PVC材料基本力学性能和结构应用现状

彭道军，徐树全，焦亚东，韩雨琦,方 勇

(1.黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨 150080;2.黑龙江大学建筑工程学院,哈尔滨 150080)

PVC聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride)是世界上最早实现工业化生产的塑料品种之一。20世纪初，美国BFGoodrich公司的工业科学家Waldo Semon[1]实验开发出聚氯乙烯替代了日益昂贵的天然橡胶。二战期间，PVC取代传统材料大量用于织物防水涂层。20世纪50年代，越来越多的公司开始生产PVC，同时发现了进一步的创新和改进方法来提高其耐用性，为PVC在建筑和施工中的应用打开了大门。到20世纪中后期，在提高了这种材料对极端温度的抵抗力后，PVC开始被用于向家庭和工业输送水。今天，PVC是继聚乙烯和聚丙烯之后，世界上第三大销售商品塑料。PVC的低成本、可加工或回收的能力以及出色的耐用性使其成为数十个行业的首选材料[2]。

PVC材料在西方发达国家建筑行业得到普遍应用，在人们日常生活中也得到广泛使用。究其原因是由于PVC具有材质轻、隔热保温性能好、防潮、阻燃，并具有良好的抗腐蚀性以及稳定性。此外，PVC材料还具有良好的抗老化、抗弯强度以及良好的伸缩性[3]。论文综述了PVC材料的基本力学性能和目前的主要结构应用现状，希望对PVC在建筑结构中的实际应用提供参考。

1.1 本构参数确定

PVC材料本构方程涉及到的指标包括有弹性模量、屈服强度、拉伸强度、断裂伸长率、泊松比等。材料的力学性能都需要试验来测定。目前我国PVC材料拉伸性能试验标准主要采用现行的GB/T 1040.1—2018《塑料拉伸性能的测定 第一部分：总则》，是主要依据现行国际标准ASTM D638—2010《塑料拉伸性能的测定》、ISO 527-1:2012《塑料拉伸性能的测定》等进行修订的。

在典型的拉伸应力-应变曲线中，如图1所示，曲线a为无屈服点的脆性材料；
曲线b、c为有屈服点(σy)的韧性材料；
曲线d为无屈服点的韧性材料，即软质PVC制品常见的拉伸曲线。不同种类的塑料对其拉伸强度的描述为：进行拉伸实验后观测到的某一位置的力度最大值，此数据可能是发生屈服或断裂状态所形成的应力值，但不确定为曲线图中的最大值。拉伸屈服应变描述为当进行首次拉伸实验后，在应变增加、应力保持的状态下出现的应变情形。此应变与相应的曲线图中的点称为屈服点。有明显屈服点的材质按照其定义进行取值，在无法确定材料的屈服点时，采用Coplan法[4]进行屈服点的测定。

PVC材料根据其加入的增塑剂剂量大小可以使PVC具有不同的硬度，可以划分为硬质和软质材料两种。硬质PVC具有高强度、使用寿命长的特点，可以制造建筑结构件及水管类产品。由于其物理性能如刚性、弹性、耐腐蚀、抗老化性能优异且易取材，通常是木材、铁、铜、锌、铝等的极佳代用品。软质类PVC拉伸强度范围在6.9～25 MPa，而硬质类PVC在34～62 MPa之间[5]，差距较大，且其他性能也有较大差异。表1为某种硬质PVC材料与钢材的部分材料力学性能的对比[6]。如表1所示，此PVC材料拉伸强度大约只有四十多兆帕，但密度约为钢材密度的1/6，所以其强度并不比某些金属低。断裂伸长率约为钢材的2～4倍，延展性较好。但断裂拉伸强度约为钢材的1/10，初始抗拉切线模量为钢材的1/80。在材料弹性受力范围内，对于给定荷载和截面尺寸，PVC材料产生的挠曲大约是钢材的80倍。

表1 某PVC材料和钢材的部分力学性能对比

1.2 本构模型

PVC是粘弹性高分子材料，不同的基元会使得粘弹性高分子材料呈现出不同的力学性征。目前确定的高分子材料本构关系是根据综合试验及数据采集分析而构建的。主要本构关系模型包括有唯象型和统计型两种。由于统计型关系模型在实际应用中计算较为繁琐、成本高，因此此种关系型与唯象本构相比通用性不佳[7]，该文以唯象型本构关系来总结PVC相关材料的本构关系。

1.2.1 发泡PVC本构模型

现阶段开展的塑料材料的本构关系研究主要针对的是泡沫塑料，泡沫塑料是以塑料为主体添加发泡剂和其他添加剂制成。在进行泡沫塑料相关研究中，Sherwood-Frost模型为最具代表性的模型[8]。

卢子兴[9]利用拉伸试验对泡沫塑料进行了相关研究，以Sherwood-Frost模型为基础进行了均匀发泡材料的本构关系探究；
耿皓[10]针对聚乙烯泡沫塑料在静态压缩时不同密度、不同压缩厚度、不同压缩次数所表现出的应力-应变曲线及其应变率效应进行试验分析;李俊[11]以发泡聚乙烯为研究对象，利用Sherwood-Frost模型进行了压缩试验，并且也在此模型基础上建立了压缩模型;饶聪超等[12]对这些研究成果进行总结后构建了Sherwood-Frost经验模型，模型中包括应变率和密度效应，并依此建立了塑料结构发泡材料本构关系方程

(1)

(2)

式中，σ0为参考应力；
ai、bi为方程的拟合参数。

泡沫塑料的本构关系在文献[14]中进行了详细说明，但是目前对于塑料本构模型的研究主要在于发泡制品，对于普通硬质PVC方面的本构关系研究较少。

1.2.2 普通PVC本构模型

对于未发泡加工的工程塑料，与PVC同属的粘弹性高分子材料进行的本构模型研究成果较多，在ZWT非线性粘弹性本构模型基础下进行动态负载应用较为普遍[15]，应用较广泛，本构表达式如下

(3)

式(3)反应的是非线性弹性平衡响应，E0和α、β分别是与之相应的弹性常数；
低应变率下的粘弹性响应状态以首个积分项进行描述，Maxwell单元的弹性常数和松弛时间与E1和θ1相对应；
而后一个积分项描述高应变率下的粘弹性响应，Maxwell单元的弹性常数和松弛时间分别对应为E2和θ2。

在动态载荷条件下由于聚合物材料敏感性较高，因此会使ZWT非线性粘弹性本构模型参数不易保持。考虑到这一问题，雷经发[16]为了揭示PVC改性弹性体在静、动态载荷下的力学性能，试验获得应变率为0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1、1 510 s-1、2 260 s-1和3 000 s-1下的应力应变曲线，对ZWT非线性粘弹性本构模型中用于描述材料非线性弹性响应的前三项引入应变率相关项予以修正得出PVC弹性体低应变率下和高应变率下的ZWT模型表达式。PVC弹性体低应变率下ZWT模型的修正表达式为

(4)

高应变率下ZWT模型的修正表达式为

(5)

朱艳峰[17]根据UPVC管材标准试件的拉伸试验曲线判断PVC材料本构模型与ZWT模型近似，且忽略粘弹性直接简化ZWT模型为

σ=E0ε+αε2+βε3

(6)

通过进行本构参数拟合，表明具有良好的一致性，因此可以得出不同UPVC管材相应的本构方程，为硬质PVC材料的本构关系的研究提供了理论基础。

从20世纪50年代开始，随着塑料的应用，建筑材料进入了高分子材料时代，这是第三代建筑材料。在建筑材料中，PVC塑料作为结构材料也有了一定发展，现主要对以下几个部分进行总结。

2.1 PVC主体结构

PVC塑料制品作为独立结构时，主要以硬质PVC材料为主结构进行设计，目前纯PVC材料大量应用于建筑塑料模板结构中。少数学者用其应用于国内外堤岸防护、堤坝防渗等工程中的板桩和围栏中，并进行试验分析。

Touchstone[18]进行了PVC联锁板桩结构实验，通过对板桩结构加载一圈形成的挠度和应变进行测算后，根据采集到的数据与理论测算结果及室内实验数据进行对比分析后表明：实测值与理论值相比更小，室内实验数据比全尺寸试验数值大。Tom[19]在进行相关实验后发现，PVC板桩材料不具备显著的各向异性特征，弹性模量的影响因素中温度指标非常突出，当在低温条件下时模量会增大，在高温条件下相应会降低；
在60 ℃以上条件时，会呈现明显的模量降低状况。贺炜[6]研究了PVC板桩作为基坑板桩支护结构的特性及设计理论，建立PVC板桩悬臂和单支点基坑支护二维数值模型，探讨了不同支护结构形式、土体强度等因素对PVC板桩支护结构最大支护深度及最小嵌固深度的影响。研究结果表明：PVC板桩强度不高且具有蠕变特征，在进行长期支护结构设计中需要根据实际情况进行变形控制。

对于PVC围栏结构，Sotayo[20]等设计了一个双开间PVC立柱的围栏结构的荷载-变形响应试验，围栏结构在中心柱顶部和顶部栏杆的中间间隔点进行了试验加载，计算出双隔间PVC围栏结构的横向刚度为12.7～14 N/m。PVC围栏与木围栏的横向刚度比较表明，木围栏的刚度比PVC围栏高出约262%。此外，有限元分析与试验测试结果之间也显示出良好的一致性，这项研究结果为PVC围栏和其他应用的未来复合材料和组件提供了有用的基准。

2.2 PVC混凝土组合结构

PVC管混凝土是在PVC管中填充混凝土得到的一种新的结构材料，是主要的PVC混凝土组合结构。与其他涂层防护措施相比，PVC管优点在于厚度更厚、更均匀、整体性好，与钢管相比，PVC的热导率不到其1%，为混凝土提供了一个不透水不隔气的保温层，给混凝土提供了充分的养护条件，对混凝土可以起到防护和约束增强的作用。

Guo等[21]对钢管、玻璃(GFRP)、PVC管、碳纤维复合材料管(CFRP)、PE管等不同材料约束下的混凝土柱进行轴向加载试验研究。在变形、宏观变形特征、失效机理和失效模式的研究中得到了这几种不同约束下混凝土柱的极限承载力以及约束材料对极限承载力的影响。比较了这几种限制方法的优缺点。其中钢管约束混凝土柱最好，其次是GFRP-PVC管和PVC管。

Dong[22]通过轴压试验，对比PVC管短混凝土柱和无PVC管约束的柱，通过控制混凝土强度、荷载条件、高径比等主要影响因素，得出在PVC管对混凝土的约束效应下，混凝土的强度和变形能力均有所提高。Murtaza[23]为了研究PVC管混凝土柱的复合机理和约束机理，制作的试件在两种加载模式下进行了单轴压缩试验：复合模式和约束模式。结果表明，复合模式柱的强度提高幅度大于约束模式柱，其中约束模式柱比相应的复合模式柱表现出更多的轴向和横向变形。

2.3 PVC木塑结构

20世纪90年代以来北美、欧洲的许多国家对PVC木塑复合材料进行了大量研究，发现PVC木塑复合材料具有良好的弹性模量，具备与硬木相近的抗压性和抗弯性，在使用期限方面比普通木材的使用时间更长，已成为基材、墙材、模板、地板和装饰材以及户外设施中不可缺少的材料[24]。

Munir等[25]学者对木塑材料中的木粉总量进行了相关实验分析后认为，当材料中木粉总量增加会使得材料模量、硬度同步提升，但材料的拉伸强度和拉伸率会相应下降。当材料出现老化时，其力学性征和外观品质也会出现明显变化。对材质影响的因素中，光照和氧化因素最为显著。Stark[26]针对环境因素对PVC木塑复合材料的力学和外观性征影响进行了研究，结果表明，在光照和水环境中，木塑复合材料会出现弹性、刚度及色质变化，其变化程度比仅在光照辐射条件下出现的变化更加明显。

田先玲等[27]将PVC木塑复合材料尝试应用于房屋建筑，对将木塑材料用于围护用途进行了可行性分析。李影等[28]主要对PVC木塑复合材料的连接方式进行了详细阐述，其介绍的连接方式包括机械式、胶接式以及焊接式，对三种连接方式施工需要关注的问题进行了说明。这些都为装配式PVC木塑房屋的推广及后续的研究工作打下了基础。

a.PVC粘弹性高分子材料，性能受许多因素制约：混料工艺及配方等，性能过于复杂。在PVC制品中，硬质PVC刚度比软质PVC制品高，更适合应用于建筑结构中。

b.目前PVC本构模型研究的大多是发泡软制品，少数学者对硬质PVC材料以粘弹性模型参考计算，且缺乏对其系统的进行区分试验分析论证，有待进一步的深入研究。

c.PVC由于热稳定和抗冲击性能较差，作为结构材料使用时主要还是以复合材料的形式存在，适合未来的简易、临时建筑结构建设中，不仅能够保持或提高结构稳定，还能在一定程度上节约成本，响应国家绿色经济发展的号召，前景广阔。