高慶華 陳隆杰 劉科 徐建 劉亮 傅俊俊 鮑意 金宇騑 王聰 謝斌

浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院

摘 要：土工布是土工合成材料中重要的一類，在工程使用中具有重要作用，須經(jīng)第三方檢測合格方可使用。檢測方法不當(dāng)，將給檢測結(jié)果帶來嚴(yán)重失真，工程無法參考，因此有必要對(duì)土工布的力學(xué)性能試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。針對(duì)幾種土工布進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和CBR頂破強(qiáng)度試驗(yàn)研究，分析檢測方式對(duì)檢測結(jié)果的影響，為如何進(jìn)行準(zhǔn)確的試驗(yàn)檢測提供方法依據(jù)，另外研究不同溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響，從而為我們?cè)囼?yàn)時(shí)在一定范圍內(nèi)是否需要進(jìn)行溫控調(diào)節(jié)提供參考。

關(guān)鍵詞：土工布;檢測方法;結(jié)果;試驗(yàn)研究;

作者簡介：高慶華(1987—),女，陜西咸陽人，研究生，工程師，研究方向：公路水運(yùn)工程試驗(yàn)檢測;

0引 言

土工合成材料在工程中大量應(yīng)用[1],對(duì)路基路面起到防滲、過濾及穩(wěn)定等作用[2],對(duì)結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，因此工程上必須采用品質(zhì)優(yōu)良的材料[3,4]。任何不符合要求的材料不得用于工程建設(shè)，因此每批采購的原材料在使用之前必須進(jìn)行試驗(yàn)檢測，符合技術(shù)要求方可使用，這給檢測提出了很高的要求，必須采用正確的檢測方法才能得出可靠的檢測結(jié)果。檢測方法不當(dāng)，檢測結(jié)果就不準(zhǔn)確，這將給委托方造成嚴(yán)重影響。若將不合格的材料檢測為合格，給工程使用帶來安全隱患，若將合格檢測為不合格，材料不能及時(shí)應(yīng)用導(dǎo)致工程延期，另外將不合格材料退回廠家，重新再生產(chǎn)而導(dǎo)致供應(yīng)商人力物力浪費(fèi)。土工布拉伸試驗(yàn)和CBR頂破試驗(yàn)有效反應(yīng)土工布力學(xué)性能，因此，對(duì)常見的幾種土工布拉伸試驗(yàn)和CBR頂破試驗(yàn)方法進(jìn)行分析，對(duì)相關(guān)試驗(yàn)操作進(jìn)行改進(jìn)，從而保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為工程建設(shè)提供正確的檢測報(bào)告[5,6,7]。

通過對(duì)長絲紡粘針刺土工布、路基穩(wěn)定濾網(wǎng)、防滲土工布等幾種常見土工布進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和CBR頂破試驗(yàn)，對(duì)比不同試驗(yàn)方法對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生的影響，通過對(duì)幾種不同土工合成材料在溫濕度條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究試驗(yàn)溫濕度對(duì)檢測結(jié)果的影響。

1試驗(yàn)材料

土工合成材料采用有長絲紡粘針刺土工布、路基穩(wěn)定濾網(wǎng)、防滲土工布樣品規(guī)格如表1所示。

2試驗(yàn)儀器及設(shè)備

土工合成材料拉伸試驗(yàn)和CBR頂破試驗(yàn)采用的儀器如表2所示。

表1 試驗(yàn)材料 導(dǎo)出到EXCEL

表2 試驗(yàn)儀器設(shè)備 導(dǎo)出到EXCEL

3試樣制備

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，土工布拉伸試驗(yàn)采用的試樣為在樣品同一方向裁取的試樣，試樣數(shù)量取5塊，長絲無紡針刺土工布試樣寬度為200 mm, 試樣長度220 mm, 既能滿足夾具間距離為100,又能保持兩端有足夠長度加持。CBR頂破強(qiáng)度試驗(yàn)采用直徑為300 mm的圓形試樣，樣品數(shù)量為5塊，每塊試樣離外圈50 mm處均勻開6條8 mm寬的槽。

4試驗(yàn)檢測

4.1 不同土工合成材料拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)采用夾具處夾襯土工布和未加襯土工布兩種方法進(jìn)行試驗(yàn)，采用的土工布為無紡?fù)凉げ迹渌砻婀饣?、韌性較大、厚度較薄的材料不適合采用，進(jìn)而比較兩種試驗(yàn)方法對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)采用波浪型夾具、位移控制系統(tǒng)，位移速率20 mm/min, 試樣在20 ℃、65%濕度條件下調(diào)節(jié)24 h。

通過對(duì)長絲無紡針刺土工布在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種加持方式下長絲無紡針刺土工布拉伸試驗(yàn)結(jié)果 下載原圖

通過對(duì)路基穩(wěn)定濾網(wǎng)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種加持方式下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)試驗(yàn)結(jié)果 下載原圖

通過對(duì)防滲土工布在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種加持方式下防滲土工布拉伸試驗(yàn)結(jié)果 下載原圖

4.2 不同土工合成材料拉伸試驗(yàn)在兩種加持條件下試驗(yàn)結(jié)果分析

通過圖1中5塊試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，兩種加持方式對(duì)長絲無紡針刺土工布的拉伸試驗(yàn)結(jié)果無明顯影響。未加襯土工布條件下，長絲無紡針刺土工布拉伸強(qiáng)度平均值為36.9 kN/m, 夾襯土工布條件下，長絲無紡針刺土工布拉伸強(qiáng)度平均值為37.1 kN/m, 兩種方式拉伸強(qiáng)度幾乎誤差別，說明長絲無紡?fù)凉げ祭煸囼?yàn)結(jié)果不受加襯方式的影響，試驗(yàn)時(shí)可直接對(duì)試樣進(jìn)行加持，不需要在夾具中夾襯墊材。

從圖2中5塊路基穩(wěn)定濾網(wǎng)試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，夾持方式對(duì)路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸試驗(yàn)結(jié)果影響較大，夾襯土工布下的試驗(yàn)結(jié)果顯著大于未夾襯土工布時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，5塊試樣試驗(yàn)結(jié)果相差均在20 kN/m左右，其中最大相差25 kN/m。未加襯土工布條件下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強(qiáng)度平均值為43.9 kN/m, 夾襯土工布條件下，其拉伸強(qiáng)度平均值為65.6 kN/m, 表明夾襯土工布可將試驗(yàn)結(jié)果提高49%。說明在進(jìn)行路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸試驗(yàn)時(shí)，夾持方式對(duì)其結(jié)果具有極大影響，因此在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)須在夾具內(nèi)夾襯輔助材料，才能得到準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從圖3中5塊防滲土工布試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，兩種加持條件下防滲土工布拉伸試驗(yàn)結(jié)果幾乎無差別，5塊試樣試驗(yàn)結(jié)果相差基本在2 kN/m上下。未加襯土工布條件下防滲土工布拉伸強(qiáng)度平均值為54.8 kN/m, 夾襯土工布條件下防滲土工布拉伸強(qiáng)度平均值為55.5 kN/m, 兩種夾襯方式下的試驗(yàn)結(jié)果幾乎相同，表明防滲土工布試驗(yàn)結(jié)果也不受加襯方式的影響，拉伸試驗(yàn)時(shí)可直接對(duì)試樣進(jìn)行加持，不需要在夾具中夾襯墊材。

通過三種土工合成材料拉伸試驗(yàn)可以看出，材料性質(zhì)不同，試驗(yàn)時(shí)對(duì)夾具的加持要求不同。長絲無紡針刺土工布和防滲土工布對(duì)加持方式無要求，無論在夾具中夾襯材料與否均不影響拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，而路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)受夾襯方式影響較大，在夾具中夾襯材料，則能顯著提高試驗(yàn)結(jié)果。這種現(xiàn)象受材料組成、厚度、材料表面性能等因素影響，長絲無紡針刺土工布以聚合物紡絲為原料、經(jīng)紡絲、鋪網(wǎng)、針刺加固而成的，材料柔軟、較厚，表面平整、摩擦大，因此在夾具中較易加持而不滑移。防滲土工布由兩布一膜組成，其中一布為無紡?fù)凉げ?，具有無紡?fù)凉げ嫉男阅?，因此也能在夾具中加持牢固，拉伸結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)材料性能。選取的路基穩(wěn)定濾網(wǎng)是改性聚丙烯材質(zhì)，材料較薄，表面較為光滑，不易加持牢固，拉伸時(shí)容易產(chǎn)生滑移。而試樣在加持牢固的情況下，材料主要受試驗(yàn)機(jī)法向拉伸力，克服試驗(yàn)機(jī)拉伸作用而發(fā)生塑性變形，直至破裂；相反材料未加持牢固，材料不僅受試驗(yàn)機(jī)法向力作用，還受夾具摩擦力作用，而計(jì)算機(jī)采集的是材料最大拉伸強(qiáng)度時(shí)試驗(yàn)機(jī)的拉力，由于摩擦力作出貢獻(xiàn)從而采集的拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)較小。

4.3 不同土工合成材料CBR頂破試驗(yàn)

三種材料在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h, 設(shè)置萬能試驗(yàn)機(jī)速率為60 mm/min, 每種材料分兩組分別在夾襯材料和不加襯材料的方式下進(jìn)行CBR頂破試驗(yàn)，三種材料在兩種加持條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示：其中路基穩(wěn)定濾網(wǎng)試驗(yàn)后試樣狀態(tài)如圖7所示。

圖4 兩種加持條件下長絲無紡針刺土工布試驗(yàn)分析 下載原圖

圖5 兩種加持條件下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)試驗(yàn)結(jié)果 下載原圖

圖6 兩種加持條件下防滲土工布CBR頂破試驗(yàn)結(jié)果 下載原圖

圖7 兩種加持方式下CBR頂破試驗(yàn)后的試樣 下載原圖

從圖4和圖5的CBR頂破試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，,長絲無紡針刺土工布和防滲土工布試驗(yàn)結(jié)果和他們拉伸試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相同，其檢測結(jié)果幾乎不受加持方式的影響。長絲無紡針刺土工布在兩種加持方式下CBR頂破強(qiáng)度均值僅相差25 N,防滲土工布在兩種加持方式下CBR頂破強(qiáng)度均值僅相差2 N。從圖5可看出路基穩(wěn)定濾網(wǎng)受夾具夾襯方式影響較大，夾襯土工布的5塊試樣試驗(yàn)結(jié)果均顯著大于未夾襯土工布的試樣試驗(yàn)結(jié)果，兩種方式試驗(yàn)結(jié)果相差均在1 200 N以上，其中最大相差2 381 N。夾具未加襯土工布的路基穩(wěn)定濾網(wǎng)CBR頂破強(qiáng)度試驗(yàn)平均值為4 969 N,夾襯土工布的路基穩(wěn)定濾網(wǎng)CBR頂破強(qiáng)度試驗(yàn)平均值為6 754 N,夾具夾襯土工布可將CBR頂破試驗(yàn)結(jié)果提高36%。表明在夾具中夾襯材料能有效提高CBR頂破試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)行路基穩(wěn)定濾網(wǎng)CBR頂破試驗(yàn)時(shí)，須在夾具內(nèi)夾襯輔助材料，才能得到準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，否則因試樣打滑、磨損等因素導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)變小，不能真實(shí)反應(yīng)材料性能。

圖7是兩種加持方式下CBR頂破試驗(yàn)的試樣形貌特征，其中左側(cè)是未在夾具夾襯材料的試驗(yàn)形貌，右側(cè)是在夾具中夾襯材料的試驗(yàn)形貌，從圖5中明顯看出，未夾襯材料的試樣經(jīng)頂破試驗(yàn)后槽口處有明顯的撕扯脫須現(xiàn)象，這是因?yàn)槁坊€(wěn)定濾網(wǎng)厚度較薄，表面光滑，不易加持牢固，槽口在試驗(yàn)過程中由于圓柱形頂壓桿的頂力作用而受到拉扯，因此產(chǎn)生頂破區(qū)域內(nèi)的材料脫須，脫須導(dǎo)致材料受損，從而使得檢測結(jié)果偏小。

4.4 不同溫度下土工合成材料試驗(yàn)性能

本部分選取路基穩(wěn)定濾網(wǎng)作為研究對(duì)象，選用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)路基穩(wěn)定濾網(wǎng)分別在10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃等5個(gè)不同溫度下、65%濕度下進(jìn)行24 h調(diào)節(jié)后試驗(yàn)，從而得出不同溫度下試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 導(dǎo)出到EXCEL

對(duì)每個(gè)溫度下的拉伸強(qiáng)度計(jì)算平均值，對(duì)其變化規(guī)律作如圖8所示。

圖8 不同溫度下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸試驗(yàn)結(jié)果 下載原圖

從表3可以看出，溫度對(duì)路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強(qiáng)度影響不大，5個(gè)溫度下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果比較接近。從圖8也可以看出，5組試樣拉伸強(qiáng)度平均值相差不大，最大值與最小值相差僅3.3 kN/m, 說明路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強(qiáng)度對(duì)溫度敏感性不大，這可能與材料本身性質(zhì)有關(guān)。現(xiàn)行規(guī)范要求試樣在溫度20±2 ℃,相對(duì)濕度65±5%的環(huán)境下調(diào)節(jié)24 h, 如果試樣不受環(huán)境影響，可不必對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，但在試驗(yàn)記錄中需對(duì)當(dāng)時(shí)的環(huán)境記錄即可。因此，路基穩(wěn)定濾網(wǎng)在進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、CBR頂破試驗(yàn)時(shí)可作適當(dāng)參考。

5總 結(jié)

通過設(shè)置材料變量、夾具加持條件、溫度變量研究工程常用的三種土工布拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)和CBR頂破強(qiáng)度試驗(yàn)方法，從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)兩種試驗(yàn)方法而言，需要針對(duì)材料性質(zhì)采取相應(yīng)措施。通過三種材料的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)和CBR頂破強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，長絲無紡針刺土工布和防滲土工布不受加持方式影響，試驗(yàn)時(shí)可直接用夾具加持，只要確保夾具擰緊即可。相反，進(jìn)行路基穩(wěn)定濾網(wǎng)兩種試驗(yàn)時(shí)，需要加襯材料，否則檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。另外對(duì)路基穩(wěn)定濾網(wǎng)在5種試驗(yàn)溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果影響幾乎為零，現(xiàn)行規(guī)范并非要求所有土工合成材料必須進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)調(diào)溫調(diào)濕，試樣不受環(huán)境影響時(shí)試驗(yàn)時(shí)在原始記錄詳細(xì)記錄實(shí)際溫濕度即可，因此對(duì)于路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸試驗(yàn)，可作一定參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉凱琳，趙永霞，張娜，等.土工合成材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展望[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2019,(S1):6-28.

[2] 龍嘯云，張琰，葛明橋，等.高強(qiáng)度抗老化土工布的制備與性能表征[J].紡織學(xué)報(bào)，2018,39(01):66-67.

[3] 位華瑞.聚丙烯紡粘針刺土工布的制備及其抗紫外老化性能研[D].上海：東華大學(xué)，2020.

[4] 李辰.土工布球形鼓脹變形實(shí)驗(yàn)研究[D].山東：濟(jì)南大學(xué)，2020.

[5] 林海，韓卓韋，施建勇，等.土工合成材料界面剪切破壞機(jī)理和峰值強(qiáng)度分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020,48(07):100-105.

[6] 本德萍，郭曉玲，沈艷琴，等.新型復(fù)合土工布性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].上海紡織科技，2003,31(1):43-45.

[7] 黃鑫.短纖針刺非織造土工布拉伸試驗(yàn)影響因素分析[J].工程設(shè)備與材料，2020(24):121-122.

[8] 楊武，侍克斌，何建新，等.不同膜厚復(fù)合土工膜的蠕變特性及模型研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2021,43(05):43-45.

[9] 耿樟帥，李麗華.土工合成材料與稻殼灰土界面特性研究[J].中國科技論文，2020,15(8):891-894.

[10] 張?jiān)倥d，劉讓同.熱復(fù)合土工膜拉伸、抗?jié)B性能的影響因素分析[J].非織造2004,12(1):17-23.

[11] 岳娟.高面膜堆石壩防滲與變形穩(wěn)定分析研究[D].山東：山東大學(xué)，2018.

[12] 高樹青，馬明磊，劉斌，等.高強(qiáng)合成纖維土工材料在基礎(chǔ)設(shè)施施工中的應(yīng)用分析[C].2020年工業(yè)建筑學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集(下冊(cè)).北京：中國會(huì)議，2004.

[13] 婁輝清，曹先仲，閆新，等.生態(tài)型植生護(hù)坡土工布的性能評(píng)價(jià)及損傷分析[J].絲綢，2020,57(9):41-43.

[14] 鄭超，周衛(wèi)東，劉志達(dá)，等.垃圾滲濾液對(duì)土工布拉伸性能及筋土界面的影響[J].人民長江，2020,51(8):204-206.

[15] 楊志剛.土工膜上墊層及護(hù)面施工技術(shù)[J].河南水利與南水北調(diào)，2020,49(07):39-40.

[16] 何智.土工合成材料在水運(yùn)工程中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)，2020,20(5):144-145.

[16] 周芬，朱恒，杜運(yùn)興，等.建筑垃圾與土工合成材料界面性能試驗(yàn)研究[J].公路工程，2020,45(4):96-100.