上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434

土工織物被廣泛應(yīng)用于水利、鐵道、公路等工程中，起到過(guò)濾、排水、加筋、隔離、防護(hù)等作用?？讖阶鳛橥凉た椢锏闹匾锢碇笜?biāo)，是水利、交通等工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)[1]。由于土工織物的孔徑可以反映其透水與保持土顆粒的能力，因此在設(shè)計(jì)孔徑大小時(shí)，既要保證水能順利通過(guò)土工織物，又要防止土體的石粒被水流沖走。目前測(cè)定土工織物孔徑的方法有很多，包括顯微鏡法、投影放大測(cè)讀法、泡點(diǎn)法、干篩法、濕篩法等。我國(guó)工程業(yè)主要使用干篩法進(jìn)行測(cè)試，關(guān)于其他方法的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。本文選取3種工藝共9種土工織物，分別采用顯微鏡法、干篩法、濕篩法和泡點(diǎn)法對(duì)9種土工織物的孔徑進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析這4種孔徑測(cè)試方法的優(yōu)劣。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本文選用表1中的9種土工織物進(jìn)行孔徑測(cè)試試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)所用樣品

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 顯微鏡法

(1) 試驗(yàn)原理。將土工織物置于XPF-500C型光學(xué)顯微鏡下，用Image Fiber System軟件對(duì)土工織物進(jìn)行圖像采集。光照下，纖維不透光呈黑色，而孔隙透光呈白色；利用二值化，即將圖像上像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255，使整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果[2]；測(cè)量白色區(qū)域的面積，并將其換算成等面積圓的直徑作為孔徑。圖1是二值化處理后的土工織物效果圖。

(2) 測(cè)試方法。于樣品非邊緣區(qū)域隨機(jī)取樣，進(jìn)行圖像拍攝，用Image Fiber System軟件計(jì)并對(duì)其算其孔徑面積，最后換算成等面積圓的直徑。

圖1 二值化處理后的土工織物效果圖

1.2.2 泡點(diǎn)法

(1) 試驗(yàn)原理。用具有良好浸潤(rùn)性的液體浸潤(rùn)試樣，然后測(cè)量氣體置換出試樣孔隙內(nèi)的浸潤(rùn)液所需的壓力，此時(shí)施加的壓力p與孔隙的直徑D遵循Washburm方程，即p·D=4γcosθ，其中，γ為液體的表面張力，θ為樣品與液體的接觸角。求解該方程即可獲得材料內(nèi)部孔道的孔徑參數(shù)。該方法還可獲取整個(gè)樣品的孔徑分布曲線，如圖2所示。

圖2 土工織物的孔徑分布曲線

(2) 測(cè)試方法。使用Galwick?溶劑將直徑為3 cm的樣品完全浸潤(rùn)，置入美國(guó)Quantachrome儀器公司的Porometer 3G型孔徑儀進(jìn)行測(cè)試，其可自動(dòng)測(cè)出結(jié)果。

1.2.3 干篩法

(1) 試驗(yàn)原理。將土工織物作為篩網(wǎng)，用已知直徑范圍的標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料進(jìn)行振篩，稱(chēng)量通過(guò)試樣的標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料質(zhì)量，然后計(jì)算其過(guò)篩率，繪制土工織物的孔徑分布曲線，從曲線上讀出等效孔徑O90的值[3]。

(2) 測(cè)試方法。將標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料按粒徑(nm)分為11組，即[45，65)，[65，74)，[74，90)，[90，125)，[125，154)，[154，180)，[180，250)，[250，280)，[280，355)，[355，500)，[500，710)。安裝并固定好試樣，在其上方均勻?yàn)⑸?0 g標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料，搖振10 min，稱(chēng)量通過(guò)的顆粒材料質(zhì)量，計(jì)算平均過(guò)篩率。再用下一組標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料對(duì)上述試樣進(jìn)行振篩，如此反復(fù)直至平均過(guò)篩率小于5%。然后繪制平均過(guò)篩率與孔徑的關(guān)系曲線，其中橫坐標(biāo)(對(duì)數(shù)坐標(biāo))為每組標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料粒徑的下限值，縱坐標(biāo)為相應(yīng)的平均過(guò)篩率，則曲線上過(guò)篩率為10%的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的直徑即為O90。

1.2.4 濕篩法

(1) 試驗(yàn)原理。將土工織物作為篩網(wǎng)，對(duì)織物和級(jí)配顆粒材料進(jìn)行噴水，同時(shí)進(jìn)行振篩，振篩完畢后以通過(guò)的級(jí)配顆粒材料的特定粒徑表示試樣的有效孔徑[4]。

(2) 測(cè)試方法。投放一定量的無(wú)黏性連續(xù)級(jí)配、不均勻系數(shù)為3～20的顆粒材料，然后對(duì)試樣進(jìn)行噴水，并在一定的頻率和振幅下振篩10 min，對(duì)通過(guò)的顆粒材料進(jìn)行分析，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以通過(guò)的顆粒材料的累計(jì)百分比為縱坐標(biāo)、相應(yīng)的篩子尺寸為橫坐標(biāo)繪制曲線，找出曲線上縱坐標(biāo)為90%的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值即為O90。

2 試驗(yàn)結(jié)果

分別用上述4種孔徑測(cè)試方法對(duì)本文選取的9種樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 孔徑測(cè)試結(jié)果

分析試驗(yàn)過(guò)程可知：

(1) 顯微鏡法具有直觀、測(cè)定速度快、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。此法的缺點(diǎn)是對(duì)于較厚的土工織物(如1#～6#)，由于光無(wú)法穿透，無(wú)法對(duì)其孔徑進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于光澤好的土工織物(如7#～9#)，其在光源下的反光強(qiáng)烈，使得成像時(shí)纖維也呈白色，需進(jìn)行后處理才能測(cè)量。

(2) 泡點(diǎn)法操作簡(jiǎn)單，能測(cè)出各種孔徑并得到孔徑分布曲線，可以較為全面、準(zhǔn)確地反映出土工織物內(nèi)部孔徑的分布情況，并且適合各種類(lèi)型的土工織物的孔徑測(cè)試。但是該方法未考慮潤(rùn)濕液對(duì)試樣的影響，即潤(rùn)濕液會(huì)使不同材質(zhì)的纖維產(chǎn)生不同程度的溶脹，可能會(huì)對(duì)土工織物的孔徑測(cè)試結(jié)果造成影響。

(3) 干篩法操作方便且使用的標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料與工程現(xiàn)場(chǎng)類(lèi)似，能較好地模擬工程實(shí)際情況。但試驗(yàn)受靜電的影響較大，易導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏小且離散較大。由于該法測(cè)試時(shí)所用的最細(xì)一組標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料的直徑為45～65 μm，因此無(wú)法測(cè)得孔徑小于45 μm的土工織物孔徑。

(4) 濕篩法所使用的連續(xù)級(jí)配顆粒材料和水流可以很好地模擬工程中雨水沖刷等實(shí)際情況，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定且準(zhǔn)確性高。但是該法操作過(guò)程繁雜，工作量大，試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：顯微鏡法屬于直接測(cè)試法，其受測(cè)試條件所限，所得測(cè)試結(jié)果與其他3種方法無(wú)可比性。間接測(cè)試法中，測(cè)得的織物孔徑由大至小依次為濕篩法、干篩法和泡點(diǎn)法。其中濕篩法和干篩法測(cè)得的結(jié)果比較接近。這是由于干篩法測(cè)試時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料易受靜電作用而被吸附到織物表面，對(duì)于厚度較大的非織造土工織物，標(biāo)準(zhǔn)顆粒材料容易淤堵在織物內(nèi)彎彎曲曲的孔徑通道中而不易穿過(guò)織物；而濕篩法中的水流不僅可以消除靜電吸附作用的干擾，還能充當(dāng)級(jí)配顆粒材料與土工織物之間的潤(rùn)滑劑角色，同時(shí)水的流動(dòng)對(duì)級(jí)配顆粒形成一定沖擊，使得級(jí)配顆粒材料更容易通過(guò)織物中的孔隙，因此濕篩法測(cè)得的孔徑比干篩法大。泡點(diǎn)法的測(cè)試機(jī)理不同于濕篩法和干篩法，單從數(shù)值來(lái)看，濕篩法測(cè)得的結(jié)果均在泡點(diǎn)法的1.5倍以上。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用4種孔徑測(cè)試方法對(duì)3種工藝的9種樣品進(jìn)行測(cè)試，比較分析了這4種方法的優(yōu)劣，由此可知，顯微鏡法受限過(guò)多，因此不建議采用，干篩法和濕篩法能夠較好地模擬工程實(shí)際情況，濕篩法和泡點(diǎn)法的適用范圍較廣，故研究人員可根據(jù)需求選用合適的孔徑測(cè)試方法。鑒于泡點(diǎn)法和濕篩法的測(cè)試機(jī)理不同，此兩者之間更為確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系尚待進(jìn)一步研究。