(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 2.浩珂科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272104)

1 研究背景

土工合成材料是以人工合成聚合物為原料制造成的應(yīng)用于土木工程的各種合成材料產(chǎn)品的總稱，具有加筋、防滲、排水、反濾、隔離等功能。自20世紀(jì)50年代合成纖維正式應(yīng)用于土木工程至今，土工合成材料以其品種多樣性、性能優(yōu)越性、施工便利性等已日漸成為巖土、水利、交通、航運(yùn)等領(lǐng)域不可或缺的工程材料。

近年來，隨著原材料及生產(chǎn)工藝等的進(jìn)步，國內(nèi)外新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)展迅速，涌現(xiàn)出很多新品種，如高強(qiáng)經(jīng)編復(fù)合土工織物、立體防排水板/片、反濾復(fù)合型土工格柵等，改善或提高了傳統(tǒng)材料的物理、力學(xué)、水力學(xué)性質(zhì)及長期耐久性等。但有關(guān)這些新材料基本性能的測試方法及評價(jià)方法的研究卻相對滯后，導(dǎo)致新材料性質(zhì)參數(shù)在工程應(yīng)用中難以準(zhǔn)確合理地反映，設(shè)計(jì)施工人員無據(jù)可依，只得沿用其他類似材料的方法和參數(shù)，既可能存在材料過度利用而帶來的工程安全隱患，也可能由于低估材料性質(zhì)而造成工程成本的增加。因此，需要重視各種新材料新品種基本性能的相關(guān)研究，充分積累數(shù)據(jù)資料，以促進(jìn)相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)及測試標(biāo)準(zhǔn)的盡快制定，規(guī)范工程應(yīng)用，保障工程安全。

2 新型高強(qiáng)經(jīng)編復(fù)合土工織物簡介

土工織物按照制造工藝可分為2大類，即無紡?fù)凉た椢锖陀屑復(fù)凉た椢?。前者是由?xì)絲或纖維按隨機(jī)或定向排列成蓬松纖網(wǎng)，經(jīng)機(jī)械加工，使網(wǎng)絲相互連系而成的結(jié)構(gòu)物，如短纖針刺土工織物、長絲紡黏土工織物等。后者是由長絲或纖維按定向排列機(jī)織而成，其中機(jī)織型是將2組平行細(xì)絲相互垂直或呈斜角方向交織而成，順機(jī)器方向?yàn)榻?jīng)絲；針織型是采用經(jīng)編線將兩組相互垂直的纖維絲交叉連接起來，又稱經(jīng)編型土工織物。圖1為機(jī)織型與針織型織物的結(jié)構(gòu)對比示意圖。

圖1 機(jī)織型土工織物與經(jīng)編型土工織物結(jié)構(gòu)對比

國內(nèi)目前生產(chǎn)的大部分無紡織物的強(qiáng)度不高，只有10～30 kN/m，常用機(jī)織型土工織物的強(qiáng)度可達(dá)20～50 kN/m，部分高強(qiáng)度編織型織物強(qiáng)度可達(dá)100 kN/m以上。

隨著工程應(yīng)用中對高性能土工材料需求的日益增多，一種新型高強(qiáng)經(jīng)編復(fù)合土工織物已被成功研發(fā)，結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 高強(qiáng)經(jīng)編復(fù)合土工織物

這種新型織物的材料是將高模低縮滌綸工業(yè)長絲與丙綸短纖無紡?fù)凉た椢锊捎媒?jīng)編工藝加工而成的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)無紡織物或經(jīng)編織物相比，這種復(fù)合材料的最大特點(diǎn)是在經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)加工時(shí)，滌綸長絲經(jīng)線與緯線在交叉點(diǎn)處不彎曲，各自處于平直狀態(tài)，利用捆綁線在經(jīng)、緯絲與短纖針刺土工織物基層的纖維間反復(fù)穿行，使三者編結(jié)為一體。滌綸長絲起到主要承擔(dān)拉力的作用，其布置數(shù)量、間距等可以根據(jù)要求的產(chǎn)品強(qiáng)度指標(biāo)及單絲強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。從外觀上看，復(fù)合織物具有類似于雙向格柵的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)形式。

這種特殊的經(jīng)編制造工藝可使復(fù)合織物具有很多優(yōu)點(diǎn)，如抗拉強(qiáng)度更高(可達(dá)200 kN/m以上)，縱橫向變形均勻，抗撕裂強(qiáng)度高，耐磨性好等，同時(shí)兼具針刺無紡織物的透水反濾性能，拓展了土工織物在一些高標(biāo)準(zhǔn)高等級工程中的應(yīng)用范圍。

參照《土工合成材料 機(jī)織/非織造復(fù)合土工布》(GB/T 18887—2002)[1]的規(guī)定，這種經(jīng)編復(fù)合土工織物的抗拉強(qiáng)度可采用《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品 寬條拉伸試驗(yàn)》(GB/T 15788—2005)[2]的規(guī)定進(jìn)行寬條法試驗(yàn)。但國內(nèi)部分企業(yè)和工程界也有一種看法，即認(rèn)為由于這種復(fù)合織物具有網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)形式，其強(qiáng)度主要受高強(qiáng)長絲控制，抗拉原理與土工格柵類似，因此可參照《土工合成材料 土工格柵》(GB/T 17689—2008)[3]中的單肋法/多肋法獲得其抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，即裁取1組或數(shù)組滌綸長絲進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試樣中加筋絲條數(shù)和延米內(nèi)加筋絲條數(shù)換算成單寬強(qiáng)度。

筆者認(rèn)為，這種復(fù)合織物雖經(jīng)由經(jīng)編工藝使得縱橫向高強(qiáng)滌綸長絲與基層無紡織物連接為一個(gè)整體，但與經(jīng)定向拉伸形成的單/雙向格柵在結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)區(qū)別。首先，復(fù)合織物在縱橫向節(jié)點(diǎn)處并不具有強(qiáng)約束性，且土工織物寬條法與土工格柵肋條法計(jì)算得到的強(qiáng)度參數(shù)存在一定差異，工程設(shè)計(jì)時(shí)如采用肋條法計(jì)算所得的更大強(qiáng)度，可能會高估材料強(qiáng)度而降低工程安全裕度，帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。

為了進(jìn)一步闡明該復(fù)合織物拉伸特性的變化規(guī)律和影響因素，本文進(jìn)行了不同寬度、不同初始長度條件下的拉伸試驗(yàn)，同時(shí)，采用2種強(qiáng)度計(jì)算方法對復(fù)合織物的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

3 拉伸特性測試方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

拉伸試驗(yàn)采用長江科學(xué)院CMT5504微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。該機(jī)由主機(jī)(包括機(jī)架、底座、傳動系統(tǒng))、軟件系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)構(gòu)成，采用單空間結(jié)構(gòu)，下空間為拉伸空間，配置相應(yīng)夾具可完成金屬、非金屬(含復(fù)合材料)的拉伸、壓縮、剝離、撕裂、管材環(huán)剛度等材料力學(xué)性能測試。軟件系統(tǒng)采用Powertest V3.0試驗(yàn)軟件，開放式編程可根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。電氣系統(tǒng)采用DCS-300—基于DSP的試驗(yàn)機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制與測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移3種閉環(huán)控制方式。

CMT5504電子試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力為50 kN，準(zhǔn)確度等級為0.5級，試驗(yàn)力測量范圍(0.4%～100%)FS(0.2～50 kN)，測量分辨力達(dá)1/±300 000，橫梁速度可在0.001～500 mm/min范圍內(nèi)無級調(diào)速，變形測量范圍(0.2%～100%)FS，變形分辨力達(dá)最大變形量的1/±300 000，位移分辨力為0.025 μm。

3.2 試驗(yàn)方法

參照GB/T 15788—2005[2]、《土工合成材料測試規(guī)程》(SL 235—2012)[4]、《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E50—2006)[5]等的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)前先將試樣置于濕度60%±10%，溫度(20±2)℃的環(huán)境中靜置24 h后進(jìn)行干態(tài)拉伸試驗(yàn)。

采用高摩編織布襯墊對試樣在夾具內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，如試樣在鉗口內(nèi)或邊緣附近破壞，則剔除該試樣結(jié)果，并補(bǔ)充試樣，保證每組試驗(yàn)的有效試樣數(shù)至少達(dá)5個(gè)。

本次試驗(yàn)不進(jìn)行拉伸速率的比較分析，按照上述規(guī)范的規(guī)定，拉伸速率統(tǒng)一取為試樣初始長度的20% mm/min。

3.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用樣品包括2種規(guī)格的復(fù)合織物A和B，其原材料和生產(chǎn)工藝相同。由于滌綸長絲布置數(shù)量和間距不同而導(dǎo)致產(chǎn)品綜合強(qiáng)度不同，織物A每延米內(nèi)為30根，織物B為36根。

采用織物A進(jìn)行不同寬度對拉伸特性影響的對比試驗(yàn)，共6組，初始寬度分別為45，75，105，135，165，195 mm，初始長度均為100 mm，拉伸速率為20 mm/min，典型試樣見圖3。

圖3 不同寬度試樣示意圖(織物A)

采用織物B進(jìn)行不同初始長度對拉伸特性影響的對比試驗(yàn)，共5組，初始長度分別為100，150，200，300，400 mm，初始寬度均為52 mm，拉伸速率為初始長度的20% mm/min，即20，30，40，60，80 mm/min。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)成果主要包括拉伸強(qiáng)度、延伸率、5%應(yīng)變對應(yīng)拉伸強(qiáng)度等參數(shù)。

拉伸強(qiáng)度采用2種方法分別進(jìn)行計(jì)算。

(1)土工織物寬條法[2](以下簡稱為“寬條計(jì)算法”)，其計(jì)算公式為

T=1 000F/B。

(1)

式中：T為織物的單寬拉伸強(qiáng)度(kN/m)；F為織物試樣最大拉力(kN)；B為織物試樣寬度(mm)。

(2)土工格柵肋條法[3](以下簡稱為“格柵計(jì)算法”)，其計(jì)算公式為

T=FN/n。

(2)

式中：N為織物每米內(nèi)加筋絲根數(shù)(根/m)；n為織物試樣寬度內(nèi)的根數(shù)(根)。

考慮預(yù)負(fù)荷對試樣延伸率的影響，以最大拉力的1%作為預(yù)負(fù)荷[2]，延伸率ε為

(3)

式中：ΔL為最大拉力時(shí)試樣的伸長量(mm)；L0為試樣的初始長度(mm)；L′0為試樣預(yù)負(fù)荷伸長量(mm)。

每組試驗(yàn)結(jié)果取該組所有試樣的算術(shù)平均值，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分析。變異系數(shù)<15%可認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散程度較小，符合統(tǒng)計(jì)要求。

(4)

(5)

(6)

式中：n為試樣數(shù)量；xi為第i塊試樣的測試值。

表1 試驗(yàn)方案及拉伸試驗(yàn)成果匯總

注：織物A每延米內(nèi)為30根，織物B為36根，即nA=30，nB=36；CV為變異系數(shù)。

4 試驗(yàn)成果分析

表1列出2種織物各組拉伸試驗(yàn)得到的拉伸強(qiáng)度和延伸率。各組均包含至少5個(gè)有效試樣數(shù)，織物B各組試驗(yàn)的變異系數(shù)基本都<5%，說明該產(chǎn)品試樣均勻性較好。織物A各組試驗(yàn)的變異系數(shù)略大，但均≤15%，符合試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)要求。

4.1 拉伸破壞特性

從受拉過程中試樣的外觀變化情況來看，復(fù)合織物會發(fā)生一定的“頸縮”現(xiàn)象，如圖4。但受加筋絲的約束限制，“頸縮”只局限在最外側(cè)部分的基層無紡織物上，沒有常規(guī)無紡織物明顯，“頸縮比”較小。

圖4 復(fù)合織物拉伸后的“頸縮”現(xiàn)象

以各組試驗(yàn)中的典型試樣為范例，示出復(fù)合土工織物拉伸過程中變形-強(qiáng)度的變化關(guān)系，詳見圖5(圖例A-4-2表示A-4組試驗(yàn)的第2個(gè)試樣數(shù)據(jù),以此類推)。結(jié)合試樣外觀變化情況可見，當(dāng)復(fù)合織物試樣中包含多根加筋絲時(shí)，在達(dá)到最大拉力破壞后，其強(qiáng)度不會直接衰減到0，而可能在應(yīng)力調(diào)整后短暫恢復(fù)部分強(qiáng)度。加筋絲根數(shù)越多，這種現(xiàn)象越明顯，如A-4-2、A-5-5和A-6-3。

圖5 復(fù)合織物拉伸變形-強(qiáng)度曲線

上述現(xiàn)象的出現(xiàn)與復(fù)合織物特殊的生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。由于加筋絲和經(jīng)緯絲間捆綁線的存在，當(dāng)其受拉時(shí)，局部長絲發(fā)生斷裂，應(yīng)力調(diào)整，周圍更大范圍內(nèi)的加筋絲共同承擔(dān)拉力，使得織物發(fā)生較大變形時(shí)仍可保有一定強(qiáng)度，直到所有加筋絲均被拉斷?？梢娺@種經(jīng)編復(fù)合織物的破壞模式與常規(guī)無紡織物有較大差異。

4.2 計(jì)算方法對強(qiáng)度值的影響

圖6以織物A為例，示出2種計(jì)算方法的拉伸強(qiáng)度值變化。結(jié)合表1可見，2種方法得到的拉伸強(qiáng)度值差異較大，且不同計(jì)算方法得到的拉伸強(qiáng)度隨試樣寬度的變化規(guī)律亦不同。

圖6 織物A寬度對拉伸強(qiáng)度的影響

隨試樣寬度增加，寬條計(jì)算法得到的強(qiáng)度值逐漸增大，而格柵計(jì)算法相應(yīng)強(qiáng)度值明顯減小。采用寬條計(jì)算法得到的強(qiáng)度值均低于由格柵計(jì)算法計(jì)算的強(qiáng)度。二者最大誤差發(fā)生在單根加筋絲情況下，格柵計(jì)算法強(qiáng)度值比寬條計(jì)算法強(qiáng)度值高62%，這種誤差隨著試樣寬度和加筋絲根數(shù)的增大而明顯降低，2種計(jì)算方法得到的強(qiáng)度差值減小，逐漸接近?？椢顰寬度達(dá)195 mm，相應(yīng)加筋絲根數(shù)6根時(shí)，寬條計(jì)算法強(qiáng)度為113.84 kN/m，格柵計(jì)算法強(qiáng)度為133.19 kN/m，后者比前者高約17%。

從試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)成果來看，寬條計(jì)算法綜合反映了復(fù)合織物中基層無紡織物與高強(qiáng)滌綸長絲的作用，而格柵計(jì)算法過度強(qiáng)化了加筋絲起到的抗拉作用，夸大了復(fù)合織物縱橫向結(jié)點(diǎn)處的連接性能，是不夠合理的，工程設(shè)計(jì)中如采用這種計(jì)算方法得到的材料高強(qiáng)度指標(biāo)，對工程安全可能會帶來一定的隱患。因此，后文均采用寬條計(jì)算法得到的強(qiáng)度進(jìn)行拉伸性能影響因素的評價(jià)分析。

4.3 試樣寬度對拉伸特性的影響

從圖6可見，隨著試樣寬度的增加，單寬拉伸強(qiáng)度從45 mm窄條試樣得到的95.15 kN/m提高到195 mm寬條試樣的113.53 kN/m，增大幅度約20%，當(dāng)寬度>100 mm后，拉伸強(qiáng)度的增幅趨于平緩。

試樣寬度對5%延伸率對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度影響程度不明顯，基本在36～39 kN/m之間。同樣地，對延伸率的影響也不明顯，織物A的最大拉力延伸率基本在13%～16%之間。

以往國內(nèi)外的大量試驗(yàn)資料表明，“頸縮”現(xiàn)象明顯的無紡織物，其強(qiáng)度隨試樣寬度的增加而增加，而有紡織物窄條試驗(yàn)得到的強(qiáng)度較高[6]?？梢?，復(fù)合織物整體拉伸特性受基層土工織物的影響，但其最大拉力值受滌綸長絲的控制。

圖7 織物B初始長度對拉伸特性的影響

4.4 試樣初始長度對拉伸特性的影響

圖7為織物B不同初始長度下得到的拉伸強(qiáng)度和延伸率變化關(guān)系?？梢姡嚇映跏奸L度增加，得到的拉伸強(qiáng)度總體呈下降趨勢，降幅并不明顯。但試樣初始長度對延伸率影響顯著，當(dāng)初始長度達(dá)300 mm后，延伸率降低幅度趨于平緩；初始長度從100 mm增加到400 mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度僅降低4.4%，但延伸率從16.2%降低到10.4%，降幅達(dá)36%。

從圖中5%延伸率對應(yīng)強(qiáng)度變化曲線可見，初始長度越長，由于最大力延伸率顯著降低，導(dǎo)致5%延伸率對應(yīng)強(qiáng)度明顯提高，即意味著，試樣初始長度增加，材料小變形對應(yīng)的強(qiáng)度更高。

分析延伸率受初始長度影響明顯的原因，除滌綸長絲本身拉伸特性外，部分還在于拉伸試驗(yàn)變形測量方式所帶來的影響。本文拉伸試驗(yàn)未采用引伸計(jì)，式(3)在計(jì)算延伸率時(shí)是以試驗(yàn)機(jī)夾具行程變化量作為依據(jù)的。目前國內(nèi)常用的試驗(yàn)規(guī)程(如GB/T 15788—2005[2]、SL 235—2012[4])均未明確規(guī)定土工織物拉伸伸長量必須采用引伸計(jì)進(jìn)行測量和計(jì)算，而JTG E50—2006[5]中僅指出，延伸率可采用夾具夾持長度100 mm或采用引伸計(jì)長度60 mm進(jìn)行計(jì)算。對于土工合成材料這種柔性聚合物材料，受剛性夾具夾持的影響，試樣長度內(nèi)的變形并不均勻，大部分拉伸變形發(fā)生在靠近夾具端，試樣中部實(shí)際發(fā)生的變形量最小，因此，一般認(rèn)為宜采用引伸計(jì)對試樣中部進(jìn)行變形測量。前期比對試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣初始夾持長度越長，采用夾具行程量計(jì)算的結(jié)果越接近于引伸計(jì)結(jié)果。

5 結(jié)論與建議

(1)本文試驗(yàn)研究針對的新型高強(qiáng)經(jīng)編復(fù)合土工織物是將高模低縮滌綸工業(yè)長絲與丙綸短纖無紡?fù)凉た椢锊捎媒?jīng)編工藝加工而成的復(fù)合材料。該高強(qiáng)經(jīng)編復(fù)合土工織物整體拉伸特性受基層土工織物的影響，有一定的“頸縮”現(xiàn)象，但最大拉力值受滌綸長絲的控制。其拉伸力學(xué)特性應(yīng)采用寬條法進(jìn)行測驗(yàn)，不宜采用類似土工格柵的肋條法。

(2)寬條法計(jì)算得到的單寬拉伸強(qiáng)度普遍低于格柵肋條法計(jì)算的強(qiáng)度；寬條法計(jì)算得到的強(qiáng)度隨試樣寬度的增加而增加，格柵法計(jì)算的強(qiáng)度規(guī)律則與其相反；兩種計(jì)算方法的誤差最大可達(dá)62%。

(3)試樣寬度增加，復(fù)合織物的抗拉強(qiáng)度也隨之增大，但寬度增加至100 mm后，強(qiáng)度增幅趨于平緩。為與目前大多數(shù)拉伸試驗(yàn)規(guī)定協(xié)調(diào)，建議該類復(fù)合織物拉伸試驗(yàn)的試樣寬度為200 mm。

(4)試樣初始長度增加，對復(fù)合織物抗拉強(qiáng)度的影響不明顯，但會顯著降低延伸率，同時(shí)，定應(yīng)變5%

對應(yīng)的強(qiáng)度增加明顯。考慮到目前國內(nèi)測試現(xiàn)狀，建議該類復(fù)合織物拉伸試驗(yàn)的初始長度不宜為100 mm，應(yīng)適當(dāng)增大到不低于300 mm，以300～400 mm為宜。