PE土工膜雙向拉伸試驗研究

張思云，魯偉濤，靳向煜

(東華大學非織造研究發展中心，上海 201620)

0 引言

土工膜是用于土木工程中起防水作用的具有極低滲透性的膜狀材料，其滲透系數為1×10－12～1×10－13cm/s，實際上不透水［1］，是理想的防滲材料。與傳統的防水材料相比，土工膜具有滲透系數低、低溫柔性好、形變適應性強、質量輕、強度高、整體連接性好和施工方便等特點［2］。目前使用最廣泛的是聚乙烯(PE)土工膜、聚丙烯(PP)土工膜和聚氯乙烯(PVC)土工膜等。

土工膜在工程建設中的應用始于20世紀30年代，美國在灌溉渠道中用土工膜進行防滲［3］，20世紀70年代初歐美國家開始在隧道建設中應用土工膜。我國于1996年首次在混凝土壩防滲中使用土工膜。在進入20世紀80年代后，土工膜應用技術得到了飛速的發展，現在已用于水利、交通、建筑和環保等各個領域［4］。

土工膜的應用越來越廣泛，這就要求其性能測試必須規范化和標準化。斷裂強度及斷裂伸長率是土工膜的重要性能指標，對工程設計有著重要的意義，直接關系到工程的安全和耐用等。在實際應用中，土工膜的受力情況非常復雜，它不是單純的1個方向受力，而是不規則的各個方向同時受力。由于國際上沒有關于土工膜雙向拉伸的標準或規范，在工程設計中通常以單向拉伸試驗數據作為其性能的參考，給工程建設帶來較大的隱患。張營營等［5］初步探討了膜材雙軸受力效應，得出雙向受力情況下膜材的斷裂強度會顯著下降，但其試驗材料為PTFE膜，并缺少對斷裂伸長的探討。李龍嬌［6］、張一平等［7］分別對機織物與針織物的雙向拉伸試驗進行了研究，提出了加襯墊的思想，對本文雙向拉伸試樣的制作給予了啟發。

本文對聚乙烯(PE)土工膜進行一系列單向和雙向的拉伸試驗，并將2組試驗結果進行比較，探究土工膜在雙向受力情況下強度和延伸性的變化規律。

1 試驗

1.1 試樣準備

本試驗采用面密度為280 g/m2，厚度為0.3 mm的PE土工膜進行拉伸試驗。

單向拉伸試驗參照標準GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定》中“薄膜和薄片的試驗條件”，將試樣剪成啞鈴狀，試樣兩端較粗，中間較細，應力集中在較細的中間段，保證單向拉伸時，斷裂發生在中間部分。PE土工膜單向拉伸試驗形狀如圖1所示。

圖1 PE土工膜單向拉伸試驗形狀(單位:mm)Fig.1 Shape of PE geomembrane under uniaxial tensioning(mm)

在雙向拉伸實驗中，參照單向拉伸的啞鈴型試樣，為避免斷裂發生在鉗口區域，將正方形的試樣剪成如圖2所示的形狀(長寬均為18 cm，中心區域是邊長為4 cm的正方形)。正方形試樣從外端向內流線型收攏，同樣形成了夾持區域面積較大，而中間受力區域面積較小的形式，保證拉伸過程中應力集中在中間部位。

圖2 雙向拉伸試樣形狀Fig.2 Shape of PE geomembrane under biaxial tensioning

本試驗采用的雙向拉伸試樣是在十字形試件［8］的基礎上進行一定的改善。在薄膜的4邊用熱熔膠貼上厚為0.5 mm的鋁片，避免試樣在拉伸過程中打滑，同時由于鋁片良好的抗拉伸性能，使得雙向拉伸過程中試樣的4邊變形消失或者變形量很小，保證變形斷裂發生在中心4 cm×4 cm的有效區域內(具體試樣如圖2所示)。

1.2 試驗儀器與方法

單向拉伸使用南通宏大的HD026N+多功能電子織物強力儀，參照標準GB/T 1040.1—2006《塑料拉伸性能的測定》分別對縱向和橫向2個方向進行拉伸，拉伸速度為100 mm/min。

雙向拉伸的儀器為國產X－Y型織物雙向電子強力儀(X表示橫向，Y表示縱向)。由于國內尚無關于薄膜雙向拉伸的標準，本實驗采用以下3種不同的方案進行試驗:

方案1。X方向和Y方向都以100 mm/min的速度進行拉伸。

方案2。X方向夾持不動，Y方向以100 mm/min的速度進行拉伸。

方案3。Y方向夾持不動，X方向以100 mm/min的速度進行拉伸。

2 試驗結果與分析

2.1 斷裂－伸長曲線

以縱向拉伸曲線為例，PE土工膜單向拉伸曲線示意圖如圖3所示。橫向拉伸曲線趨勢與縱向拉伸曲線一致。

圖3 PE土工膜單向拉伸曲線示意圖Fig.3 Relationship between breaking strength and breaking stretching length of PE geomembrane under uniaxial tensioning

從圖3可以看出，整個曲線分為3個階段。第1階段時間較短，應力隨應變線性增加，模量較大，試樣被均勻地拉長，伸長率可以達到百分之幾到百分之十幾，到了第1個峰以后，試樣截面開始變得不均勻，出現1個或幾個細頸，進入第2階段。在該階段，細頸與非細頸部分的橫截面面積分別維持不變，而細頸部分不斷擴展，非細頸部分逐漸縮短，直到整個試樣完全變細為止。在第2階段的應變過程中應力幾乎不變，表現為拉伸曲線為水平線段。最后，進入第3階段，即成頸的試樣又被均勻拉伸，此時應力又隨應變的增加而增大直到斷裂為止［9］。

雙向拉伸方案2和方案3的拉伸曲線與單向拉伸曲線一致，雙向拉伸方案1的拉伸曲線與其他幾組有較大差別。PE土工膜雙向拉伸曲線示意圖如圖4所示。

圖4 PE土工膜雙向拉伸曲線示意圖Fig.4 Relationship between breaking strength and breaking stretching length of PE geomembrane under biaxial tensioning

圖4表示試樣雙向均受到速度為100 mm/min的拉力定速拉伸。圖中顯示在雙向拉伸試驗中拉伸過程分為3個階段。初始階段應力隨著應變的增加而線性增加，到達1個峰值后，應變增加而應力不再增加，拉伸曲線呈水平線段，前2個階段同單向拉伸試驗曲線基本一致，但在第3個階段中，雙向拉伸試驗曲線出現應力隨著應變逐漸下降的趨勢，這是由于此時拉伸試樣隨著夾具之間的距離增大，薄膜中心區逐漸拉伸變薄，在夾持器的夾角部位出現了應力集中三角區(見圖5)。

圖5 雙向拉伸試驗中的應力集中三角區Fig.5 Stress zone of PE geomembrane under biaxial tensioning

在如圖5所示的三角區中應力容易集中，薄膜局部變形積累形成損傷場，隨著拉伸的進行損傷場向兩邊擴散。由于材料性質的不絕對均勻，各個質點的變形不完全同步，從而在試樣中心會不斷形成多個應力集中場，不斷出現新的局部變形，出現多個新的損傷場［10］。直至某些損傷場產生塑性變形發生斷裂。最初的局部斷裂會使斷裂區域生成新的受力三角區(即新的弱節)，繼而沿著新產生的三角區發生斷裂，直至試樣斷裂，曲線呈緩慢、波動下降趨勢。

2.2 斷裂強度與斷裂伸長率

本實驗中單向拉伸試驗縱、橫向各做了10個樣，雙向拉伸試驗3個方案各做了5個樣，雙向拉伸試驗中剔除試驗過程打滑或斷裂在鉗口附近的試驗數據。PE土工膜試驗數據如表1所示。MD為縱向，CD為橫向，斷裂強度=斷裂強力/橫截面面積，下文均以斷裂強度進行討論。

表1 PE土工膜試驗數據Table 1 Testing data of PE geomembrane

由表1可以看出，單向拉伸條件下，試樣的縱向強度與橫向強度差別不大，二者斷裂伸長率基本一致，說明本試樣具有各向同性。分別對比單向拉伸與雙向拉伸縱、橫向的斷裂強度與斷裂伸長率可以發現，相對于單向拉伸的試驗數據，雙向拉伸的斷裂強度與斷裂伸長率顯著下降。具體情況如圖6和圖7所示，MD中白色柱形圖為方案2的數據，CD中白色柱形圖為方案3的數據。

從圖6可以看出，雙向拉伸試驗條件下縱、橫向斷裂強度顯著下降。將單向拉伸試驗數據與雙向拉伸方案1的試驗數據對比發現，PE薄膜縱向強度降低21.53%，橫向強度降低60.32%;將其與雙向拉伸方案2和方案3的數據對比發現，其縱向強度降低5.84%，橫向強度降低57.14%。強度顯著下降是由于薄膜受到縱向破壞的同時橫向并沒有受到任何力的作用，這樣薄膜在拉伸時縱向受拉伸長，橫向隨著縱向的拉伸而受壓變窄。由于薄膜是單向受力，在拉伸過程中，PE大分子沿縱向取向程度越來越大，因而其斷裂強度較高，橫向拉伸過程同理。在雙向拉伸過程中，由于另外一端同樣受力，薄膜內部的大分子不能重新排列取向，因而斷裂強度顯著下降。

雙向拉伸試驗中縱向和橫向斷裂強度的下降程度差別較大。方案1中，橫向斷裂強度下降程度是縱向強度的3倍。方案2和方案3中，橫向斷裂強度下降程度是縱向的11倍，橫向斷裂強度的下降程度明顯高于縱向的斷裂強度，這同樣是單向拉伸過程中大分子能夠重新排列取向而雙向拉伸無法排列取向的結果。雙向拉伸試驗中，由于雙向同時受力，薄膜內部大分子不能夠重新排列，因而薄膜仍然保持原有的內部結構。在單向拉伸試驗中，由于縱、橫向均有足夠的時間進行排列取向，薄膜內部結構實際已發生變化。縱、橫向斷裂強度下降幅度的差異表明在原始薄膜內部縱、橫向大分子的取向度有較大差異，縱向取向高于橫向。

從圖7可以看出，雙向拉伸試驗中斷裂伸長率相比于單向拉伸試驗下降顯著。將單向拉伸試驗數據與雙向拉伸方案1的試驗數據進行對比發現，PE薄膜縱向斷裂伸長率下降63.07%，橫向斷裂伸長率下降64.17%;對比單向拉伸試驗數據與雙向拉伸方案2和方案3的數據可以得出，縱向斷裂伸長率下降68.06%，橫向斷裂伸長率下降68.47%。下降幅度均超過60%，說明雙向拉伸條件會嚴重削弱土工膜的延伸性。

3 結論與建議

1)單向拉伸試驗中，PE土工膜的橫向斷裂強度及縱向斷裂強度分別為25.2 MPa和27.4 MPa，橫向斷裂伸長率和縱向斷裂伸長率分別為772%和772%。

2)雙向同時拉伸時，PE薄膜橫向的斷裂強度為10 MPa，縱向的斷裂強度為21.5 MPa。相比于單向拉伸試驗，橫向斷裂強度下降60.32%，縱向斷裂強度下降21.53%;橫向斷裂伸長率為276.59%，縱向斷裂伸長率為285.1%，分別下降64.17%和63.07%。

3)雙向拉伸試驗中，一端夾持、一端拉伸條件下，橫向斷裂強度為10.8 MPa，縱向斷裂強度為25.8 MPa。相比于單向拉伸試驗，橫向斷裂強度下降57.14%，縱向斷裂強度下降5.84%;橫向斷裂伸長率為243.39%，縱向斷裂伸長率為246.54%，分別下降68.47%和68.06%。

土工膜的雙軸強度的測試，對于研究膜的力學性能，確保膜結構設計的可靠性和膜結構工程施工與設計的一致性至關重要。通過本試驗的研究，發現PE薄膜斷裂強度及斷裂伸長率在雙向受力情況下比單向受力小，為保證結構安全，建議設計取值時進行考慮。

［1］ 朱曉紅，馬元珽.合成土工膜的推廣應用［J］.水利水電快報，2000，21(12):20 －22，25.

［2］ 陳開強，王瀾，王錫臣.土工膜及其應用［J］.現代塑料加工應用，2003，15(2):55 － 59.(CHEN Kaiqiang，WANG Lan，WANG Xichen.Composite geomambrane and its application［J］.Modern Plastics Processing and Applications，2003，15(2):55 －59.(in Chinese))

［3］ 劉華.復合土工膜結構與性能的研究［D］.西安:西安工程科技學院，2006.

［4］ 王輝，王卉春，曲洪英，等.土工膜及其發展趨勢［J］.齊魯石油化工，2004，32(3):57 －60.

［5］ 張營營，周穎，陳魯，等.膜材雙軸受力效應的試驗研究［C］//第九界全國現代結構工程學術研討會論文集.上海:同濟大學土木工程學院，2009:652－655.

［6］ 李龍嬌.機織物雙向拉伸實驗方法與力學性能研究［D］.北京:北京服裝學院，2010.

［7］ 張一平，龍海如.拉伸測試方法對緯平針織物最終變形的影響［J］.東華大學學報:自然科學版，2010，36(3):8－11，68.(ZHANG Yiping，LONG Hairu.Influence of different tensile methods on ultimate deformation of plain knitted fabric［J］.Journal of Donghua University，2010，36(3):8 －11，68.(in Chinese))

［8］ 周光明，陸曉華，許正輝.細編穿刺3D碳/碳復合材料雙向拉伸實驗研究［J］.南京理工大學學報:自然科學版，2007，31(3):130 －133.(ZHOU Guangming，LU Xiaohua，XU Zhenghui.Experimental investigations of biaxial tensile strength of 3-D fine-woven-penetrated carbon/carbon composites［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology:Natural Science，2007，31(3):130 － 133.(in Chinese))

［9］ 梁伯潤.高分子物理學［M］.2版.北京:中國紡織出版社，2000:237.

［10］ 劉進華，李大綱，張立芳.加載速率對低密度聚乙烯薄膜拉伸性能的影響［J］.包裝工程，2005(5):96 －97，105.(LIU Jinhua，LI Dagang，ZHANG Lifang.Influence of loading rate on tension properties of low-density polyethylene film［J］.Packaging Engineering，2005(5):96 － 97，105.(in Chinese))