復合土工膜耐酸堿性能試驗研究

蘇有文，楊婷惠，楊　凱，甘雨平，李　金

(西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽621010)

復合土工膜耐酸堿性能試驗研究

蘇有文，楊婷惠，楊凱，甘雨平，李金

(西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽621010)

摘要：復合土工膜因其抗拉強度高、防滲性能好和變形能力強的優點被廣泛應用于庫區、壩體、人工湖、蓄水池等建筑物的整體與局部防滲加固中，但對其耐酸堿腐蝕性能的研究較少.鉆井廢液多為腐蝕性液體，對復合土工膜的耐腐蝕性能要求更高.通過對復合土工膜酸、堿試樣進行拉伸強度、梯形撕裂強度及CBR頂破強度等進行試驗研究，并與干試樣的試驗結果進行對比分析，確定復合土工膜耐酸堿性能，為其在鉆前工程全裝配式廢水池中的應用提供理論依據.

關鍵詞：復合土工膜；耐酸堿；拉伸強度；梯形撕裂強度；CBR頂破強度

近年來，隨著國家對石油、天然氣等能源需求日益擴大，縮短油氣開發周期對于滿足日益增長的需求，促進經濟快速發展具有重要意義，而鉆前工程施工質量的優劣、施工速度的快慢直接影響整個油氣的鉆探、開發過程，故提出“鉆前廢水池模塊化、工業化”的理念.廢液中常含有大量的腐蝕性介質，如廢酸、廢堿等.未經防腐處理的鋼筋混凝土廢水池，2～3個月便出現池表面損壞、強度明顯下降等情況.

復合土工膜主要是由土工織物和高分子材料復合而成，由于其高強抗拉性能、良好防滲性能、較強變形能力同時又具有輕質、便于施工、造價低廉等優點，被廣泛應用于庫區、壩體、人工湖和蓄水池等建筑物的整體與局部防滲加固中[1-3].作為一種新型結構的防滲型土工合成材料，目前的研究多集中在防滲漏、施工工藝、選型等方面，對其耐腐蝕性能的研究較少[4-7]，因此通過對其耐酸堿性能進行研究，將為其在鉆前裝配式結構中的應用提供一定的理論依據.

1試驗設計

水池的抗滲防腐是采用預制模塊拼接而成全裝配式廢水池的成敗關鍵點之一.由于全裝配式廢水池自身的特點，復合土工膜除了要承受廢液壓力和張拉力之外，還要滿足模塊拼縫引起的梯形撕裂、模塊錯位或地基不均勻沉降等引起的頂破及廢液的腐蝕等的要求，因此通過對酸堿浸泡后復合土工膜的拉伸性能、梯形撕裂、CBR頂破性能等方面進行研究，以確定其能否滿足鉆前全裝配式結構抗滲防腐的要求.

1.1試驗材料

通過查閱相關的技術規范標準如GB/T 17642—2008《復合土工膜技術標準》[8]并結合鉆前工程實際情況，采用某廠家生產的700 g/m2聚乙烯(PE)復合土工膜作為試驗材料，具體性能指標：縱向斷裂強力12.2 kN/m，橫向斷裂強力12.3 kN/m，縱向斷裂伸長率41%，橫向斷裂伸長率69%，縱向撕裂強力0.54 kN，橫向撕裂強力0.58 kN，CBR頂破強力2.39 kN.按照標準取樣方法進行取樣，遠離端頭至少3 m，試樣的具體尺寸：拉伸試驗、耐腐蝕試驗裁剪試樣寬度600 mm，長度600 mm，一剪為三，測量試樣干、酸、堿縱橫方向的力學性能；梯形撕裂試驗采用梯形模板試樣，測量其干、酸、堿縱橫方向的梯形撕裂強度；CBR頂破試驗采用直徑為230 mm圓形試樣，測量其干、酸、堿試樣的頂破強度.其中酸試樣為浸泡稀硫酸溶液7 d(pH=2)，堿試樣為浸泡氫氧化鈉溶液7 d(pH=13).

1.2試驗方法

1.2.1拉伸強度

按照SL 235-2012《土工合成材料測試規程》[9]，采用GL028土工布綜合強力機，調整夾具初始間距并確保試樣的最大斷裂力在滿量程的10%～90%范圍內，拉伸速率設定為20 mm/min，試驗過程中要嚴格控制應力并確保夾具與試驗的松緊程度，盡量減少其他因素對試驗的影響，具體試驗裝置見圖1.

圖1　拉伸試驗Fig.1　The tensile test

1.2.2梯形撕裂強度

按照SL 235-2012《土工合成材料測試規程》，采用GL028土工布綜合強力機，調整夾具初始間距并確保試樣的最大斷裂力在滿量程的10%～90%范圍內，試樣尺寸嚴格按照規程要求尺寸，拉伸速率設定為100 mm/min，具體試驗裝置見圖2.

圖2　梯形撕裂試驗Fig.2　The trapezoid tear test

1.2.3CBR頂破強度

參照SL 235-2012《土工合成材料測試規程》，采用CBR試驗儀，調整環形夾具緊繃狀態，試樣尺寸嚴格按照規程要求尺寸，頂壓速率設定為60 mm/min，頂破過程中保證頂壓桿處于垂直狀態，具體試驗裝置如圖3所示.

圖3　CBR頂破試驗Fig.3　The CBR bursting test

2試驗結果及分析

2.1試驗結果

通過對復合土工膜拉伸試驗、撕裂試驗和CBR頂破試驗研究，根據試驗過程中記錄的試驗數據，去掉由于操作等所導致的誤差，計算其均值與方差(變異系數)，具體的試驗結果如表1所示.

表1　試驗結果

2.2結果分析

2.2.1拉伸強度

復合土工膜的拉應力—應變曲線大致分為3個階段(圖4)：強度上升階段，布斷裂階段和薄膜受力變形階段.因為布和膜的變形率不一樣，一般是變形率小先發生斷裂，接著變形率大單獨承擔荷載，但復合土工膜的抗拉強度并不是布、膜材料強度的疊加，其強度主要由強度大、變形率小的材料決定.

對比橫向試樣和縱向試樣的變化可以看出：橫向斷裂強度大于縱向，這主要是因為復合土工膜抗拉強度由于布的方向性，經緯向抗拉強度不同.從試驗結果中可以看出：干試樣縱向的平均拉伸強力為12.23 kN/m，橫向為12.35 kN/m，干試樣縱向延伸率為41.5%，橫向為56.9%，表1中橫向變異系數大于縱向變異系數，因此在實際設計中要考慮土工膜的鋪設方向.

通過對比酸、堿和干試樣的結果可以發現酸、堿溶液的試樣縱橫向能承受最大拉伸力與干試樣是相反的且低于干試樣的拉伸強度，這主要是因為經過浸泡，布含有大量的酸性或堿性液體，在拉伸過程中，由于溶液的存在會導致布之間的張力增大并且影響膜布之間的粘接力.從圖4(b，c)可以看出：在抗拉強度上升階段，由于浸泡酸、堿溶液，彈性模量有所降低，在布的斷裂階段，布拉伸不均勻，存在局部的波動，在膜繼續受力階段，由于液體的存在會導致膜的延伸率略有提高，但總的來說，復合土工膜的強度仍能夠滿足廢水池的基本要求.

1～5—橫向試樣；6～10—縱向試樣圖4　試樣拉伸強度Fig.4　The sample tensile strength

2.2.2梯形撕裂強度

如果復合土工膜使用過程中長期受到局部集中荷載，就有可能達到其強度極限而被撕裂至破壞.因此，本試驗考慮到裝配式結構不均勻沉降、錯縫等引起的集中力，故對其梯形撕裂強度進行試驗.由表1可得：復合土工膜干試樣縱向梯形撕裂強度為0.545 kN，橫向為0.59 kN，縱向變異系數6.09，橫向6.81.酸試樣縱向梯形撕裂強度為0.525 kN，橫向為0.53 kN，縱向的變異系數5.98，橫向6.08.堿試樣縱向梯形撕裂強度為0.515 kN，橫向為0.52 kN，縱向的變異系數6.01，橫向6.12.由數據可知，經過浸泡后，復合土工膜撕裂強度有所下降.從圖5可以看出：在梯形撕裂過程中，首先是膜布共同受力，接著當試樣中受力的布逐漸上下分開時，膜開始與布產生相對滑動并逐漸靠攏，形成一個近似梯形區域，但由于布本身摩擦阻力的影響，滑動是有限的.在滑動時，張力迅速增大，變形伸長也急劇增加，撕裂力也會由于布的不均勻性出現波動，最后至試樣破壞.從梯形撕裂強度機理來看，假設布斷裂強度不變，受力梯形的大小直接影響到撕裂強度的大小.從曲線的變化形式可以看出共同受力階段的變形量低于布斷裂階段的變形量，這說明復合土工膜能夠承受較大的變形而不會出現滲漏情況.通過對比復合土工膜縱橫向受力變化情況可以看出縱向受力即沿布的方向受力比沿膜的方向受力性能好.

圖5　試樣梯形撕裂強度Fig.5　The sample trapezoid tear strength

2.2.3CBR頂破強度

復合土工膜頂破強度是指當其局部受到垂直于其平面的外力作用時鼓起擴張至破裂的強度.作為衡量復合土工膜抵抗局部垂直力破壞的指標，CBR頂破強度主要是確定復合土工膜承受垂直方向頂破力的最大值.從表1可以看出：復合土工膜干試樣的CBR頂破力的平均值為2.41 kN，酸試樣的CBR頂破力的平均值為2.69 kN，堿試樣的CBR頂破力的平均值為2.51 kN，經過浸泡，試樣的頂破強度有所增加，主要是在頂破過程中，由于液體的張力，在頂破過程中會使布的受力更均勻，變形更大.從圖6可以看出：在頂破過程中，復合土工膜需要承受多向不均勻的頂破力，會產生各向伸長，沿縱橫兩個方向張力復合的剪應力，使復合土工膜在變形最大、強度最薄弱的一點先斷裂，接著沿縱向或橫向撕裂.頂破過程布和膜由于垂直力并未出現分離的現象，而是共同受力且近似為線彈性階段.通過對比干、酸、堿試樣可以看出：酸、堿試樣由于含有溶液的原因，在頂破力的轉折點較平緩，不會出現急劇頂破的現象且其頂破強度大于干試樣的頂破強度.

圖6　CBR頂破強度Fig.6　The sample CBR bursting strength

3結論

復合土工膜是由土工織物和土工膜復合而成，可以實現功能互補，試驗得出了復合土工膜是布和膜相互作用并且其變形率取決于變形率小的材料.通過試驗可得到：經過酸堿溶液浸泡后，復合土工膜拉伸強度有所下降，變異系數有所減小，離散性變小；經過酸堿溶液浸泡后，復合土工膜撕裂強度下降10%左右且橫向下降率大于縱向，但變形率提高；經過酸堿溶液浸泡后，復合土工膜CBR頂破強度提高，變形率增加.綜上所述，700 g/m2聚乙烯(PE)復合土工膜耐腐蝕性能良好，能夠滿足鉆前工程的要求.

參考文獻：

[1]陳維國.土工膜用于喀斯特庫區防滲應用研究[D].成都:四川大學，2003.

[2]李文國.庫盤大面積土工膜防滲體機械化施工方法與流水作業技術研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學，2008.

[3]土工合成材料工程應用手冊編委會編．土工合成材料工程應用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994：107-150.

[4]石希，趙殿鵬，徐婕，等.基于最小二乘法的混凝土相關性曲線的研究[J].浙江工業大學學報，2014，42(4):388-392.

[5]束一鳴.我國水庫大壩土工膜防滲工程進展[J].水利水電科技進展，2015(5):661-664.

[6]王敏，孫亞東.土工合成材料在水利工程防滲中的應用[J].中國新技術新產品，2015(2):1104-1107.

[7]徐彩芝.復合土工膜防滲心墻方案的經濟合理性分析[J].內蒙古水利，2014(4):143-145.

[8]中國國家標準化管理委員會.復合土工膜技術標準:GB/T 17642—2008[S].北京：中國標準出版社，2009:6-1.

[9]中國土工合成材料工程協會，南京水利科學研究院，中國水利水電科學研究院，等.土工合成材料測試規程:SL 235—2012[S].北京：中國水利水電出版社，2012:5-12.

(責任編輯：劉巖)

Experimental study on corrosion resistance of composite geomembranes

SU Youwen, YANG Tinghui, YANG Kai, GAN Yuping, LI Jin

(College of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Abstract:With its high tensile strength, good anti-seepage performance, and strong deformation, geomembranes are widely used in reservoir areas, dams, artificial lakes, reservoirs, and other buildings for whole and partial seepage and reinforcement, but few studies on the acid and alkali resistance properties are seldom reported. The waste liquid of drilling is corrosive and a higher corrosion resistance is required for geomembranes. Through tests on the tensile strength, trapezoidal tear strength, and CBR bursting strength of acid and alkali geomembrane samples and comparisons with the test results of dry geomembrane samples, the acid and alkali resistance properties are determined, which provides a theoretical reference for the application of fully assembled structures in waste water pools.

Keywords:geomembrane; acid and alkali resistance; tensile strength; trapezoidal tear strength; CBR bursting strength

收稿日期：2015-11-30

基金項目：四川省鉆前重點工程模塊化高效施工技術研究項目(CQ2012B-33-2-2)

作者簡介：蘇有文(1970—)，男，四川資陽人，副教授，研究生導師，主要從事工程項目管理、工程質量控制與檢測等方向的研究，E-mail：suyouwen123@126.com.

中圖分類號：TV441

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)04-0456-05