張思云，魯偉濤，靳向煜

(東華大學(xué)非織造研究發(fā)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(shù)為1×10－12～1×10－13cm/s，實(shí)際上不透水［1］，是理想的防滲材料。與傳統(tǒng)的防水材料相比，土工膜具有滲透系數(shù)低、低溫柔性好、形變適應(yīng)性強(qiáng)、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、整體連接性好和施工方便等特點(diǎn)［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(shè)中的應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代，美國(guó)在灌溉渠道中用土工膜進(jìn)行防滲［3］，20世紀(jì)70年代初歐美國(guó)家開始在隧道建設(shè)中應(yīng)用土工膜。我國(guó)于1996年首次在混凝土壩防滲中使用土工膜。在進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，土工膜應(yīng)用技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，現(xiàn)在已用于水利、交通、建筑和環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域［4］。

土工膜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這就要求其性能測(cè)試必須規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率是土工膜的重要性能指標(biāo)，對(duì)工程設(shè)計(jì)有著重要的意義，直接關(guān)系到工程的安全和耐用等。在實(shí)際應(yīng)用中，土工膜的受力情況非常復(fù)雜，它不是單純的1個(gè)方向受力，而是不規(guī)則的各個(gè)方向同時(shí)受力。由于國(guó)際上沒(méi)有關(guān)于土工膜雙向拉伸的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，在工程設(shè)計(jì)中通常以單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為其性能的參考，給工程建設(shè)帶來(lái)較大的隱患。張營(yíng)營(yíng)等［5］初步探討了膜材雙軸受力效應(yīng)，得出雙向受力情況下膜材的斷裂強(qiáng)度會(huì)顯著下降，但其試驗(yàn)材料為PTFE膜，并缺少對(duì)斷裂伸長(zhǎng)的探討。李龍嬌［6］、張一平等［7］分別對(duì)機(jī)織物與針織物的雙向拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了研究，提出了加襯墊的思想，對(duì)本文雙向拉伸試樣的制作給予了啟發(fā)。

本文對(duì)聚乙烯(PE)土工膜進(jìn)行一系列單向和雙向的拉伸試驗(yàn)，并將2組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，探究土工膜在雙向受力情況下強(qiáng)度和延伸性的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

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

單向拉伸試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定》中“薄膜和薄片的試驗(yàn)條件”，將試樣剪成啞鈴狀，試樣兩端較粗，中間較細(xì)，應(yīng)力集中在較細(xì)的中間段，保證單向拉伸時(shí)，斷裂發(fā)生在中間部分。PE土工膜單向拉伸試驗(yàn)形狀如圖1所示。

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

在雙向拉伸實(shí)驗(yàn)中，參照單向拉伸的啞鈴型試樣，為避免斷裂發(fā)生在鉗口區(qū)域，將正方形的試樣剪成如圖2所示的形狀(長(zhǎng)寬均為18 cm，中心區(qū)域是邊長(zhǎng)為4 cm的正方形)。正方形試樣從外端向內(nèi)流線型收攏，同樣形成了夾持區(qū)域面積較大，而中間受力區(qū)域面積較小的形式，保證拉伸過(guò)程中應(yīng)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(yàn)采用的雙向拉伸試樣是在十字形試件［8］的基礎(chǔ)上進(jìn)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(guò)程中打滑，同時(shí)由于鋁片良好的抗拉伸性能，使得雙向拉伸過(guò)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(fā)生在中心4 cm×4 cm的有效區(qū)域內(nèi)(具體試樣如圖2所示)。

1.2 試驗(yàn)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(qiáng)力儀，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.1—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定》分別對(duì)縱向和橫向2個(gè)方向進(jìn)行拉伸，拉伸速度為100 mm/min。

雙向拉伸的儀器為國(guó)產(chǎn)X－Y型織物雙向電子強(qiáng)力儀(X表示橫向，Y表示縱向)。由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)關(guān)于薄膜雙向拉伸的標(biāo)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)采用以下3種不同的方案進(jìn)行試驗(yàn):

方案1。X方向和Y方向都以100 mm/min的速度進(jìn)行拉伸。

方案2。X方向夾持不動(dòng)，Y方向以100 mm/min的速度進(jìn)行拉伸。

方案3。Y方向夾持不動(dòng)，X方向以100 mm/min的速度進(jìn)行拉伸。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 斷裂－伸長(zhǎng)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(shì)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(gè)曲線分為3個(gè)階段。第1階段時(shí)間較短，應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加，模量較大，試樣被均勻地拉長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率可以達(dá)到百分之幾到百分之十幾，到了第1個(gè)峰以后，試樣截面開始變得不均勻，出現(xiàn)1個(gè)或幾個(gè)細(xì)頸，進(jìn)入第2階段。在該階段，細(xì)頸與非細(xì)頸部分的橫截面面積分別維持不變，而細(xì)頸部分不斷擴(kuò)展，非細(xì)頸部分逐漸縮短，直到整個(gè)試樣完全變細(xì)為止。在第2階段的應(yīng)變過(guò)程中應(yīng)力幾乎不變，表現(xiàn)為拉伸曲線為水平線段。最后，進(jìn)入第3階段，即成頸的試樣又被均勻拉伸，此時(shí)應(yīng)力又隨應(yīng)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(yàn)中拉伸過(guò)程分為3個(gè)階段。初始階段應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而線性增加，到達(dá)1個(gè)峰值后，應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力不再增加，拉伸曲線呈水平線段，前2個(gè)階段同單向拉伸試驗(yàn)曲線基本一致，但在第3個(gè)階段中，雙向拉伸試驗(yàn)曲線出現(xiàn)應(yīng)力隨著應(yīng)變逐漸下降的趨勢(shì)，這是由于此時(shí)拉伸試樣隨著夾具之間的距離增大，薄膜中心區(qū)逐漸拉伸變薄，在夾持器的夾角部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中三角區(qū)(見(jiàn)圖5)。

圖5 雙向拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)力集中三角區(qū)Fig.5 Stress zone of PE geomembrane under biaxial tensioning

在如圖5所示的三角區(qū)中應(yīng)力容易集中，薄膜局部變形積累形成損傷場(chǎng)，隨著拉伸的進(jìn)行損傷場(chǎng)向兩邊擴(kuò)散。由于材料性質(zhì)的不絕對(duì)均勻，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的變形不完全同步，從而在試樣中心會(huì)不斷形成多個(gè)應(yīng)力集中場(chǎng)，不斷出現(xiàn)新的局部變形，出現(xiàn)多個(gè)新的損傷場(chǎng)［10］。直至某些損傷場(chǎng)產(chǎn)生塑性變形發(fā)生斷裂。最初的局部斷裂會(huì)使斷裂區(qū)域生成新的受力三角區(qū)(即新的弱節(jié))，繼而沿著新產(chǎn)生的三角區(qū)發(fā)生斷裂，直至試樣斷裂，曲線呈緩慢、波動(dòng)下降趨勢(shì)。

2.2 斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率

本實(shí)驗(yàn)中單向拉伸試驗(yàn)縱、橫向各做了10個(gè)樣，雙向拉伸試驗(yàn)3個(gè)方案各做了5個(gè)樣，雙向拉伸試驗(yàn)中剔除試驗(yàn)過(guò)程打滑或斷裂在鉗口附近的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。PE土工膜試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。MD為縱向，CD為橫向，斷裂強(qiáng)度=斷裂強(qiáng)力/橫截面面積，下文均以斷裂強(qiáng)度進(jìn)行討論。

表1 PE土工膜試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(qiáng)度與橫向強(qiáng)度差別不大，二者斷裂伸長(zhǎng)率基本一致，說(shuō)明本試樣具有各向同性。分別對(duì)比單向拉伸與雙向拉伸縱、橫向的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于單向拉伸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，雙向拉伸的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)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(shù)據(jù)，CD中白色柱形圖為方案3的數(shù)據(jù)。

從圖6可以看出，雙向拉伸試驗(yàn)條件下縱、橫向斷裂強(qiáng)度顯著下降。將單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與雙向拉伸方案1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PE薄膜縱向強(qiáng)度降低21.53%，橫向強(qiáng)度降低60.32%;將其與雙向拉伸方案2和方案3的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其縱向強(qiáng)度降低5.84%，橫向強(qiáng)度降低57.14%。強(qiáng)度顯著下降是由于薄膜受到縱向破壞的同時(shí)橫向并沒(méi)有受到任何力的作用，這樣薄膜在拉伸時(shí)縱向受拉伸長(zhǎng)，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(guò)程中，PE大分子沿縱向取向程度越來(lái)越大，因而其斷裂強(qiáng)度較高，橫向拉伸過(guò)程同理。在雙向拉伸過(guò)程中，由于另外一端同樣受力，薄膜內(nèi)部的大分子不能重新排列取向，因而斷裂強(qiáng)度顯著下降。

雙向拉伸試驗(yàn)中縱向和橫向斷裂強(qiáng)度的下降程度差別較大。方案1中，橫向斷裂強(qiáng)度下降程度是縱向強(qiáng)度的3倍。方案2和方案3中，橫向斷裂強(qiáng)度下降程度是縱向的11倍，橫向斷裂強(qiáng)度的下降程度明顯高于縱向的斷裂強(qiáng)度，這同樣是單向拉伸過(guò)程中大分子能夠重新排列取向而雙向拉伸無(wú)法排列取向的結(jié)果。雙向拉伸試驗(yàn)中，由于雙向同時(shí)受力，薄膜內(nèi)部大分子不能夠重新排列，因而薄膜仍然保持原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在單向拉伸試驗(yàn)中，由于縱、橫向均有足夠的時(shí)間進(jìn)行排列取向，薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)際已發(fā)生變化?？v、橫向斷裂強(qiáng)度下降幅度的差異表明在原始薄膜內(nèi)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(yàn)中斷裂伸長(zhǎng)率相比于單向拉伸試驗(yàn)下降顯著。將單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與雙向拉伸方案1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PE薄膜縱向斷裂伸長(zhǎng)率下降63.07%，橫向斷裂伸長(zhǎng)率下降64.17%;對(duì)比單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與雙向拉伸方案2和方案3的數(shù)據(jù)可以得出，縱向斷裂伸長(zhǎng)率下降68.06%，橫向斷裂伸長(zhǎng)率下降68.47%。下降幅度均超過(guò)60%，說(shuō)明雙向拉伸條件會(huì)嚴(yán)重削弱土工膜的延伸性。

3 結(jié)論與建議

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

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

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

土工膜的雙軸強(qiáng)度的測(cè)試，對(duì)于研究膜的力學(xué)性能，確保膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和膜結(jié)構(gòu)工程施工與設(shè)計(jì)的一致性至關(guān)重要。通過(guò)本試驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)PE薄膜斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率在雙向受力情況下比單向受力小，為保證結(jié)構(gòu)安全，建議設(shè)計(jì)取值時(shí)進(jìn)行考慮。

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

［2］ 陳開強(qiáng)，王瀾，王錫臣.土工膜及其應(yīng)用［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)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(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)與性能的研究［D］.西安:西安工程科技學(xué)院，2006.

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

［5］ 張營(yíng)營(yíng)，周穎，陳魯，等.膜材雙軸受力效應(yīng)的試驗(yàn)研究［C］//第九界全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.上海:同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2009:652－655.

［6］ 李龍嬌.機(jī)織物雙向拉伸實(shí)驗(yàn)方法與力學(xué)性能研究［D］.北京:北京服裝學(xué)院，2010.

［7］ 張一平，龍海如.拉伸測(cè)試方法對(duì)緯平針織物最終變形的影響［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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(xì)編穿刺3D碳/碳復(fù)合材料雙向拉伸實(shí)驗(yàn)研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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(rùn).高分子物理學(xué)［M］.2版.北京:中國(guó)紡織出版社，2000:237.

［10］ 劉進(jìn)華，李大綱，張立芳.加載速率對(duì)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))