當(dāng)我們想到土工合成材料時(shí)，我們通常會(huì)想到最終用途是將其埋在地下的材料，遠(yuǎn)離紫外線(UV)及其對(duì)制造它們的合成聚合物的破壞作用。明顯的例外是侵蝕和沉積物控制產(chǎn)品，如淤泥柵欄和草皮增強(qiáng)墊，這些產(chǎn)品在材料性能退化到無(wú)法再保持或不再需要其預(yù)期功能之前，可以承受一定量的紫外線照射。土工合成材料制造商通常向用于制造土工合成材料的合成樹(shù)脂或涂料中添加穩(wěn)定組分，但是這些添加劑非常昂貴，并且還會(huì)降低材料強(qiáng)度和其他所需的土工合成材料性能，因此通常適量使用。
暴露在紫外線下對(duì)土工合成材料的損害可以通過(guò)產(chǎn)品的物理外觀和材料性能的變化來(lái)證明。隨著時(shí)間的推移，一些最容易觀察到的變化是部分強(qiáng)度損失和材料密度損失。在分子結(jié)構(gòu)水平上，300 nm和400 nm之間的紫外光譜波長(zhǎng)似乎對(duì)破壞土工合成聚合物最具侵蝕性。
鑒于土工合成材料紫外線降解的已知影響，大多數(shù)規(guī)范機(jī)構(gòu)建議這些材料不要長(zhǎng)時(shí)間暴露在自然環(huán)境中。這種思路的一個(gè)例子是美國(guó)國(guó)家公路和運(yùn)輸官員協(xié)會(huì)(AASHTO)“公路應(yīng)用土工織物規(guī)范”，名稱(chēng):“M288”，建議“土工織物在鋪設(shè)后暴露在大氣中的時(shí)間最長(zhǎng)應(yīng)為14天，以最大限度地減少潛在的損壞?！?其他實(shí)例包括規(guī)定在暴露于模擬紫外線降解測(cè)試的設(shè)定小時(shí)數(shù)后強(qiáng)度保留的最小百分比，例如在氙弧測(cè)試(ASTM D4355)中暴露五百(500)小時(shí)后保留百分之七十(70%)的強(qiáng)度。
為了評(píng)估土工合成材料對(duì)模擬紫外線暴露和風(fēng)化影響的穩(wěn)定性，行業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)或采用了幾種新的和現(xiàn)有的測(cè)試方法，這些方法使用實(shí)時(shí)或加速暴露方案。上面提到的ASTM D4355使用氙弧光源來(lái)提供UV光譜波長(zhǎng)，并且還使用熱和濕氣的循環(huán)來(lái)模擬自然風(fēng)化循環(huán)。另一個(gè)當(dāng)前的ASTM D7238或QUV熒光紫外老化箱利用冷凝和熒光紫外光源來(lái)模擬土工膜和類(lèi)似產(chǎn)品的風(fēng)化循環(huán)。雖然這些測(cè)試方法在土工合成材料行業(yè)內(nèi)被認(rèn)為是有用的紫外線耐久性測(cè)量方法，但將它們與真實(shí)世界的暴露降解率相關(guān)聯(lián)是不方便的，充其量也只是偶然的。
圖1:添加紫外線抑制劑的編織聚丙烯土工織物隨時(shí)間的紫外線降解強(qiáng)度損失示例
將實(shí)驗(yàn)室紫外線降解試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)的核心問(wèn)題是，全球的紫外線強(qiáng)度和降解率并不像實(shí)驗(yàn)室那樣恒定。如果我們使用ASTM D4355的500小時(shí)紫外線降解基準(zhǔn)作為數(shù)據(jù)，并嘗試將其與北美的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值相關(guān)聯(lián)，則預(yù)計(jì)六個(gè)月至一年后，佛羅里達(dá)州的坦帕市、華盛頓州的西雅圖市或安大略省的多倫多市將出現(xiàn)類(lèi)似的降解，七至十年后將出現(xiàn)類(lèi)似的降解。值得注意的是，除了紫外線，還有其他環(huán)境影響需要考慮。土工合成材料暴露于自然環(huán)境時(shí)的潛在退化機(jī)制時(shí)，會(huì)發(fā)生退化，但這超出了本技術(shù)說(shuō)明的范圍。有可能比較準(zhǔn)確地評(píng)估世界上任何給定地點(diǎn)的紫外線暴露水平。要做到這一點(diǎn)，必須既有該地點(diǎn)的“紅斑紫外線輻照度”數(shù)據(jù)，又有紫外線強(qiáng)度的日變化和季節(jié)變化的相關(guān)信息。更具體地說(shuō)，輻照度信息是由衛(wèi)星和地面光源收集的，給出了地表水平紫外光譜輻射的表示。雖然這種類(lèi)型的信息在確定照射到暴露的土工合成材料上的紫外光的水平和光譜方面非常有用，但它仍必須與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果相關(guān)聯(lián)，才能用于確定與室外暴露率相關(guān)的土工合成材料的可指定劣化水平。
圖2顯示了在一天的1200小時(shí)(中午12:00)測(cè)量的全球紅斑紫外線輻照度水平的示例
由于本技術(shù)說(shuō)明的目的是為用戶(hù)提供一些指導(dǎo)，使其能夠估計(jì)我們的曇卡產(chǎn)品在紫外線照射下的耐久性，因此我們將對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法和現(xiàn)場(chǎng)暴露率之間的相關(guān)性進(jìn)行一些估計(jì)。ASTM D4355中使用的氙弧光源的校準(zhǔn)輸出為350 mW/m2，ASTM D7238中使用的熒光UV光源的輸出為710 mW/m2。因此，QUV (D7238)源的強(qiáng)度大約是氙弧(D4355)源的兩倍，或兩倍的強(qiáng)度。如果我們仔細(xì)觀察2005年7月美國(guó)上空一天的紅斑UV輻照度，如圖3所示，我們可以看到美國(guó)西南部(新墨西哥州、亞利桑那州、科羅拉多州)的強(qiáng)度與D4355中使用的光源強(qiáng)度相似。同樣，美國(guó)東北部(新英格蘭)和西北部(華盛頓、俄勒岡、蒙大拿、愛(ài)達(dá)荷)的紅斑紫外線輻照度大約是D4355強(qiáng)度的三分之二。與D7238相對(duì)應(yīng)的比例是西南地區(qū)一半，東北和西北地區(qū)三分之一。
圖3顯示的是2005年7月美國(guó)上空一天的紅斑UV輻照度
繼續(xù)實(shí)驗(yàn)室紫外線降解測(cè)試和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)紫外線暴露率之間的相關(guān)性，我們還必須查看24小時(shí)內(nèi)自然陽(yáng)光的持續(xù)時(shí)間。由于地球繞其軸旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的陽(yáng)光強(qiáng)度的自然變化被稱(chēng)為“晝夜”，是指每天重復(fù)的24小時(shí)周期。圖4顯示了一個(gè)日峰值太陽(yáng)強(qiáng)度變化的例子，人們期望在任何給定的一天觀察到，不考慮環(huán)境變量，如云或煙霧覆蓋，降雨，日食等。如果太陽(yáng)輻照度水平是24小時(shí)內(nèi)的平均值，則平均值約為24%(峰值太陽(yáng)強(qiáng)度)。該比率將用于進(jìn)一步將現(xiàn)場(chǎng)紫外線暴露率與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試相關(guān)聯(lián)。 我們還可以進(jìn)一步研究影響紅斑紫外線輻射水平的一些其他變量，如云量和/或降雨量。比如美國(guó)華盛頓州的西雅圖，每年大約經(jīng)歷225個(gè)陰天，約占總時(shí)間的61%。我們可以從圖3中孤立區(qū)域的較低區(qū)域紫外線輻照度水平假設(shè)，云量和/或降雨量可以將輻照度水平降低到峰值輻照度水平的50%左右。美國(guó)大陸的平均或平均總?cè)照招畔⒖蓮膰?guó)家海洋和大氣局獲得，如圖5所示，并可用于進(jìn)一步細(xì)化美國(guó)特定地區(qū)的這一百分比。該比率還將用于進(jìn)一步將現(xiàn)場(chǎng)紫外線暴露率與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試相關(guān)聯(lián)。
圖4:日峰值陽(yáng)光輻照度曲線示例
相關(guān)過(guò)程的下一步是考慮我們已經(jīng)討論過(guò)的特定環(huán)境因素，并將現(xiàn)場(chǎng)觀察與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法聯(lián)系起來(lái)。我們必須記住，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是報(bào)告土工合成產(chǎn)品的MARV(最小平均滾動(dòng)值)強(qiáng)度百分比。對(duì)于土工合成材料，通常以500小時(shí)為基準(zhǔn)進(jìn)行報(bào)告。根據(jù)ASTM D4355實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法計(jì)算的500小時(shí)暴露的紫外線輻照度水平為175，000 mW*hr/m2，而ASTM D7238為355，000 mW*hr/m2。然后，我們必須結(jié)合近似的地區(qū)環(huán)境因素，得出暴露在室外環(huán)境中的土工合成材料的類(lèi)似輻照度暴露水平。 這些地區(qū)特有的因素也是紅斑紫外線輻照度；日照晝夜變化；和平均日照百分率。表1顯示了十一(11)個(gè)選定美國(guó)城市的綜合數(shù)據(jù)，并總結(jié)了與500小時(shí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果相關(guān)的近似暴露時(shí)間跨度。列表近似值的結(jié)果表明，500小時(shí)氙弧紫外線測(cè)試大約需要半年到兩年的野外暴露時(shí)間，而要達(dá)到QUV測(cè)試中達(dá)到的相同紫外線輻照度水平，則需要大約兩倍的時(shí)間，即野外1到4年。
圖5顯示美國(guó)大陸的平均或平均總?cè)照招畔?nbsp;
從這500小時(shí)的暴露比較中，我們可以推測(cè)，相對(duì)于不含抑制劑的土工合成材料(即原始HDPE、PP、PET等)，添加了紫外線抑制劑的土工合成材料對(duì)紫外線輻照的降解效果具有相當(dāng)?shù)牡挚沽ΑＮ覀冋J(rèn)為理所當(dāng)然的另一點(diǎn)是，在其他條件相同的情況下，編織土工布比非編織土工布更能抵抗紫外線降解，因?yàn)槠浼喚€的橫截面積更大。穩(wěn)定的PP紗線和長(zhǎng)絲也比未涂覆的PET紗線更耐紫外線輻射，這從它們?cè)?00小時(shí)紫外線輻射暴露下的MARV強(qiáng)度保持率中得到證明:70% PP為90%；寵物50%。根據(jù)較佳行業(yè)建議，我們建議我們的曇卡土工合成產(chǎn)品暴露在自然環(huán)境中的時(shí)間不要超過(guò)14天，如AASHTO M288所規(guī)定，除非其特定應(yīng)用需要持續(xù)暴露在室外，如淤泥柵欄、沉積物控制、侵蝕控制、包裹面MSE墻或RSS飾面等
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
