PE土工膜雙向拉伸試驗(yàn)研究

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，在拉伸過程中，PE大分子沿縱向取向程度越來越大，因而其斷裂強(qiáng)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(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(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。縱、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60%，說明雙向拉伸條件會(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。

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