充氣時間和充氣壓力對土工膜焊縫剝離強度影響

鄭澄鋒，楊明昌，耿之周，魏軍揚

（1.南京水利科學研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

充氣時間和充氣壓力對土工膜焊縫剝離強度影響

鄭澄鋒1，楊明昌1，耿之周1，魏軍揚2

（1.南京水利科學研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

土工膜焊縫剝離強度是整個防滲結(jié)構(gòu)可靠性保障的關(guān)鍵因素之一。為了分析充氣時間和充氣壓力對土工膜焊縫剝離強度質(zhì)量的影響，選擇7種不同厚度的HDPE土工膜在不同充氣時間和充氣壓力條件下進行焊縫剝離強度試驗。試驗結(jié)果表明：在相同土工膜厚度和充氣時間（3 min或10 min）條件下充氣壓力越大，焊縫剝離強度越小，土工膜厚度在0.25～1.00 mm范圍內(nèi)影響較大，在土工膜厚度1.00～2.00 mm范圍影響較小；相同土工膜厚度和充氣壓力（0.1 MPa或0.2 MPa）條件下在土工膜厚度較薄范圍0.25～1.00 mm內(nèi)隨著充氣時間的增加剝離強度在減小，影響較小，在土工膜厚度較厚范圍內(nèi)1.00～2.00 mm范圍內(nèi)充氣時間對剝離強度影響很小，可以忽略不計；相同充氣時間和充氣壓力條件下，土工膜焊縫剝離強度隨著土工膜厚度的增加而增大；土工膜焊縫工藝在土工膜厚度小于1.0 mm時，充氣壓力宜選擇0.1 MPa；土工膜厚度大于1.0 mm時，充氣壓力宜選擇0.2 MPa，充氣時間可統(tǒng)一選擇為10 min。

土工膜焊縫；充氣時間；充氣壓強；剝離強度

土工膜是一類由高分子聚合物制成的工程防滲材料。近二三十年來，隨著各種困難逐漸克服，土工膜技術(shù)得到較快發(fā)展，土工膜工程的不斷應(yīng)用，相應(yīng)的，國內(nèi)外也已對其做了大量的相關(guān)研究工作，其中土工膜接縫問題相關(guān)研究有：土工膜施工工藝方面，束一鳴等對土工膜焊接和膠接等拼接工藝進行了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究［1］，并結(jié)合實際工程對常用的PE和PVC土工膜的焊接、黏結(jié)、槽中拼接、周邊錨固、頂部連接及鋪設(shè)工藝進行系統(tǒng)研究和總結(jié)［2］。張毅等［3］對渠道復(fù)合土工薄膜焊接及施工質(zhì)量控制方面做了一定闡述。施工工藝對膜的力學特性方面，束一鳴等結(jié)合實際工程采用的防滲膜對不同環(huán)境溫度和焊接溫度下土工膜焊接焊縫進行研究，通過拉伸和剝離試驗，從而得到了環(huán)境溫度與優(yōu)化焊接溫度之間的關(guān)系曲線，并且通過焊接試樣附著水分、塵埃、纖維的焊接試驗，驗證了復(fù)雜施工環(huán)境下保持焊接部位清潔、干燥對保證焊接質(zhì)量的重要性［4］；在國外，Peggs和Carlson（1988）討論了不同焊接工藝對土工膜耐久性的影響［5］。Rollin等（1989）通過顯微鏡對焊縫的觀察評價了現(xiàn)有的現(xiàn)場焊接技術(shù)的優(yōu)劣［6］。Curran和Frobel將帶有焊縫的土工膜置于各種環(huán)境條件和加載條件下，通過比較焊接前后土工膜的力學性質(zhì)，評價了焊縫對土工膜耐久性和抗拉強度的影響［7］。孫葉芝等［8］對土工膜焊縫質(zhì)量控制及破壞原因進行了分析。馮雁［9］對土工膜拼接和質(zhì)量檢測也做了系統(tǒng)闡釋。

目前土工膜焊縫檢測分為有損檢測與無損檢測兩大類，室內(nèi)試驗一般進行有損檢測，比如抗剪強度，剝離強度的試驗；而現(xiàn)場試驗通常要求無損檢測。無損檢測的方法很多，實際工程中大多依據(jù)SL/T231-1998聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范和SL18-2004渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范采用充氣法檢測。現(xiàn)有可以采用的規(guī)范存在3個方面的問題：①對于充氣壓力和充氣時間等規(guī)定有很大的任意性，不利于檢測人員的實際操作；②對于不同厚度的土工膜用同一充氣壓力很不妥當，對于厚度較小的土工膜，在0.2 MPa的充氣壓力作用下，已經(jīng)產(chǎn)生鼓脹現(xiàn)象，變形較大，此時所謂的無損檢測已經(jīng)變成有損檢測；③焊縫質(zhì)量判斷的依據(jù)沒有量化，結(jié)果的判定往往具有人為性。

為提高土工膜焊縫的質(zhì)量，選擇7種不同厚度的HDPE土工膜在不同充氣時間和充氣壓力條件下進行焊縫強度試驗，得到充氣時間和充氣壓力對土工膜焊縫剝離強度質(zhì)量的影響。更好地指導土工膜焊接施工，對現(xiàn)有充氣檢測法的具體檢測指標進行統(tǒng)一，并為相關(guān)工程提供借鑒。

1 試驗方案

進行無充氣狀態(tài)下HDPE土工膜的焊縫剝離強度試驗。

選擇7種不同厚度的HDPE土工膜進行焊縫強度試驗，土工膜厚度分別為0.25，0.35，0.5，0.75，1.00，1.50和2.00 mm。

充氣方案選用以下4種狀態(tài)，分別是：①充氣壓力0.1 MPa，充氣時間3 min；②充氣壓力0.1 MPa，充氣時間10 min；③充氣壓力0.2 MPa，充氣時間3 min；④充氣壓力0.2 MPa，充氣時間10 min。對充氣檢測后的HDPE土工膜焊縫進行剪切試驗和剝離試驗，并與無充氣狀態(tài)下的焊縫剪切強度與剝離強度進行對比，分析研究充氣時間、充氣壓力對焊縫質(zhì)量的影響，并總結(jié)相應(yīng)結(jié)果及規(guī)律，為土工膜焊縫檢測和相關(guān)工程提供參考借鑒。

2 試驗原理方法

土工膜焊縫剝離試驗是將試樣按照圖1安裝在試驗機上，以50 mm·min-1的速率進行拉伸直到試樣完全剝離，記錄最大剝離力，觀察和記錄試樣的破壞現(xiàn)象，是材料破壞還是被剝開。該試驗采用微機控制電子萬能試驗機操作，并按照《土工合成材料測試規(guī)程》（SL235-2012）相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3 試驗結(jié)果及分析

試驗組剝離強度試驗結(jié)果見表1，試驗組土工膜焊縫剝離強度與土工膜厚度關(guān)系曲線見圖2。

3.1 充氣壓力對焊縫質(zhì)量的試驗研究

該研究分為焊縫充氣3 min不同壓力0.1 MPa和0.2 MPa試驗條件以及焊縫充氣10 min不同壓力0.1 MPa和0.2 MPa試驗條件兩類。

首先，在焊縫充氣3 min試驗條件下結(jié)果分析。

圖1 剝離試樣安裝示意圖Fig.1 The schematic diagram of geomembrane peel test

圖2 試驗組土工膜焊縫剝離強度與土工膜厚度關(guān)系曲線Fig.2 Curves between the geomembrane welding seam peel strength and geomembrane thickness of all test teams

表1 各個試驗組剝離強度試驗結(jié)果Tab.1 Test results of every test team’s peel strength

取無充氣試驗組、充氣0.1 MPa，3 min試驗組、充氣0.2 MPa，3 min試驗組試驗結(jié)果（參照表1和圖2）進行對比分析，可以得出，在焊縫充氣3 min試驗條件下，3試驗組焊縫剝離強度隨著土工膜厚度的增加而增加，這是因為土工膜焊縫母材的厚度對焊縫的剝離強度起決定作用，且曲線變化趨勢較為一致。無充氣狀態(tài)試驗組焊縫剝離強度隨著土工膜厚度變化曲線高于0.1 MPa，3 min試驗組，0.1 MPa，3 min試驗組高于0.2 MPa，3 min試驗組，且在土工膜厚度0.25～1.00 mm范圍內(nèi)差距較為明顯，在1.00～2.00 mm范圍內(nèi)差距變化很小；即相同土工膜厚度和充氣時間3 min條件下充氣壓力越大（此時無充氣狀態(tài)試驗組可以認為是0 MPa，3 min），焊縫剝離強度越小，在土工膜厚度較薄范圍0.25～1.00 mm范圍內(nèi)影響較大，在土工膜厚度較厚范圍內(nèi)1.00～2.00 mm范圍影響較小，可以忽略不計。

其次，在焊縫充氣10 min試驗條件下結(jié)果分析，會得出與焊縫充氣3 min實驗條件非常相似的結(jié)論。

3.2 充氣時間對焊縫質(zhì)量的試驗研究

該研究可以分為焊縫充氣壓力0.1 MPa不同時間3 min和10 min試驗條件和焊縫充氣壓力0.2 MPa不同時間3 min和10 min試驗條件兩類。

首先對焊縫充氣0.1 MPa試驗條件下結(jié)果分析。

取無充氣試驗組、充氣0.1 MPa，3 min試驗組、充氣0.1 MPa，10 min試驗組試驗結(jié)果（參照表1和圖2）進行對比分析，可以得出：在焊縫充氣0.1 MPa試驗條件下，3試驗組焊縫剝離強度隨著土工膜厚度的增加而增加，原因同3.1所述，且曲線變化趨勢及數(shù)值大小較為一致。無充氣狀態(tài)試驗組焊縫剝離強度隨著土工膜厚度變化曲線略高于0.1 MPa，3 min試驗組，0.1 MPa，3 min試驗組略高于0.1 MPa，10 min試驗組，但相互之間差值很小，可以認為大小相同，即相同土工膜厚度和充氣壓強0.1 MPa條件下充氣時間的長短對剝離強度幾乎沒有影響，在土工膜厚度較薄范圍0.25～1.00 mm范圍內(nèi)有較小的一定影響，在土工膜厚度較厚范圍內(nèi)1.00～2.00 mm范圍影響很小，均可以忽略不計。

其次，對焊縫充氣0.2 MPa試驗條件下結(jié)果分析會得出與焊縫充氣0.1 MPa實驗條件非常相似的結(jié)論。

通過上述試驗結(jié)果的分析比較，我們可以得出以下結(jié)論：當土工膜厚度小于1.0 mm時，充氣壓力0.2 MPa對焊縫質(zhì)量有明顯影響，充氣壓力宜選擇0.1 MPa；土工膜厚度大于1.0 mm時，充氣壓力0.2 MPa對焊縫質(zhì)量影響甚微，充氣壓力宜選擇0.2 MPa；相比充氣壓力，充氣時間的選擇對焊縫質(zhì)量影響較小，充氣時間可統(tǒng)一選擇為10 min。

4 結(jié)論

1）在相同充氣時間（3 min或10 min）試驗條件下，焊縫剝離強度隨著土工膜厚度的增加而增加，且曲線變化趨勢較為一致。即相同土工膜厚度和充氣時間條件下充氣壓力越大，焊縫剝離強度越小，在土工膜厚度為0.25～1.00 mm范圍內(nèi)影響較大，在土工膜厚度為1.00～2.00 mm范圍影響較小，可以忽略不計。

2）在相同試驗充氣壓力（0.1 MPa或0.2 MPa）條件下，焊縫剝離強度隨著土工膜厚度的增加而增加，且曲線變化趨勢較為一致。相同土工膜厚度和充氣壓力條件下充氣時間的長短對剝離強度幾乎沒有影響，在土工膜厚度為0.25～1.00 mm范圍內(nèi)有較小影響，在土工膜厚度為1.00～2.00 mm范圍影響很小，均可以忽略不計。

3）在相同充氣時間和充氣壓力條件下，土工膜焊縫剝離強度隨著土工膜厚度的增加而增大。

4）土工膜焊縫工藝在土工膜厚度小于1.0 mm時，充氣壓力宜選擇0.1 MPa，土工膜厚度大于1.0 mm時，充氣壓力宜選擇0.2 MPa，充氣時間可統(tǒng)一選擇為10 min。

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Effect of Air Inflation Time and Pressure on Geomembrane Welding Seam Peel Strength

Zheng Chengfeng1,Yang Mingchang1,Geng Zhizhou1,Wei Junyang2
(1.Geotechnical Engineering Institute,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210098,China;
2.Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Geomembrane welding seam peel strength is one of the key factors for the impervious structure reliabili?ty.In order to get the effect of air inflation time and air inflation pressure on geomembrane seam peel strength,in this paper,seven kinds of HDPE geomembrane with different thickness were selected to make the welding seam peel strength test at different aeration time and filling pressure conditions.The test results show that:Under the test condition of the same geomembrane thickness and the same air inflation time(3 min or 10 min),geomembrane welding seam peel strength decreases with the normal stress increasing,having great influence in the geomem?brane thickness range of 0.25-1.00 mm and less influence on geomembrane thickness rang of 1.00-2.00 mm;Un?der the test condition of the same geomembrane thickness and the same air inflation prssure(0.1 MPa or 0.2 MPa),geomembrane welding seam peel strength decreases with the air inflation stress increasing,having less influence in the geomembrane thickness range of 0.25-1.00 mm and less influence,even can be neglected,on geomembrane thickness range of 1.00-2.00 mm;Under the condition of same air inflation time and air inflation pressure,geo?membrane seam peel strength increases with increasing of the geomembrane thickness;In geomembrane welding seam technology,when the thickness is less than 1.0 mm,air inflation pressure should be 0.1 MPa,and when the thickness is more than 1.0mm,air inflation pressure should be 0.1 MPa,and air inflation time should be 10 min.

geomembrane welding seam;air inflation time;air inflation pressure;separate test study;peel strength

TV44

A

1005-0523（2014）02-0091-04

2014-01-13

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目（Y312002）

鄭澄鋒（1977—），男，高級工程師，研究方向為土工合成材料試驗檢測。