地下粮仓塑料-混凝土防水体系抗水压试验

张 昊，孟庆婷，陶元庆，王振清，康少朋，张祥祥

·农产品加工工程·

地下粮仓塑料-混凝土防水体系抗水压试验

张 昊，孟庆婷，陶元庆，王振清，康少朋，张祥祥

（河南工业大学土木工程学院，郑州 450001）

地下粮仓具有节能、节地、低温和绿色环保等优点，但由于地下水的影响，防水防潮一直是安全储粮的技术难题，为此提出以聚丙烯塑料（Polypropylene Plastic，PP）作为内衬材料的塑料-混凝土防水体系，其中，塑料板与混凝土采用塑料栓钉连接。考虑不同栓钉间距200、300和400 mm，设计制作了3个用于地下粮仓的塑料-混凝土水压试件，进行了水压加载试验，分析了塑料构件在水压作用下形态、破环机理、内力和变形。试验结果表明：在水压作用下，塑料板内应力和位移都随水压的增大而增大，节点位置承受较大拉力且应力最大值分布不均，跨中位置承受应力较小且最大值分布均匀；塑料板内跨中位置的位移值随水压增大呈线性增加，节点位置的位移值变化较小。在试验分析的基础上，在10 mm厚塑料板和给定连接节点条件下，提出了塑料-混凝土防水体系优化设计措施，塑料-混凝土防水体系达到水压承载力时其破坏模式随栓钉间距的变化而不同，在栓钉间距为200 mm时，其水压承载力达到180 kPa时发生节点焊缝强度破环，此类构件可通过增强节点处焊缝强度提高塑料构件的整体水压承载力；在栓钉间距为300 mm时，其水压承载力达到80 kPa时发生塑料板破环，此类构件可通过增大板厚来提高构件的整体水压承载力；在栓钉间距为400 mm时，其水压承载力达到38 kPa时发生节点焊缝强度破环，此类构件可增大节点焊缝强度来提高构件的整体水压承载力，研究结果为地下粮仓的防水设计提供参考。

力学性能；节点；地下粮仓；聚丙烯塑料；水压加载试验；水压承载力

0 引 言

地下粮仓建造在浅层地表下，具有低温、节能、节地、绿色环保和战平两用等优点，是构建低温节能地下空间绿色储粮新体系，是实现粮食行业绿色发展的理想仓型[1]。地下储粮历史悠久[2-3]，近年来，不少学者致力于研究不受地下水位、地质条件制约的现代新型地下粮仓，进行了结构受力试验与数值分析[4-8]、结构抗浮[9]、新型支护体系[10]、传热与通风[11-12]等系统研究。但是由于地下粮仓高标准的防水防潮要求，防水防潮一直是地下粮仓设计的关键技术难题。聚丙烯塑料（Polypropylene Plastic，PP）物理性能较好，无毒无害[13]，符合食品接触用塑料制品标准[14]，而且防水，耐腐蚀，易于施工，为此提出以PP作为内衬材料的塑料-混凝土防水体系，具体做法是将混凝土与PP防水板通过PP棒和PP连接板连接，该防水体系能够实现结构与防水的一体化施工，较好解决外防水卷材、涂料易脱落且不易修复，钢板防水容易腐蚀等常用地下防水措施所带来的问题。目前国内外学者对隧道、地下管廊等类似工程领域的防水应用进行了较多研究[15-21]。但是对聚丙烯塑料等工程塑料在地下粮仓的防水应用则较少[22-27]。其中，张昊等[22]对地下粮仓内衬胶粘聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）水晶板接缝粘结性能、闭水性能和工程承压能力进行了试验研究，试验表明PVC水晶板的胶粘接缝剪切和剥离强度均符合规范要求,闭水性能良好。张淑媛[23]通过抗拔试验研究了开槽、塑料棒的直径，混凝土的强度等级，温度等因素对塑料棒与混凝土的抗拔力的影响，得出了塑料棒在混凝土中通过表面开槽可以大幅提高抗拔力，并且随着塑料棒直径增大或者提高混凝土强度，抗拔力也随之增大。常哲等[24]通过抗拔试验对螺纹型聚丙烯棒在混凝土中的粘结性能和其破坏形态进行了研究。常晨辉[25]对焊接、螺纹、螺纹加固型、螺纹焊接加固型等不同塑料节点形式进行轴心受拉试验，分析不同节点形式的受力特点和性能，得到了塑料焊缝强度公式。席达等[26]对胶粘在地下粮仓内部的不同形式聚丙烯塑料板焊缝进行了水压试验，为地下粮仓的防水防潮提供了依据。丁明等[27]将聚丙烯塑料板胶粘在地下粮仓内部作为防水层，对其与混凝土之间的拉伸粘接强度、闭水性能等进行了试验研究。

综上所述，基于胶粘的塑料-混凝土防水体系研究较为成熟，为地下粮仓的防水防潮设计提供了参考，而基于塑料栓钉连接的塑料-混凝土防水体系研究还仅限于塑料焊缝和塑料栓钉在混凝土的抗拔性能。本文在前人研究的基础上，针对地下粮仓塑料-混凝土防水体系，基于200、300、400 mm 3种不同栓钉间距水压试件进行了水压加载试验，分析塑料构件在水压作用下的破坏形态、破环机理、内力和变形。在试验分析的基础上，提出塑料-混凝土防水体系优化设计措施，为地下粮仓的防水设计提供理论基础和参考。

1 试件设计与制作

防水体系由PP防水板、PP栓钉（见图1a所示）、PP连接板、节点焊缝和混凝土板组成，PP栓钉与PP连接板采用螺栓连接，PP连接板与PP防水板通过焊缝连接。试验设计了3个塑料-混凝土水压试件，如图1所示，PP防水板厚度为10 mm，试件内侧布置5行5列PP栓钉，栓钉间距分别为200、300、400 mm，所对应试件编号分别为PCS-1、PCS-2、PCS-3。

注：d为栓钉间距，m；L为构件长度，mm。下同。

1.1 内衬塑料构件

为节省材料，充分发挥栓钉的抗拔力并结合水压试验试件厚度，采用的PP栓钉直径为25 mm，总长为95 mm，PP栓钉一端进行车丝处理，螺距根据GB/T193-2003普通螺纹直径与螺距系列[28]标准选择螺距间距为2 mm，车丝总长度为20 mm；根据常晨辉[25]PP连接板的直径取为90 mm，既保证焊缝处和螺纹连接处强度相当，也使材料的强度得到充分利用；从工程实际应用及经济性方面考虑，PP防水板的厚度选为10 mm。内衬塑料构件见图1b所示。

1.2 水压试验构件

在内衬塑料构件四周设置塑料模板，同时为了更好防止在水压加载过程中发生水流渗出增设止水塑料板。塑料模板、止水塑料板与PP防水板的连接均为焊缝连接；为了在试件内部实现均布水压，PP连接板、止水塑料板与PP挡板分别进行焊接连接，以形成注水空间。在试件中心位置设置注水孔，四周位置设置排气孔（如图1c所示）。试件内部钢筋网选择8钢筋进行双层布置，间距为200 mm，试件四角处放置直径为12的钢筋吊环，PP栓钉顶部混凝土保护层厚度设为45 mm，防止水溢出。待水压试件制作完成后，进行混凝土浇筑，如图2所示。

图2 试件示意图

2 测试方案

为了掌握防水塑料板在水压作用下应变的分布情况，根据其受力特点及边界条件，在防水塑料板内侧节点位置粘贴24个应变片，如图3所示；塑料构件外侧对应四节点间中间（简称跨中）选取8处粘贴应变片，编号为SK-H31～H34和SK-H41～H44，如图4所示。为了测定防水塑料板上的最大位移和塑料栓钉端部节点处的位移，探究试件的位移变化规律，在PP防水板外侧节点处布置位移测点7个，编号为WY-JD1～WY-JD7，跨中布置位移测定点8个，编号为WY-KZ1～WY-KZ8，如图4所示。图4中黑色长方形代表应变片测点，黑色圆点代表位移计测点。

注：JD表示构件上节点，N、W、E、S分别表示节点中心线上不同方向，数字表示应变测点位置。下同。

图4 试件外侧位移计、应变片设置示意图

3 试件水压试验

3.1 材料性能试验

3.1.1 塑料拉伸性能

试验参照GB/T 1040－2006对聚丙烯进行试样制作（如图5所示）和塑料拉伸性能测定[29]，聚丙烯塑料的应力、应变、弹性模量、泊松比等数据详见表1。

图5 聚丙烯塑料试样

表1 塑料拉伸性能

3.1.2 混凝土抗压强度

在水压试验试件混凝土浇筑过程中，根据《混凝土结构试验方法标准》（GB 50152-2012）[30]制作6个150 mm×150 mm×150 mm混凝土试件，混凝土试件，标准条件下养护28 d后，进行抗压试验，混凝土抗压强度平均值为41.7 MPa。

3.2 水压加载试验

水压加载装置采用承德市科标检测仪器制造有限公司生产的KXGJ系列静液压试验机，由压力控制主机、压力站、计算机软件系统组成。正式加载前，先注水排出PP防水板和PP挡板之间的气体，形成稳定水压，待4个排气孔有水流出时关闭排气孔阀门。正式水压加载试验，设置初始水压为10 kPa，增幅压力为10 kPa，逐级加载直至试件破坏，每级压力保压3 min，并记录相应位移、应变值。试件加载装置、现场试验图如图6所示。

1.水源 2.压力站 3.主机 4.控制阀 5.压力表 6.泄压阀 7.注水孔 8.排气孔 9.试件 10.支墩 11.应变采集 12.位移采集

4 试验结果分析

4.1 位移-水压关系

4.1.1 节点位移-水压关系

由图7a可知，试件PCS-1中节点处位移整体上随着水压的增大而增大，当水压加载至最大值180 kPa时，位移最大值出现在JD4测点位置，其值为0.63 mm，试件PCS-1在12号节点处发生焊缝破坏；由图7b可知，试件PCS-2中节点处位移随着水压的增大而增大，各个测点位移变化趋势基本相同，当水压加载至最大值80 kPa时，位移最大值出现在JD7测点位置，其值为0.94 mm，试件PCS-2发生塑料防水板破坏；由图7c可知，试件PCS-3中节点处位移随着水压的增大而增大，各个测点位移变化趋势基本相同，当水压加载至最大值38 kPa时，位移最大值出现在JD4测点位置，最大位移值为0.74 mm，试件PCS-3在13号节点处发生焊缝破坏。综合分析3个试件可知，节点处位移在水压加载过程中其变化值都较小，最大值仅为0.94 mm，该结果表明塑料栓钉在混凝土中滑移以及节点处焊缝和螺纹产生的变形很小，其对整体内衬塑料构件的内力影响可忽略不计。

注：WY表示构件的位移，JD表示构件节点，数字表示节点编号。

4.1.2 跨中位移-水压关系

由图8a可知，试件PCS-1跨中位移随水压的增大而增大，二者基本呈线性关系；当水压加载至180 kPa时，试件PCS-1发生破坏，位移最大值发生在测点KZ1处，其值为3.15 mm。由图8b可知，试件PCS-2跨中位移随水压增大呈线性增加；在水压达到80 kPa时，试件PCS-2发生破坏，最大位移为10.91 mm，位于KZ4测点位置。由图8c可知，试件PCS-3跨中位移随水压增加，其值基本呈线性增加；在水压达到38 kPa时，试件PCS-3发生破坏，最大位移为12.82 mm，位于KZ7测点位置。综合分析3个试件，随着水压的增大，跨中位移增长趋势基本相同，跨中位置在水压作用下，受力较为均匀。

注：表中WY表示构件上的位移，KZ表示构件四节点跨中，数字表示跨中位移测点位置。

4.2 应变-水压关系

4.2.1 节点应变-水压关系

从加载至水压承载力阶段，试件典型节点处应变-水压曲线如图9所示，其中试件PCS-1节点应变测点E3和PCS-2节点测点W2在水压分别为180和80 kPa时，出现负值，受力呈受压状态，这与实际受力状态不一致，因此在图中将2测点在180 kPa时应变值设为0。由图9a可知，试件PCS-1在水压加载过程中，各测点节点应变基本上随水压的增大而增大，当水压达到180 kPa时，应变值最大值为0.003 7，其位于JD-S3测点位置；由图9b可知，试件PCS-2节点应变数值随水压上升而呈现不断增大的趋势，当水压达到80 kPa时，应变值最大值为0.013，其位于JD-S4测点位置；由图9c可知，试件PCS-3节点处应变基本呈现随水压增大而增大的趋势，当水压达到38 kPa时，应变值最大值为0.007 7，其位于JD-S5测点位置；综合分析3个构件，在达到水压承载力时，各节点位置在水压力作用下产生拉应变，其应变最大值离散性较大，受力比较复杂，这是由于应变测点位置紧邻焊缝位置，焊缝处产生的应力集中对测点的应变影响较大。

4.2.2 跨中应变-水压关系

从加载至水压承载力阶段，试件跨中处应变-水压曲线如图10所示，由图10a可知，在水压加载过程中，试件PCS-1跨中应变值随水压增大而增大，当水压加载至180 kPa时，各测点应变均达到最大值，应变最大值发生在应变测点H42处，其值为0.004 1；由图10b可知，试件PCS-2跨中处应变均随水压的增大而增大，其中测点H32和H42应变变化趋势较平缓，而测点H33和H43的应变在水压加载过程中出现了转折，但各测点应变均在水压达到80 kPa时达到最大值，应变最大值发生在测点H42处，最大值为0.0045；由图10c可知，试件PCS-3跨中处应变值随水压的增大而增大，二者基本呈线性关系，当水压加载至38 kPa时，各测点应变均达到最大值，应变最大值发生在测点H33处，其值为0.003 5。综合分析3个构件，在水压加载过程中，跨中应变随水压增长的趋势较为一致，跨中受力比较均匀。

图9 试件节点处应变-水压曲线

注：SK表示构件四节点跨中，H表示横向方向，数字中第一个表示行，第二个表示列。

4.3 破坏过程及形态

对试件PCS-1，当水压加载至180 kPa时，试件PCS-1中12号节点发生破坏，此时板内水压骤降至40 kPa，当水压继续加载至90 kPa时，塑料防水板发生破坏，构件断裂位置如图11a所示。对12号节点四周进行切割，如图11b所示，该处节点处连接板与防水板连接焊缝发生断裂破坏，栓钉与连接板螺纹连接处完好。分析节点破坏原因，这是由于内衬塑料构件在水压作用下，防水塑料板产生变形，四节点跨中位置变形较大，变形越大节点焊缝处受到的应力越大，最后导致焊缝发生撕裂破坏。当构件上12号节点发生破坏后，导致栓钉间距变大，防水塑料板在缺少一个节点的约束下产生更大的变形，最后塑料板发生剪切破坏。从试验结果可知，在栓钉间距为200 mm时，内衬塑料构件承压能力取决于节点焊缝强度，通过提高节点处焊缝强度，可提高构件的整体承压能力。

图11 PCS-1破坏示意图

对试件PCS-2，当水压加载至80 kPa时，构件内部节点均未发生损坏，内衬塑料构件防水塑料板发生破裂，塑料板断裂位置如图12a所示。对试件PCS-2进行切割处理，选取中心位置13号节点处进行切割，该处位置焊缝和螺纹车丝处均未发生破坏（如图12b所示），其余节点位置在试验过程中也未发生位移突变情况。由试验结果知，在栓钉间距为300 mm时，内衬塑料构件承压取决于PP板厚度，通过增大板厚，可以提高构件的整体水压承载力。

图12 PCS-2破坏示意图

对试件PCS-3进行水压加载，由于栓钉间距较大，塑料板变形也较大，对应的水压承载力较小，因此压力按照1 kPa逐级加载。当压力加载至38 kPa时，13号节点处发生破坏，该处位移突然增大，试件内压力瞬间降至18 kPa；接着进行第二阶段加压，当水压力递增加载至26 kPa时，14号节点破坏，试件内压力降至17 kPa；继续对其加压至26 kPa时，内衬PP板破裂，试件破坏图及塑料板断裂位置如图13a所示。对破坏节点进行切割发现，13号节点发生焊缝破坏（如图13b所示）；14号节点焊缝良好，螺纹连接处破坏如图13c所示。

图13 PCS-3破坏示意图

当第一、第二个节点相继破坏后，栓钉间距加大，随着压力的增大，防水塑料板最终破裂。由试验结果知，在栓钉间距为400 mm时，内衬塑料构件承压能力取决于节点的焊缝强度以及螺纹的咬合能力，因此增大节点焊缝和螺纹连接强度可以提高构件的整体水压承载力。

4.4 栓钉间距-水压关系

通过水压加载试验，不同栓钉间距的试件PCS-1、PCS-2、PCS-3能承受的最大水压力分别是180、80、38 kPa，PCS-1和PCS-3均是节点处先发生破坏，节点强度是影响水压承载力的关键。栓钉间距为200 mm时，水压承载力为180 kPa；栓钉间距为300 mm时，水压承载力为80 kPa，相比栓钉间距为200mm的构件，其承载力降低了56%；栓钉间距为400 mm时，水压承载力为38 kPa，相比栓钉间距为300 mm的构件，其承载力降低了53%。栓钉间距不断增大，水压承载力不断减小。

5 结 论

本文通过设计不同栓钉间距的塑料-混凝土试验构件进行水压加载试验，探究塑料-混凝土中内衬塑料构件的水压承载力和受力情况，主要研究结论如下：

1）在水压作用下，塑料板内应力和位移都随水压的增大而增大，节点位置承受较大拉力且应力最大值分布不均，跨中位置承受应力较小且最大值分布均匀；塑料板内跨中位置的位移值随水压增大呈线性增加，节点位置的位移值变化较小。塑料板跨中处应变随位移的增大而增大。

2）在10 mm塑料板厚和给定连接节点条件下，塑料-混凝土防水体系水压承载力随着栓钉间距增大而减小。栓钉间距为200 mm时，水压承载力为180 kPa；栓钉间距为300 mm时，水压承载力为80 kPa，相比栓钉间距为200 mm的构件，其承载力降低了56%；栓钉间距为400 mm时，水压承载力为38 kPa，相比栓钉间距为300 mm的构件，其承载力降低了53%。

3）塑料-混凝土防水体系达到水压承载力时其破坏模式随栓钉间距的变化而不同，在栓钉间距为200 mm时，发生节点焊缝强度破环，此类构件可通过增强节点处焊缝强度提高塑料构件的整体水压承载力；在栓钉间距为300 mm时，发生塑料板破环，此类构件可通过增大板厚来提高构件的整体水压承载力；在栓钉间距为400 mm时，发生节点焊缝强度破环，此类构件可增大节点焊缝强度来提高构件的整体水压承载力。

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Ding Ming, Wang Zhenqing, Zhang Hao, et al. Experimental study of silicone structural adhesive used for bonding of waterproof polypropylene plastic board to concrete in underground granary[J]. New Building Materials, 2018, 45(5): 140-141, 145. (in Chinese with English abstract)

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Experiment on water pressure resistance of plastic-concrete waterproof system of underground granary

Zhang Hao, Meng Qingting, Tao Yuanqing, Wang Zhenqing, Kang Shaopeng, Zhang Xiangxiang

(450001,)

The underground granary has the advantages of energy conservation, land saving, low temperature, and environment protection. However, resistance of water and moisture from the groundwater has been main concerns for storing grains in underground granary. A plastic-concrete waterproof system using the polypropylene plastic (PP) as the waterproof layer was proposed. In this system, the plastic plate and concrete components were connected with plastic studs. Three plastic-concrete testing models were designed and fabricated based on the different stud spaces for the underground granary. In order to analyze the failure mode, failure mechanism, internal force and deformation of the plastic members under the water pressure, hydraulic loading tests were carried out.The test results showed that: the internal stress and displacement of the plastic plate increased with the increase of water pressure; the larger tensile force appeared at the joint area with the maximum stress unevenly distributed; the stress at mid-span was small with the maximum stress uniformly distributed. The displacement at the mid-span of the plastic plate increased linearly with increase of water pressure, whereas the displacement displacement at the joint changed slightly. On the basis of experimental analysis, the optimal design measures were proposed for the plastic-concrete waterproof system with plastic plate of 10 mm and given connection joints. When the water pressure reached its bearing capacity the failure modes of the plastic-concrete waterproof system were changed with change stud spacing. For the stud space of 200 mm, the joint weld seam was damaged at the water pressure of 180 kPa, which indicated that the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be improved by enhancing the weld strength at the joint. For the stud space of 300 mm, the plastic plate was damaged with the water pressure capacity of 80 kPa, which indicated that the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be enhanced by increasing the plate thickness. For the stud space of 400 mm, the joint weld seam was destroyed when the water pressure reached 38 kPa, the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be enhanced by increasing the strength of the joint weld seam. The research results can provide a reference for waterproof design of the underground granary.

mechanical properties; joint; underground granary; polypropylene plastic; hydraulic loading test; water pressure bearing capacity

张昊，孟庆婷，陶元庆，等. 地下粮仓塑料-混凝土防水体系抗水压试验[J]. 农业工程学报，2020，36(21)：292-299. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.035 http://www.tcsae.org

Zhang Hao, Meng Qingting, Tao Yuanqing, et al. Experiment on water pressure resistance of plastic-concrete waterproof system of underground granary[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 292-299. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.035 http://www.tcsae.org

2020-07-03

2020-10-30

河南省科技攻关项目（202102110122）；省属高校基本科研业务费专项资金项目（2016QNJH23）；河南工业大学高层次人才科研启动基金项目（2018BS077）

张昊，副教授，主要研究方向为储仓结构和绿色储粮体系。Email：zzbright@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.035

TU57

A

1002-6819(2020)-21-0292-08