謝仁紅，董志良，郭偉玲，周慶華

（中交四航工程研究院有限公司，中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

1 概述

土工合成材料是以人工合成的聚合物，如塑料、化纖、合成橡膠等為原料制成的，主要包括四類產(chǎn)品：土工布、土工膜、土工復(fù)合材料、特種土工合成材料。其主要功能有過濾作用、排水作用、隔離作用、加筋作用、防護(hù)作用和防滲作用。土工合成材料作為一種新型的巖土工程材料，在國際上已被稱為繼鋼材、水泥、木材三大主要建材后的“第四大建筑材料”，在港口碼頭、水利、水電、鐵路、公路、機(jī)場、軟基處理、環(huán)保工程等建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)大、中型及重點(diǎn)工程都普遍應(yīng)用土工合成材料。

土工合成材料性能測試具體項(xiàng)目見表1。

表1 土工合成材料性能測試項(xiàng)目

2 學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)與檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

國際上和很多國家都成立了土工合成材料試驗(yàn)方法和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編制委員會，比較著名的機(jī)構(gòu)有：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際土工織物學(xué)會（IGS）、國際材料和結(jié)構(gòu)研究及測試實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會（RILEM）、國際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會（ISSMFE）、美國材料試驗(yàn)學(xué)會（ASTM）、英國標(biāo)準(zhǔn)局（BSI）、西德工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN）、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）和美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）等。我國也成立了一些學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，如：國際土工合成材料學(xué)會中國委員會（CCIGS）、全國紡織品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會產(chǎn)業(yè)用紡織品分會、水利學(xué)會巖土專業(yè)委員會土工合成材料專門委員會、土工合成材料工程協(xié)會（CTAG）等機(jī)構(gòu)，許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都制訂了相應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3 檢測中常見問題及影響

隨著土工合成材料在我國20多年來的發(fā)展與應(yīng)用，其測試技術(shù)不斷改進(jìn)，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了一些不足，有些性能的測試方法較為成熟，如力學(xué)性能；而有些性能的測試手段相對較為薄弱，如水力學(xué)性能。在檢測中常見問題及影響主要有以下幾方面。

3.1 測試標(biāo)準(zhǔn)不同的影響

就我國現(xiàn)行土工合成材料測試規(guī)范而言，主要有國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、水利部頒布的SL/T 235—1999《土工合成材料測試規(guī)程》和交通部頒布的JTG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）大多修改或等同國際（ISO）標(biāo)準(zhǔn)；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則引用和參考國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）、國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）和一些國家的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合我國國情和在土工試驗(yàn)方面比較成熟的經(jīng)驗(yàn)以及對產(chǎn)品應(yīng)用研究和實(shí)驗(yàn)室條件等基礎(chǔ)上編制的。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、SL/T 235—1999《土工合成材料測試規(guī)程》、JTG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》三者之間既有相同之處，也有不同之處，并存在互補(bǔ)性。表2列舉了三者的力學(xué)性能測試方法的一些不同點(diǎn)。

表2 我國土工合成材料現(xiàn)行測試標(biāo)準(zhǔn)的比較

對測試方法的選擇一般根據(jù)工程性質(zhì)和設(shè)計(jì)要求而定，但在工程設(shè)計(jì)無指定的情況下，試驗(yàn)檢測單位較難選擇。一般的性能指標(biāo)測定，有的單位選擇國家標(biāo)準(zhǔn)（GB），有的單位選擇行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對于特殊項(xiàng)目則會選擇對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對于產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)一般選用國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。若選用不同測試方法，對試驗(yàn)結(jié)果會有不同程度的影響。

對編織土工布和短纖維無紡?fù)凉げ嫉乃毫褟?qiáng)度分別依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和交通部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3，可見檢測依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不同，檢測的結(jié)果存在一定的差異。

表3 選用國家標(biāo)準(zhǔn)和交通部標(biāo)準(zhǔn)測試土工布撕裂強(qiáng)度的比較

3.2 儀器設(shè)備的影響

土工合成材料至今無公認(rèn)或統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)程和試驗(yàn)方法，試驗(yàn)所用儀器的結(jié)構(gòu)型式或主要部件構(gòu)造無法統(tǒng)一，使用不同的試驗(yàn)儀器對試驗(yàn)結(jié)果有不同程度的影響。比較突出的是水力學(xué)性能試驗(yàn)和摩擦特性試驗(yàn)兩方面的儀器。水力學(xué)性能試驗(yàn)儀器主要包括：垂直滲透儀、水平滲透儀、耐靜水壓測定儀、防（抗）滲性能測定裝置、有壓滲透儀、淤堵試驗(yàn)裝置、塑料排水板通水量試驗(yàn)儀和塑料盲溝透水量儀等；摩擦特性試驗(yàn)儀器包括：直剪摩擦、拉拔直剪特性試驗(yàn)裝置?，F(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對儀器的具體形式、尺寸未做出明確的規(guī)定，有的檢測單位依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上的儀器示意圖自行研制或用土工試驗(yàn)儀器進(jìn)行改造，雖然可以購買水力學(xué)性能測試儀器，但儀器的具體形式不一樣，對試樣的尺寸要求也不同，儀器的性能也有差別，對試驗(yàn)結(jié)果會造成較大的影響。表4列出用中交四航工程研究院有限公司研制的土工布垂直滲透儀和河南紡織研究所制造的HFT-II型土工布（膜）滲透系數(shù)測定儀分別測定編織土工布和塑料排水板濾膜的垂直滲透系數(shù)，可以看出不同的滲透系數(shù)測定儀對滲透系數(shù)的測試結(jié)果有較大的影響。

表4 不同儀器土工布垂直滲透系數(shù)的測試結(jié)果

力學(xué)性能試驗(yàn)所用儀器主要為試驗(yàn)機(jī)，我國試驗(yàn)機(jī)行業(yè)發(fā)展比較成熟，檢測單位所用的試驗(yàn)機(jī)基本都是電子萬能試驗(yàn)機(jī)，精度可達(dá)1級甚至是0.5級，性能比較接近，相對水力學(xué)性能和摩擦特性試驗(yàn)而言，力學(xué)性能試驗(yàn)所用儀器對檢測結(jié)果造成的影響較小。

3.3 試樣狀態(tài)的影響

土工合成材料在檢測時，應(yīng)對試樣進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，狀態(tài)調(diào)節(jié)對試驗(yàn)結(jié)果也有一定的影響。主要有三種狀態(tài)調(diào)節(jié)：一是要求在規(guī)定的溫度、濕度條件下調(diào)節(jié)24 h，如土工織物的調(diào)濕（見表2）；二是要求在一定的溫度條件下調(diào)節(jié)一段時間，如塑料制品要求在溫度20℃±2℃下調(diào)節(jié)至少24 h；三是要求試樣在含一定溶劑的試液中浸泡一段時間或呈濕態(tài)。前一種狀態(tài)調(diào)節(jié)對溫、濕度和時間做出了明確的規(guī)定，后兩種狀態(tài)調(diào)節(jié)對調(diào)節(jié)的時間或試驗(yàn)時試樣的具體狀態(tài)未作出明確規(guī)定。如GB/T 15789—2005《土工布無負(fù)荷時垂直滲透特性的測定》要求：在實(shí)驗(yàn)室溫度下，試樣在含濕潤劑0.1%V/V（體積分?jǐn)?shù)）的烷基苯磺酸鈉水中，輕輕攪動以驅(qū)走空氣，至少浸泡12 h。對試樣狀態(tài)的具體界定和浸泡時間沒有作明確的規(guī)定。同時，在進(jìn)行塑料排水板濾膜濕態(tài)抗拉強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)時，要求試樣在水中浸泡24 h，實(shí)際試驗(yàn)中經(jīng)常會出現(xiàn)浸泡24 h后，試樣有的部分沒有濕潤，還呈現(xiàn)干態(tài)狀態(tài)，這樣會導(dǎo)致濕態(tài)抗拉強(qiáng)度偏大，甚至和干態(tài)抗拉強(qiáng)度基本接近，而滲透系數(shù)則偏小。表5列出了某塑料排水板濾膜在水中浸泡不同時間測定的滲透系數(shù)，可見隨著浸泡時間的延長，排水板濾膜的濕態(tài)面積的增大，滲透系數(shù)也隨著增大。

表5 排水板濾膜在水中浸泡不同時間后滲透系數(shù)測試結(jié)果

塑料土工格柵試驗(yàn)，則要求在溫度20℃±2℃環(huán)境下放置至少24 h，在實(shí)際測試中，有時會放置24～72 h。表6是某150 kN/m單向塑料土工格柵經(jīng)不同時間狀態(tài)調(diào)節(jié)的測試結(jié)果。可見狀態(tài)調(diào)節(jié)時間對塑料土工格柵的伸長率影響較大，調(diào)節(jié)時間長時伸長率會有所下降。

表6 不同時間狀態(tài)調(diào)節(jié)下塑料土工格柵力學(xué)性能測試結(jié)果

3.4 試驗(yàn)用水的水質(zhì)和狀態(tài)問題

GB/T 15789—2005《土工布無負(fù)荷時垂直滲透特性的測定》要求：試驗(yàn)用水中溶解氧的含量低于10 mg/kg，如果水中固體懸浮物明顯可見或者固體積聚于試樣上或試樣內(nèi)而使流量隨時間減少時，要對水進(jìn)行過濾處理。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，有條件的檢測單位用脫氣水、蒸餾水或反滲透去離子水，這幾種水都能達(dá)到溶解氧的含量低于10 mg/kg的要求，而且水中基本不含固體懸浮物，試驗(yàn)效果比較好?，F(xiàn)今水行業(yè)較發(fā)達(dá)，應(yīng)對試驗(yàn)用水進(jìn)一步統(tǒng)一，可以統(tǒng)一要求用反滲透去離子水，工藝也容易達(dá)到，試驗(yàn)結(jié)果會較理想，可比性強(qiáng)些。

同時GB/T 15789—2005《土工布無負(fù)荷時垂直滲透特性的測定》中注明：為控制材料質(zhì)量，可只測定5 cm水頭的流速指數(shù)，并在數(shù)據(jù)整理明確以測得的滲透系數(shù)或流速乘以20℃水溫校正系數(shù)后的滲透系數(shù)或流速來表示結(jié)果。但是土工合成材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)中未指明滲透系數(shù)是在水頭差5 cm測定并乘以20℃水溫校正系數(shù)后的滲透系數(shù)K20，而塑料排水板的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JTS 257—2008《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、JTS 206-1—2009《水運(yùn)工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》則有明確標(biāo)明濾膜滲透系數(shù)為水溫20℃校正后的滲透系數(shù)K20，建議土工合成材料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)相應(yīng)，注明垂直滲透系數(shù)是在水頭差5 cm測定再乘以20℃水溫校正系數(shù)后的滲透系數(shù)K20。

3.5 試樣尺寸的問題和影響

土工合成材料性能檢測均涉及到試樣尺寸，試樣尺寸的大小對試驗(yàn)結(jié)果有直接的影響。

3.5.1 單位面積質(zhì)量測定

對一些孔徑較大的材料如土工格柵、土工網(wǎng)格、土工網(wǎng)墊等，宜將試樣尺寸加大，試樣的尺寸應(yīng)能代表材料的全部結(jié)構(gòu)或有效單元。表7列舉了幾種土工布不同試樣尺寸的單位面積質(zhì)量測試結(jié)果，試樣尺寸為10 cm×10 cm測試的最大值與最小值差值較大，同時其平均值與試樣尺寸為100 cm×100 cm的測定值也有一定的差異。對于孔徑較小的土工布，試樣尺寸宜采用100 cm×100 cm，最大限度地消除尺寸誤差對檢測結(jié)果帶來的影響。

表7 試樣不同尺寸單位面積質(zhì)量測試結(jié)果

3.5.2 條帶拉伸試驗(yàn)

目前，條帶拉伸試驗(yàn)按試樣計(jì)量寬度分為寬條樣法和窄條樣法兩種。國家標(biāo)準(zhǔn)、JTG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》采用寬條樣法，水利部SL/T 235—1999《土工合成材料測試規(guī)程》寬條樣法和窄條樣法均采用。

寬條樣法適用于大多數(shù)土工合成材料，包括土工布及其復(fù)合產(chǎn)品、土工格柵等。一般的土工布及其復(fù)合產(chǎn)品，直接裁剪試樣寬度200 mm為計(jì)量寬度。但對于機(jī)（編）織型土工布及其復(fù)合產(chǎn)品，試樣裁剪寬度宜為210mm，在兩邊抽去大約相同數(shù)量的邊絲使計(jì)量寬度達(dá)到200 mm。對于土工格柵或土工布與土工格柵復(fù)合產(chǎn)品，試樣計(jì)量寬度至少為200 mm，同時對橫向節(jié)距小于75 mm的產(chǎn)品至少應(yīng)有5個完整的抗拉單元，對于節(jié)距大于或等于75 mm的產(chǎn)品應(yīng)至少有2個完整的抗拉單元。如果用于接頭/接縫強(qiáng)度的對比試驗(yàn)，試樣計(jì)量寬度應(yīng)最小為200 mm，且包含至少5個完整的抗拉單元。

窄條樣法主要用于機(jī)（編）織型土工布及其復(fù)合產(chǎn)品。試樣裁剪寬度為60 mm，在試樣兩邊抽去大約相同數(shù)量的邊絲，使試樣計(jì)量寬度達(dá)到50 mm。應(yīng)該注意的是，如果絲的寬度較大，抽去邊絲后很難剛好達(dá)到50 mm或200 mm，應(yīng)以抽去絲后試樣實(shí)際寬度為計(jì)量寬度。

在土工布的條帶拉伸試驗(yàn)中，比較難解決的問題是試樣在拉伸過程中會產(chǎn)生打滑抽絲現(xiàn)象。一般的土工布及其復(fù)合產(chǎn)品強(qiáng)度在50 kN/m以下，經(jīng)過相應(yīng)的抗滑移處理使用窄條樣法和寬條樣法普遍不會發(fā)生打滑抽絲現(xiàn)象。機(jī)（編）織型土工布強(qiáng)度可高達(dá)100 kN/m以上甚至200 kN/m以上，市場上已經(jīng)有高達(dá)220 kN/m的長絲機(jī)織土工布和200 kN/m的編織土工布。多數(shù)工程使用中低強(qiáng)度的土工布，近兩年來一些重點(diǎn)工程、大型工程開始使用高強(qiáng)土工布，試驗(yàn)表明用窄條樣法測定高強(qiáng)度機(jī)（編）織型土工布比用寬條樣法測定的強(qiáng)度大，主要原因是高強(qiáng)度機(jī)（編）織型土工布用寬條樣法即使經(jīng)過抗滑移處理也難以避免不發(fā)生打滑抽絲現(xiàn)象，用窄條樣法可以避免發(fā)生打滑抽絲現(xiàn)象。廣東某碼頭使用150 kN/m編織土工布和200 kN/m的機(jī)織土工布，試樣在國內(nèi)幾家知名試驗(yàn)機(jī)廠使用多種寬帶夾具進(jìn)行拉伸試驗(yàn)無法避免試樣不打滑抽絲，后使用窄條樣法進(jìn)行試驗(yàn)，沒有發(fā)生打滑抽絲現(xiàn)象。據(jù)了解，多數(shù)檢測單位在進(jìn)行機(jī)（編）織型土工布的拉伸試驗(yàn)也會用窄條樣法，土工布生產(chǎn)廠商也多以窄條樣法來監(jiān)控機(jī)（編）織型土工布產(chǎn)品的拉伸性能。圖1和表8是使用美國MTS公司生產(chǎn)的GMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)和夾具進(jìn)行某150 kN/m長絲機(jī)織布的橫向?qū)挆l拉伸（1、2號樣）和窄條拉伸（3、4號樣）試驗(yàn)后樣品的照片和測試數(shù)據(jù)，可以看到當(dāng)用寬條拉伸時樣品約有10%的絲沒有斷裂，而且試驗(yàn)中有打滑抽絲現(xiàn)象，用窄條拉伸時樣品的絲基本全部斷裂，試驗(yàn)中沒有打滑抽絲現(xiàn)象，用窄條拉伸測試的每延米斷裂強(qiáng)度比用寬條拉伸測試的約高6%，而且寬條拉伸因打滑抽絲造成斷裂伸長率比實(shí)際值偏大，用寬條拉伸測試的斷裂伸長率比用窄條拉伸測試的約大15%。

圖1 某長絲機(jī)織土工布寬條拉伸和窄條拉伸的試驗(yàn)結(jié)果

表8 橫向?qū)挆l與窄條拉伸試驗(yàn)測試結(jié)果

3.5.3 水力學(xué)性能試驗(yàn)

滲透性能試驗(yàn)一般要求試樣的面積在20 cm2以上。表3中的結(jié)果表明在能夠保證試樣與滲透儀夾持器周壁密封良好，沒有滲漏的情況下，適當(dāng)?shù)卦龃笤嚇拥拿娣e更能反映土工織物的透水性能。防滲性能的測定對試樣尺寸也無明確要求，多數(shù)檢測單位在實(shí)際檢測中根據(jù)儀器來決定試樣尺寸。總之，進(jìn)行水力學(xué)性能試驗(yàn)，試樣尺寸因儀器不同而不同，也導(dǎo)致檢測結(jié)果差異性大。

3.6 新產(chǎn)品的測試標(biāo)準(zhǔn)滯后

土工合成材料新產(chǎn)品的開發(fā)和發(fā)展很快，經(jīng)常有新產(chǎn)品出現(xiàn)，進(jìn)行檢測時很難找到相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)，廠家自擬的測試標(biāo)準(zhǔn)又尚未通過國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)局的批準(zhǔn)，檢測單位一般不予采用，在進(jìn)行性能檢測時往往各施所長，運(yùn)用的測試手段不一，試驗(yàn)的結(jié)果無比對性，甚至有很大差別，很難反映新產(chǎn)品的真實(shí)性能，不利于新產(chǎn)品的推廣。

4 結(jié)語

1）我國各行業(yè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范應(yīng)盡量融合統(tǒng)一。

2）統(tǒng)一試驗(yàn)儀器設(shè)備或主要部件、夾具規(guī)格，統(tǒng)一所用試驗(yàn)儀器的基本參數(shù)及通用技術(shù)條件，以減小試驗(yàn)儀器對試驗(yàn)結(jié)果帶來的影響。

3）對試樣狀態(tài)及調(diào)節(jié)時間應(yīng)有較明確規(guī)定。如塑料排水板試驗(yàn)，可對濾膜的濕態(tài)抗拉和滲透試驗(yàn)的試樣狀態(tài)做出定性規(guī)定，要求試樣應(yīng)完全浸潤；塑料土工格柵、塑料土工網(wǎng)格等塑料制品的狀態(tài)調(diào)節(jié)時間明確為24 h。

4）明確規(guī)定各項(xiàng)試驗(yàn)試樣尺寸的大小，不能因所用儀器不同而改變試樣尺寸。

5）對于機(jī)（編）織型土工布及其復(fù)合產(chǎn)品的條帶拉伸試驗(yàn)可采用窄條樣法。

[1]GBT 50290—1998，土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTS 257—2008，水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]SL/T 235—1999，土工合成材料測試規(guī)程[S].

[4]JTG E50—2006，公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程[S].