土工合成材料檢測技術中常見問題及其影響

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，中交交通基礎工程環保與安全重點實驗室，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，主要包括四類產品：土工布、土工膜、土工復合材料、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、機場、軟基處理、環保工程等建筑領域得到廣泛應用。目前，國內大、中型及重點工程都普遍應用土工合成材料。

土工合成材料性能測試具體項目見表1。

表1 土工合成材料性能測試項目

2 學術機構與檢測標準現狀

國際上和很多國家都成立了土工合成材料試驗方法和規范標準編制委員會，比較著名的機構有：國際標準化組織（ISO）、國際土工織物學會（IGS）、國際材料和結構研究及測試實驗室聯合會（RILEM）、國際土力學與基礎工程學會（ISSMFE）、美國材料試驗學會（ASTM）、英國標準局（BSI）、西德工業標準（DIN）、日本工業標準（JIS）和美國聯邦公路管理局（FHWA）等。我國也成立了一些學術機構，如：國際土工合成材料學會中國委員會（CCIGS）、全國紡織品標準化技術委員會產業用紡織品分會、水利學會巖土專業委員會土工合成材料專門委員會、土工合成材料工程協會（CTAG）等機構，許多學術機構都制訂了相應試驗標準。

3 檢測中常見問題及影響

隨著土工合成材料在我國20多年來的發展與應用，其測試技術不斷改進，積累了一些經驗，也發現了一些不足，有些性能的測試方法較為成熟，如力學性能；而有些性能的測試手段相對較為薄弱，如水力學性能。在檢測中常見問題及影響主要有以下幾方面。

3.1 測試標準不同的影響

就我國現行土工合成材料測試規范而言，主要有國家標準化管理委員會發布的國家標準（GB）、水利部頒布的SL/T 235—1999《土工合成材料測試規程》和交通部頒布的JTG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗規程》。國家標準（GB）大多修改或等同國際（ISO）標準；行業標準則引用和參考國際標準（ISO）、國家標準（GB）和一些國家的標準，并結合我國國情和在土工試驗方面比較成熟的經驗以及對產品應用研究和實驗室條件等基礎上編制的。國家標準（GB）、SL/T 235—1999《土工合成材料測試規程》、JTG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗規程》三者之間既有相同之處，也有不同之處，并存在互補性。表2列舉了三者的力學性能測試方法的一些不同點。

表2 我國土工合成材料現行測試標準的比較

對測試方法的選擇一般根據工程性質和設計要求而定，但在工程設計無指定的情況下，試驗檢測單位較難選擇。一般的性能指標測定，有的單位選擇國家標準（GB），有的單位選擇行業標準。對于特殊項目則會選擇對應的國家標準（GB）或行業標準。對于產品出廠檢驗一般選用國家標準（GB）或產品標準。若選用不同測試方法，對試驗結果會有不同程度的影響。

對編織土工布和短纖維無紡土工布的撕裂強度分別依據國家標準和交通部標準進行檢測，結果見表3，可見檢測依據的標準不同，檢測的結果存在一定的差異。

表3 選用國家標準和交通部標準測試土工布撕裂強度的比較

3.2 儀器設備的影響

土工合成材料至今無公認或統一的技術規程和試驗方法，試驗所用儀器的結構型式或主要部件構造無法統一，使用不同的試驗儀器對試驗結果有不同程度的影響。比較突出的是水力學性能試驗和摩擦特性試驗兩方面的儀器。水力學性能試驗儀器主要包括：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、淤堵試驗裝置、塑料排水板通水量試驗儀和塑料盲溝透水量儀等；摩擦特性試驗儀器包括：直剪摩擦、拉拔直剪特性試驗裝置。現行的標準規范對儀器的具體形式、尺寸未做出明確的規定，有的檢測單位依據標準規范上的儀器示意圖自行研制或用土工試驗儀器進行改造，雖然可以購買水力學性能測試儀器，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，對試驗結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，可以看出不同的滲透系數測定儀對滲透系數的測試結果有較大的影響。

表4 不同儀器土工布垂直滲透系數的測試結果

力學性能試驗所用儀器主要為試驗機，我國試驗機行業發展比較成熟，檢測單位所用的試驗機基本都是電子萬能試驗機，精度可達1級甚至是0.5級，性能比較接近，相對水力學性能和摩擦特性試驗而言，力學性能試驗所用儀器對檢測結果造成的影響較小。

3.3 試樣狀態的影響

土工合成材料在檢測時，應對試樣進行狀態調節，狀態調節對試驗結果也有一定的影響。主要有三種狀態調節：一是要求在規定的溫度、濕度條件下調節24 h，如土工織物的調濕（見表2）；二是要求在一定的溫度條件下調節一段時間，如塑料制品要求在溫度20℃±2℃下調節至少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。前一種狀態調節對溫、濕度和時間做出了明確的規定，后兩種狀態調節對調節的時間或試驗時試樣的具體狀態未作出明確規定。如GB/T 15789—2005《土工布無負荷時垂直滲透特性的測定》要求：在實驗室溫度下，試樣在含濕潤劑0.1%V/V（體積分數）的烷基苯磺酸鈉水中，輕輕攪動以驅走空氣，至少浸泡12 h。對試樣狀態的具體界定和浸泡時間沒有作明確的規定。同時，在進行塑料排水板濾膜濕態抗拉強度和滲透系數試驗時，要求試樣在水中浸泡24 h，實際試驗中經常會出現浸泡24 h后，試樣有的部分沒有濕潤，還呈現干態狀態，這樣會導致濕態抗拉強度偏大，甚至和干態抗拉強度基本接近，而滲透系數則偏小。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，可見隨著浸泡時間的延長，排水板濾膜的濕態面積的增大，滲透系數也隨著增大。

表5 排水板濾膜在水中浸泡不同時間后滲透系數測試結果

塑料土工格柵試驗，則要求在溫度20℃±2℃環境下放置至少24 h，在實際測試中，有時會放置24～72 h。表6是某150 kN/m單向塑料土工格柵經不同時間狀態調節的測試結果。可見狀態調節時間對塑料土工格柵的伸長率影響較大，調節時間長時伸長率會有所下降。

表6 不同時間狀態調節下塑料土工格柵力學性能測試結果

3.4 試驗用水的水質和狀態問題

GB/T 15789—2005《土工布無負荷時垂直滲透特性的測定》要求：試驗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而使流量隨時間減少時，要對水進行過濾處理。在實際試驗過程中，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，試驗效果比較好。現今水行業較發達，應對試驗用水進一步統一，可以統一要求用反滲透去離子水，工藝也容易達到，試驗結果會較理想，可比性強些。

同時GB/T 15789—2005《土工布無負荷時垂直滲透特性的測定》中注明：為控制材料質量，可只測定5 cm水頭的流速指數，并在數據整理明確以測得的滲透系數或流速乘以20℃水溫校正系數后的滲透系數或流速來表示結果。但是土工合成材料產品標準的性能指標中未指明滲透系數是在水頭差5 cm測定并乘以20℃水溫校正系數后的滲透系數K20，而塑料排水板的相關標準JTS 257—2008《水運工程質量檢驗標準》、JTS 206-1—2009《水運工程塑料排水板應用技術規程》則有明確標明濾膜滲透系數為水溫20℃校正后的滲透系數K20，建議土工合成材料的產品標準和試驗標準也應相應，注明垂直滲透系數是在水頭差5 cm測定再乘以20℃水溫校正系數后的滲透系數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結果有直接的影響。

3.5.1 單位面積質量測定

對一些孔徑較大的材料如土工格柵、土工網格、土工網墊等，宜將試樣尺寸加大，試樣的尺寸應能代表材料的全部結構或有效單元。表7列舉了幾種土工布不同試樣尺寸的單位面積質量測試結果，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果帶來的影響。

表7 試樣不同尺寸單位面積質量測試結果

3.5.2 條帶拉伸試驗

目前，條帶拉伸試驗按試樣計量寬度分為寬條樣法和窄條樣法兩種。國家標準、JTG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗規程》采用寬條樣法，水利部SL/T 235—1999《土工合成材料測試規程》寬條樣法和窄條樣法均采用。

寬條樣法適用于大多數土工合成材料，包括土工布及其復合產品、土工格柵等。一般的土工布及其復合產品，直接裁剪試樣寬度200 mm為計量寬度。但對于機（編）織型土工布及其復合產品，試樣裁剪寬度宜為210mm，在兩邊抽去大約相同數量的邊絲使計量寬度達到200 mm。對于土工格柵或土工布與土工格柵復合產品，試樣計量寬度至少為200 mm，同時對橫向節距小于75 mm的產品至少應有5個完整的抗拉單元，對于節距大于或等于75 mm的產品應至少有2個完整的抗拉單元。如果用于接頭/接縫強度的對比試驗，試樣計量寬度應最小為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（編）織型土工布及其復合產品。試樣裁剪寬度為60 mm，在試樣兩邊抽去大約相同數量的邊絲，使試樣計量寬度達到50 mm。應該注意的是，如果絲的寬度較大，抽去邊絲后很難剛好達到50 mm或200 mm，應以抽去絲后試樣實際寬度為計量寬度。

在土工布的條帶拉伸試驗中，比較難解決的問題是試樣在拉伸過程中會產生打滑抽絲現象。一般的土工布及其復合產品強度在50 kN/m以下，經過相應的抗滑移處理使用窄條樣法和寬條樣法普遍不會發生打滑抽絲現象。機（編）織型土工布強度可高達100 kN/m以上甚至200 kN/m以上，市場上已經有高達220 kN/m的長絲機織土工布和200 kN/m的編織土工布。多數工程使用中低強度的土工布，近兩年來一些重點工程、大型工程開始使用高強土工布，試驗表明用窄條樣法測定高強度機（編）織型土工布比用寬條樣法測定的強度大，主要原因是高強度機（編）織型土工布用寬條樣法即使經過抗滑移處理也難以避免不發生打滑抽絲現象，用窄條樣法可以避免發生打滑抽絲現象。廣東某碼頭使用150 kN/m編織土工布和200 kN/m的機織土工布，試樣在國內幾家知名試驗機廠使用多種寬帶夾具進行拉伸試驗無法避免試樣不打滑抽絲，后使用窄條樣法進行試驗，沒有發生打滑抽絲現象。據了解，多數檢測單位在進行機（編）織型土工布的拉伸試驗也會用窄條樣法，土工布生產廠商也多以窄條樣法來監控機（編）織型土工布產品的拉伸性能。圖1和表8是使用美國MTS公司生產的GMT5105型電子萬能試驗機和夾具進行某150 kN/m長絲機織布的橫向寬條拉伸（1、2號樣）和窄條拉伸（3、4號樣）試驗后樣品的照片和測試數據，可以看到當用寬條拉伸時樣品約有10%的絲沒有斷裂，而且試驗中有打滑抽絲現象，用窄條拉伸時樣品的絲基本全部斷裂，試驗中沒有打滑抽絲現象，用窄條拉伸測試的每延米斷裂強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 某長絲機織土工布寬條拉伸和窄條拉伸的試驗結果

表8 橫向寬條與窄條拉伸試驗測試結果

3.5.3 水力學性能試驗

滲透性能試驗一般要求試樣的面積在20 cm2以上。表3中的結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，適當地增大試樣的面積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，多數檢測單位在實際檢測中根據儀器來決定試樣尺寸。總之，進行水力學性能試驗，試樣尺寸因儀器不同而不同，也導致檢測結果差異性大。

3.6 新產品的測試標準滯后

土工合成材料新產品的開發和發展很快，經常有新產品出現，進行檢測時很難找到相應的測試標準，廠家自擬的測試標準又尚未通過國家質量監督檢驗局的批準，檢測單位一般不予采用，在進行性能檢測時往往各施所長，運用的測試手段不一，試驗的結果無比對性，甚至有很大差別，很難反映新產品的真實性能，不利于新產品的推廣。

4 結語

1）我國各行業試驗標準、規范應盡量融合統一。

2）統一試驗儀器設備或主要部件、夾具規格，統一所用試驗儀器的基本參數及通用技術條件，以減小試驗儀器對試驗結果帶來的影響。

3）對試樣狀態及調節時間應有較明確規定。如塑料排水板試驗，可對濾膜的濕態抗拉和滲透試驗的試樣狀態做出定性規定，要求試樣應完全浸潤；塑料土工格柵、塑料土工網格等塑料制品的狀態調節時間明確為24 h。

4）明確規定各項試驗試樣尺寸的大小，不能因所用儀器不同而改變試樣尺寸。

5）對于機（編）織型土工布及其復合產品的條帶拉伸試驗可采用窄條樣法。

[1]GBT 50290—1998，土工合成材料應用技術規范[S].

[2]JTS 257—2008，水運工程質量檢驗評定標準[S].

[3]SL/T 235—1999，土工合成材料測試規程[S].

[4]JTG E50—2006，公路工程土工合成材料試驗規程[S].