼筋中心Wi ：約束鋼筋凈間距s ：約束鋼

17、筋垂直凈間距（中心距離 s ）Sheikh模型（1982）基本特征： 考慮約束強(qiáng)化效應(yīng)；采用上升段三段折線下降段描述 上升拋物線段當(dāng) s1 cs2 時(shí)， c fcc下降直線段當(dāng) c s2 時(shí)， c fcc 1 0.15 s20.3 fccs,0.85 s2殘余平臺(tái)段c 0.3fccKent-Park 模型 （1971） 基本特征： 不考慮上升段約束強(qiáng)化效應(yīng)、 考慮下降段約束效應(yīng)； 采用上升段二段折線下降段描述 上升拋物線段當(dāng) 0c pc 時(shí)，pc下降直線段當(dāng) c pc 時(shí)，fc 1 0.5 pc0.5 pc0.2fc0.510 320.67 2 fc 3 b fc 6.89 4 s s（ b

18、：箍筋外皮間寬度； s：箍筋內(nèi)皮間體積配箍 率 ）下降平臺(tái)段c 0.2 fc Bjerkeli 模型（ 1985）基本特征： 考慮了混凝土的約束效應(yīng)； 考慮了高強(qiáng)混凝土的特性； 應(yīng)力應(yīng)變 曲線為拋物線上升段斜直線、 平臺(tái)二折線下降段。 （見陳肇元： 高強(qiáng)混凝土及其應(yīng)用。 ）聚乙烯( PE)簡介1.1 聚乙烯化學(xué)名稱：聚乙烯英文名稱： polyethylene ，簡稱 PE結(jié)構(gòu)式：聚乙烯是乙烯經(jīng)聚合制得的一種熱塑性樹脂， 也包括乙烯與少量 - 烯烴的 共聚物。聚乙烯是五大合成樹脂之一， 是我國合成樹脂中產(chǎn)能最大、 進(jìn)口量最多 的品種。1.1.1 聚乙烯的性能1. 一般性能 聚乙烯為白色蠟狀半透明

19、材料，柔而韌，比水輕，無嗅、無味、無毒， 常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，但由于其為線性分子可緩慢溶于某些有 機(jī)溶劑，且不發(fā)生溶脹。工業(yè)上為使用和貯存的方便通常在聚合后加入適量的 塑料助劑進(jìn)行造粒，制成半透明的顆粒狀物料。 PE 易燃，燃燒時(shí)有蠟味，并伴 有熔融滴落現(xiàn)象。 聚乙烯的性質(zhì)因品種而異，主要取決于分子結(jié)構(gòu)和密度，也 與聚合工藝及后期造粒過程中加入的塑料助劑有關(guān)。2. 力學(xué)性能PE 是典型的軟而韌的聚合物。除沖擊強(qiáng)度較高外，其他力學(xué)性能絕對(duì)值在 塑料材料中都是較低的。 PE密度增大， 除韌性以外的力學(xué)性能都有所提高。 LDPE 由于支化度大，結(jié)晶度低，密度小，各項(xiàng)力學(xué)性能較低，但韌性良

20、好，耐沖擊。 HDPE支化度小，結(jié)晶度高，密度大，拉伸強(qiáng)度、剛度和硬度較高，韌性較差些。 相對(duì)分子質(zhì)量增大， 分子鏈間作用力相應(yīng)增大， 所有力學(xué)性能， 包括韌性也都提 高。幾種 PE的力學(xué)性能見表 1-1 。表 1-1 幾種 PE 力學(xué)性能數(shù)據(jù)性能LDPELLDPEHDPE超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯邵氏硬度 (D)414640 5060706467拉伸強(qiáng)度 MPa720152521373050拉伸彈性模量 MPa100 300250550400 1300150 800壓縮強(qiáng)度 MPa12.522.5缺口沖擊強(qiáng)度 kJ· m-28090>704070>100彎曲強(qiáng)度 MPa12

21 熱性能PE 受熱后，隨溫度的升高，結(jié)晶部分逐漸熔化，無定形部分逐漸增多。其 熔點(diǎn)與結(jié)晶度和結(jié)晶形態(tài)有關(guān)。 HDPE的熔點(diǎn)約為 125 137，MDPE的熔點(diǎn)約為 126 134，LDPE的熔點(diǎn)約為 105115。相對(duì)分子質(zhì)量對(duì) PE的熔融溫度基本 上無影響。PE的玻璃化溫度（ Tg）隨相對(duì)分子質(zhì)量、結(jié)晶度和支化程度的不同而異，而 且因測試方法不同有較大差別，一般在 -50 以下。 PE在一般環(huán)境下韌性良好， 耐低溫性 （耐寒性） 優(yōu)良，PE的脆化溫度 （Tb） 約為-80 -50 ，隨相對(duì)分子質(zhì)量增 大脆化溫度降低，如超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯的脆化溫度低于 -140 。

22、PE的熱變形溫度 （THD） 較低，不同 PE的熱變形溫度也有差別， LDPE約為 38 50（0.45MPa，下同） ，MDPE約為 5075，HDPE約為 6080。PE的最高連 續(xù)使用溫度不算太低， LDPE約為 82100， MDPE約為 105121，HDPE為 121，均高于 PS和 PVC。PE的熱穩(wěn)定性較好，在惰性氣氛中，其熱分解溫度超 過 300。PE 的比熱容和熱導(dǎo)率較大，不宜作為絕熱材料選用。 PE 的線脹系數(shù)約在 （15 30）×10-5K-1 之間，其制品尺寸隨溫度改變變化較大。幾種 PE的熱性能見表 1-2 。表 1-2 幾種 PE 熱性能性能LDPELL

23、DPEHDPE超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯熔點(diǎn)105 115120125125 137190210熱降解溫度 （氮?dú)猓?>300>300>300>300熱變形溫度 （0.45MPa） 3850507560807585脆化溫度-80-50-100 -75-100 -70-140 -70線性膨脹系數(shù) （ ×10-5 K-1 ）16241116比熱容 J·(kg ·K)-12218230119252301熱導(dǎo)率 / W ·(m·K)-10.350.424. 電性能PE分子結(jié)構(gòu)中沒有極性基團(tuán)，因此具有優(yōu)異的電性能，幾種 PE的電性能見

24、 表 1-3 。PE 的體積電阻率較高， 介電常數(shù)和介電損耗因數(shù)較小， 幾乎不受頻率的 影響，因而適宜于制備高頻絕緣材料。它的吸濕性很小，小于 0.01 （質(zhì)量分 數(shù)），電性能不受環(huán)境濕度的影響。 盡管 PE具有優(yōu)良的介電性能和絕緣性， 但由 于耐熱性不夠高，作為絕緣材料使用，只能達(dá)到 Y 級(jí)（工作溫度 90）。表 1-3 聚乙烯的電性能性能LDPELLDPEHDPE超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯體積電阻率 / · cm1016101610161017介電常數(shù) /F ·m-1（ 106Hz）2.25 2.352.20 2.302.30 2.352.35介電損耗因數(shù)（ 106Hz）&

25、lt;0.0005< 0.0005<0.0005<0.0005介電強(qiáng)度 /kV · mm-1>2045701828>355. 化學(xué)穩(wěn)定性PE 是非極性結(jié)晶聚合物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。室溫下它能耐酸、堿和 鹽類的水溶液，如鹽酸、氫氟酸、磷酸、甲酸、醋酸、氨、氫氧化鈉、氫氧化鉀 以及各類鹽溶液 （包括具有氧化性的高錳酸鉀溶液和重鉻酸鹽溶液等 ） ，即使在較 高的濃度下對(duì) PE也無顯著作用。但濃硫酸和濃硝酸及其他氧化劑對(duì)聚乙烯有緩 慢侵蝕作用。PE 在室溫下不溶于任何溶劑，但溶度參數(shù)相近的溶劑可使其溶脹。隨著溫 度的升高， PE 結(jié)晶逐漸被破壞，大分子與溶劑

26、的作用增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到一定溫度后 PE可溶于脂肪烴、芳香烴、鹵代烴等。如 LDPE能溶于 60的苯中， HDPE能溶 于 80 90的苯中，超過 100后二者均可溶于甲苯、三氯乙烯、四氫萘、十氫 萘、石油醚、礦物油和石蠟中。但即使在較高溫度下 PE仍不溶于水、脂肪族醇、 丙酮、乙醚、甘油和植物油中。PE 在大氣、陽光和氧的作用下易發(fā)生老化，具體表現(xiàn)為伸長率和耐寒性降 低，力學(xué)性能和電性能下降，并逐漸變脆、產(chǎn)生裂紋，最終喪失使用性能。為了 防止 PE的氧化降解，便于貯存、加工和應(yīng)用， 一般使用的 PE原料在合成過程中 已加入了穩(wěn)定劑，可滿足一般的加工和使用要求。如需進(jìn)一步提高耐老化性能， 可在 PE

27、中添加抗氧劑和光穩(wěn)定劑等。6. 衛(wèi)生性PE分子鏈主要由碳、 氫構(gòu)成， 本身毒性極低， 但為了改善 PE性能， 在聚合、 成型加工和使用中往往需添加抗氧劑和光穩(wěn)定劑等塑料助劑， 可能影響到它的衛(wèi) 生性。樹脂生產(chǎn)廠家在聚合時(shí)總是選用無毒助劑， 且用量極少， 一般樹脂不會(huì)受 到污染。PE長期與脂肪烴、芳香烴、鹵代烴類物質(zhì)接觸容易引起溶脹， PE中有些低相對(duì)分子質(zhì)量組分可能會(huì)溶于其中，因此，長期使用 PE容器盛裝食用油脂會(huì)產(chǎn)生一種蠟味，影響食用效果1.1.2 聚乙烯的分類聚乙烯的生產(chǎn)方法不同，其密度及熔體流動(dòng)速率也不同。按密度大小主 要分為低密度聚乙烯（ LDPE）、線型低密度聚乙烯（ LLDPE）、

28、中密度聚乙烯 （ MDPE）、高密度聚乙烯（ HDPE）。其中線性低密度聚乙烯屬于低密度聚乙 烯中的一種，是工業(yè)上常用的聚乙烯，其他分類法有時(shí)把MDPE歸類于 HDPE或 LLDPE。按相對(duì)分子質(zhì)量可分為低相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯、普通相對(duì)分子質(zhì)量聚乙 烯、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯。按生產(chǎn)方法可分為低壓法聚乙烯、中壓法聚乙烯和高壓法聚乙烯。1. 低密度聚乙烯英文名稱： Low density polyethylene，簡稱 LDPE低密度聚乙烯，又稱高壓聚乙烯。無味、無臭、無毒、表面無光澤、乳 白色蠟狀顆粒，密度 0.910 0.925g/cm 3，質(zhì)輕，柔性，具有良好的延伸性、 電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性

29、、加工性能和耐低溫性（可耐- 70），但力學(xué)強(qiáng)度、隔濕性、隔氣性和耐溶劑性較差。 分子結(jié)構(gòu)不夠規(guī)整， 結(jié)晶度較低（ 55%65%）， 熔點(diǎn) 105 115。LDPE可采用熱塑性成型加工的各種成型工藝，如注射、擠出、吹塑、旋轉(zhuǎn) 成型、涂覆、發(fā)泡工藝、熱成型、熱風(fēng)焊、熱焊接等，成型加工性好。主要用 作農(nóng)膜、工業(yè)用包裝膜、藥品與食品包裝薄膜、機(jī)械零件、日用品、建筑材 料、電線、電纜絕緣、吹塑中空成型制品、涂層和人造革等。2. 高密度聚乙烯英文名稱： High Density Polyethylene，簡稱 HDPE高密度聚乙烯，又稱低壓聚乙烯。無毒、無味、無臭，白色顆粒，分子 為線型結(jié)構(gòu)，很少有支化

30、現(xiàn)象 , 是典型的結(jié)晶高聚物。力學(xué)性能均優(yōu)于低密度 聚乙烯，熔點(diǎn)比低密度聚乙烯高，約 125 137，其脆化溫度比低密度聚乙 烯低，約 -100 -7 0，密度為 0.941 0.960g/cm 3。常溫下不溶于一般溶劑， 但在脂肪烴、芳香烴和鹵代烴中長時(shí)間接觸時(shí)能溶脹，在70以上時(shí)稍溶于甲苯、醋酸中。在空氣中加熱和受日光影響發(fā)生氧化作用。能耐大多數(shù)酸堿 的侵蝕。吸水性小，具有良好的耐熱性和耐寒性，化學(xué)穩(wěn)定性好，還具有較 高的剛性和韌性，介電性能、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性亦較好。HDPE可采用注射、擠出、吹塑、滾塑等成型方法，生產(chǎn)薄膜制品、日用 品及工業(yè)用的各種大小中空容器、管材、包裝用的壓延帶和結(jié)扎

31、帶，繩纜、 魚網(wǎng)和編織用纖維、電線電纜等。3. 線性低密度聚乙烯英文名稱： Linear Low Density Polyethylene ，簡稱 LLDPE 線形低密度聚乙烯被認(rèn)為是“第三代聚乙烯”的新品種，是乙烯與少量高 級(jí) -烯烴(如丁烯 -1、己烯-1、辛烯 -1 、四甲基戊烯 -1 等)在催化劑作用下， 經(jīng)高壓或低壓聚合而成的一種共聚物，為無毒、無味、無臭的乳白色顆粒， 密度 0.918 0.935g/cm 3。與 LDPE相比，具有強(qiáng)度大、韌性好、剛性大、耐 熱、耐寒性好等優(yōu)點(diǎn)，且軟化溫度和熔融溫度較高，還具有良好的耐環(huán)境應(yīng) 力開裂性，耐沖擊強(qiáng)度、耐撕裂強(qiáng)度等性能。并可耐酸、堿、有

32、機(jī)溶劑等。LLDPE可通過注射、擠出、吹塑等成型方法生產(chǎn)農(nóng)膜、包裝薄膜、復(fù)合薄 膜、管材、中空容器、電線、電纜絕緣層等。 由于不存在長支鏈， LLDPE的 65 70用于制作薄膜。4. 中密度聚乙烯英文名稱： Medium density polyethylene，簡稱 MDPE中密度聚乙烯是在合成過程中用- 烯烴共聚，控制密度而成。 MDPE的密度為 0.926 0.953g/cm 3，結(jié)晶度為 70 80，平均相對(duì)分子質(zhì)量為 20 萬，拉伸強(qiáng)度為 8 24MPa，斷裂伸長率為 50 60，熔融溫度 126135， 熔體流動(dòng)速率為 0.1 35g10min，熱變形溫度 (0.46MPa)49

33、 74。 MDPE最 突出的特點(diǎn)是耐環(huán)境應(yīng)力開裂性及強(qiáng)度的長期保持性。MDPE可用擠出、注射、吹塑、滾塑、旋轉(zhuǎn)、粉末成型加工方法，生產(chǎn)工 藝參數(shù)與 HDPE和 LDPF相似，常用于管材、薄膜、中空容器等。5. 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯英文名稱： ultra-high molecular weight polyethylene，簡稱 UHMWPE超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯沖擊強(qiáng)度高，耐疲勞，耐磨，是一種線型結(jié)構(gòu)300600 萬，的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料。其相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)到 密度 0.936 0.964g/cm 3，熱變形溫度 (0. 46MPa)85，熔點(diǎn) 130136。UHMWP因E相對(duì)分

34、子質(zhì)量高而具有其他塑料無可比擬的優(yōu)異性能，如耐沖 擊、耐磨損、自潤滑性、耐化學(xué)腐蝕等性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、運(yùn)輸、紡織、 造紙、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工及體育運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域，其中以大型包裝容器和管 道的應(yīng)用最為廣泛。另外，由于超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯優(yōu)異的生理惰性， 已作為心臟瓣膜、矯形外科零件、人工關(guān)節(jié)等在臨床醫(yī)學(xué)上使用，而且，超 高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯耐低溫性能優(yōu)異，在- 40時(shí)仍具有較高的沖擊強(qiáng)度，甚至可在 - 269下使用。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的復(fù)合材料在軍事上 已用作裝甲車輛的殼體、雷達(dá)的防護(hù)罩殼、頭盔等；體育用品上已制成弓弦、 雪橇和滑水板等。由于超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯熔融狀態(tài)的粘度高達(dá)1

35、08Pa·s ，流動(dòng)性極差，其熔體流動(dòng)速率幾乎為零，所以很難用一般的機(jī)械加工方法進(jìn)行加工。 近年來，通過對(duì)普通加工設(shè)備的改造，已使超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯由最初 的壓制 - 燒結(jié)成型發(fā)展為擠出、吹塑和注射成型以及其他特殊方法的成型。6. 茂金屬聚乙烯茂金屬聚乙烯 (mPE)是近年來迅速發(fā)展的一類新型高分子樹脂，其相對(duì)分子 質(zhì)量分布窄， 分子鏈結(jié)構(gòu)和組成分布均一， 具有優(yōu)異的力學(xué)性能和光學(xué)性能， 已 被廣泛應(yīng)用于包裝、電氣絕緣制品等。1.1.3 聚乙烯的成型加工PE 的熔體粘度比 PVC低，流動(dòng)性能好，不需加入增塑劑已具有很好的成型 加工性能。 前文已介紹了各類聚乙烯可采用的成型加工方法

36、， 下面主要介紹在成 型過程中應(yīng)注意的幾個(gè)問題。 聚乙烯屬于結(jié)晶性塑料，吸濕小，成型前不需充分干燥，熔體流動(dòng)性 極好，流動(dòng)性對(duì)壓力敏感，成型時(shí)宜用高壓注射，料溫均勻，填充速度快， 保壓充分。不宜用直接澆口，以防收縮不均，內(nèi)應(yīng)力增大。注意選擇澆口位 置，防止產(chǎn)生縮孔和變形。 PE 的熱容量較大，但成型加工溫度卻較低，成型加工溫度的確定主要取 決于相對(duì)分子質(zhì)量、密度和結(jié)晶度。 LDPE在 180左右， HDPE在 220左右， 最高成型加工溫度一般不超過 280。 熔融狀態(tài)下， PE 具有氧化傾向，因而，成型加工中應(yīng)盡量減少熔體與空 氣的接觸及在高溫下的停留時(shí)間。 PE 的熔體粘度對(duì)剪切速率敏感，

37、隨剪切速率的增大下降得較多。當(dāng)剪切 速率超過臨界值后，易出現(xiàn)熔體破裂等流動(dòng)缺陷。 制品的結(jié)晶度取決于成型加工中對(duì)冷卻速率的控制。 不論采取快速冷卻還 是緩慢冷卻， 應(yīng)盡量使制品各部分冷卻速率均勻一致， 以免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力， 降低制 品的力學(xué)性能。 收縮范圍和收縮值大 （一般成型收縮率為 1.5 5.0 ） ，方向性明顯， 易變形翹曲，冷卻速度宜慢，模具設(shè)冷料穴，并有冷卻系統(tǒng)。 軟質(zhì)塑件有較淺的側(cè)凹槽時(shí)，可強(qiáng)行脫模。1.1.4 聚乙烯的改性聚乙烯屬非極性聚合物， 與無機(jī)物、 極性高分子相容性弱， 因此其功能性較 差，采用改性可提高 PE的耐熱老化性、高速加工性、沖擊強(qiáng)度、粘接性、生物相 容性等性質(zhì)。

38、常用的改性方法包括物理改性和化學(xué)改性。1. 物理改性物理改性是在 PE基體中加入另一組分 （ 無機(jī)組分、有機(jī)組分或聚合物等 ） 的一 種改性方法。常用的方法有增強(qiáng)改性、共混改性、填充改性。（1）增強(qiáng)改性 增強(qiáng)改性是指填充后對(duì)聚合物有增強(qiáng)效果的改性。加入的 增強(qiáng)劑有玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維、合成纖維、棉麻纖維、晶須等。自增強(qiáng) 改性也屬于增強(qiáng)改性的一種。 自增強(qiáng)改性。 所謂自增強(qiáng)就是使用特殊的加工成型方法， 使得材料內(nèi)部組 織形成伸直鏈晶體， 材料內(nèi)部大分子晶體沿應(yīng)力方向有序排列， 材料的宏觀強(qiáng)度 得到大幅度提高， 同時(shí)分子鏈有序排列將使結(jié)晶度提高， 從而使材料的強(qiáng)度進(jìn)一 步提高，由于所形成的增

39、強(qiáng)相與基體相的分子結(jié)構(gòu)相同， 因而不存在外增強(qiáng)材料 中普遍存在的界面問題。 如采用超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯 （UHMPE纖） 維增強(qiáng) LDPE， 在加熱加壓成型的條件下， 可以形成良好的界面， 最大限度發(fā)揮基體和纖維的強(qiáng) 度。 纖維增強(qiáng)改性。 纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度高、 比剛度高 等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。如采用經(jīng) KH-550偶聯(lián)劑處理的長玻璃纖維 （LGF） 與PE復(fù) 合制備的 PELGF復(fù)合材料，當(dāng) LGF加入量為3O（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 、長度約為 35mm時(shí)， 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為 52.5MPa和 52kJm。 晶須改性。晶須的加入能夠大幅度提高 HDPE材料的力學(xué)

40、性能， 包括短期力 學(xué)性能及耐長期蠕變性能。 晶須對(duì) HDPE材料的增強(qiáng)作用主要?dú)w因于它們之間的良 好界面粘接，同時(shí)剛性的晶須則能夠承擔(dān)較大的外界應(yīng)力使復(fù)合材料的模量得到 納米粒子增強(qiáng)改性。 少量無機(jī)剛性粒子填充 PE可同時(shí)起到增韌與增強(qiáng)的作 用。如將表面處理過的納米 SiO2粒子填充 mLLDPE-LDP，ESiO2納米粒子均勻分散于 基材中，與基材形成牢固的界面結(jié)合，當(dāng)填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2時(shí)，拉伸強(qiáng)度、斷 裂伸長率分別提高了 13.7MPa和174.9 。（2）共混改性 共混改性主要目的是改善 PE的韌性、沖擊強(qiáng)度、粘接性、 高速加工性等各種缺陷， 使其具有較好的綜合性能。 共混改性主要是向

41、 PE基體中 加入另一種聚合物， 如塑料類、 彈性體類等聚合物， 以及不同種類的 PE之間進(jìn)行 共混。 PE系列的共混改性。 單一組分的 PE往往很難滿足加工要求， 而通過不同種 類 PE之間的共混改性可以獲得性能優(yōu)良的 PE材料。如通過 LDPE與LLDPE共混，解 決了LDPE因大量添加阻燃劑和抗靜電劑等助劑造成力學(xué)性能急劇降低的問題； LLDPE與HDPE共混后可以提高產(chǎn)品的綜合性能。 PE與彈性體的共混改性。 彈性體具有低的表面張力、 較強(qiáng)的極性、 突出的 增韌作用，因此與PE共混后，既能保持 PE的原有性能， 同時(shí)也可以制備出具有綜 合優(yōu)良性能的 PE。如 LDPE-聚烯烴彈性體 （

42、POE）共混物，當(dāng) POE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3O 時(shí)，共混體系的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，為 21.5 MPa。 PE與塑料的共混改性。聚乙烯具有良好的韌性， 但制品的強(qiáng)度和模量較低， 與工程塑料等共混可提高復(fù)合體系的綜合力學(xué)性能。 但PE和這類高聚物的界面問 題也是影響其共混物性能的主要原因， 因此通常需要加入界面相容劑以提高共混 物的力學(xué)性能。（3）填充改性 填充改性是在 PE基質(zhì)中加入無機(jī)填料或有機(jī)填料，一方面 可以降低成本達(dá)到增重的目的， 另一方面可提高 PE的功能性，如電性能、 阻燃性 能等，但同時(shí)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能和加工性能帶來一定程度的影響。無論是無機(jī)填料還是有機(jī)填料，填料與 PE基體的

43、相容性和界面粘接強(qiáng)度是 PE填充改性必須面臨的問題，而 PE是非極性化合物，與填料相容性差，因此，必 須對(duì)填料進(jìn)行表面處理。 填料的表面處理一般采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行處理， 在 填料表面包覆一層類似于表面活性劑的過渡層，起“分子橋”的作用，使填料與 基體樹脂間形成一個(gè)良好的粘接界面。 常用的填料表面處理技術(shù)有： 表面活性劑 或偶聯(lián)劑處理技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)、聚合填充技術(shù)和原位乳液聚合技術(shù)等。PE中填充木粉、淀粉、廢紙粉、滑石粉、碳酸鈣等一類填料，不僅可以改善 PE的性能，同時(shí)也具有十分重要的健康環(huán)保意義。2. 化學(xué)改性化學(xué)改性的方法主要有接枝改性、 共聚改性、 交聯(lián)改性、 氯化及氯磺化改性

44、和等離子體改性處理等方法。 其原理是通過化學(xué)反應(yīng)在 PE分子鏈上引入其他鏈節(jié) 和功能基團(tuán)，由此提高材料的力學(xué)性能、耐侯性能、抗老化性能和粘接性能等。（1）接枝改性 接枝改性是指將具有各種功能的極性單體接枝到 PE主鏈上 的一種改性方法。 接枝改性后的 PE不但保持了其原有特性， 同時(shí)又增加了其新的 功能。常用的接枝單體有丙烯酸 （AA） 、馬來酸酐 （MA）、馬來酸鹽、烯基雙酚 A醚 和活性硅油等。接枝改性的方法主要有溶液法、固相法、熔融法、輻射接枝法、 光接枝法等。（2）共聚改性 共聚改性是指通過共聚反應(yīng)將其他大分子鏈或官能團(tuán)引入 到PE分子鏈中，從而改變 PE的基本性能。主要改性品種有乙烯 - 丙烯共聚物（塑 料）、 EVA、乙烯 - 丁烯共聚物、乙烯 - 其他烯烴（如辛烯 POE、環(huán)烯烴）共聚 物、乙烯 - 不飽和酯共聚物（ EAA、 EMAA 、 EEA、 EMA、EMM、A EMAH）等。通 過共聚反應(yīng)， 可以改變大分子鏈的柔順性或使原來的基團(tuán)帶有反應(yīng)性官能團(tuán)， 可 以起到反應(yīng)性增容劑的作用。（3）交聯(lián)改性 交聯(lián)改性是指在聚合物大分子鏈間形成了化學(xué)共價(jià)鍵以取 代原來的范德華力，由此極大地改善了諸如耐熱性、耐磨性、彈性形變、耐化 學(xué)藥品性及耐環(huán)境應(yīng)力