塑料防護排水板縱向通水能力測試技術(shù)研究

張鵬程

(上海勘測設(shè)計研究院，上海 200434)

塑料防護排水板是由高分子樹脂材料(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等)制成的表面為凹凸形狀，具有縱向通水功能，使用時表面覆或不覆無紡?fù)凉た椢镞^濾層，用于排水、防護、有部分蓄水功能的土工合成材料產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于屋頂綠化、地下建筑、垃圾填埋場等工程領(lǐng)域。產(chǎn)品表面具有單面或雙面的凹凸中空結(jié)構(gòu)，形成架空層，可以快速將雨水或其他積水導(dǎo)出，減少甚至消除防水層的靜水壓，以避免土壤流失、土層滑移、植根穿刺，從而延長工程的使用壽命。同時，塑料防護排水板可以有效抵御土壤中的酸堿侵蝕，保護建筑物及其防水層。在地下工程回填土?xí)r，可以保護建筑物外維護結(jié)構(gòu)及其防水層，也可用于地面或墻面，發(fā)揮降噪、絕熱、防潮作用。

目前針對塑料防護排水板的主要測試參數(shù)有:厚度、凹凸高度、寬度及長度、單位面積質(zhì)量、外觀狀態(tài)、拉伸性能、撕裂性能、壓縮性能、低溫柔度、熱老化性能、單寬流量等。單寬流量即單位寬度水流量，為反映塑料防護排水板產(chǎn)品的縱向通水能力的測試參數(shù)。

1 試驗基本原理

單寬流量試驗是考核防護排水板縱向通水能力的關(guān)鍵性試驗，其原理是在規(guī)定的試樣接觸面材料及水力梯度條件下，在試樣平面施加規(guī)定的壓力，測量沿防護排水板平面一定時間內(nèi)滲流的水量。影響防護排水板單寬流量測試結(jié)果的因素除了材料自身的產(chǎn)品性能外，還與以下三個試驗條件有密切關(guān)系:

1.1 接觸面材料

塑料防護排水板應(yīng)用于工程中，首先應(yīng)考慮依照其實際工程部位選擇接觸面材料，以有效模擬工程狀況。

1.2 壓力的施加

不同的壓力條件下，塑料防護排水板架空層的有效排水通道會發(fā)生變化，排水效能隨壓力的增大而降低。同時考慮到塑料防護排水板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，壓力的施加方式將直接影響到試驗結(jié)果。

1.3 水力梯度

所謂水力梯度是指含水層中沿水流方向每單位距離的水頭下降值。在塑料防護排水板單寬流量試驗中即為沿試樣水流方向兩個測量點之間的水頭差與其距離之比。單寬流量試驗應(yīng)在確定的水力梯度條件下進行，其試驗原理見圖1。

圖1 單寬流量試驗原理

2 試驗方法的確定

2.1 相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)

作為塑料防護排水板產(chǎn)品質(zhì)量檢測依據(jù)，可考慮在界定以上三個試驗條件的基礎(chǔ)上，確定一種適用范圍廣、試驗復(fù)現(xiàn)性高、易于比對的測試方法作為其單寬流量試驗標(biāo)準(zhǔn)測試方法。目前可供塑料防護排水板單寬流量試驗參考的測試標(biāo)準(zhǔn)主要有:

ISO 12958 Geotextiles and geotextile-related products—Determination of water flow capacity in their plane;

ASTM D4716 Standard Test Method for Determining the(In-plane)Flow Rate per Unit Width and Hydraulic Transmissivity of a Geosynthetic Using a Constant Head;

GB/T 17633—1998土工布及其有關(guān)產(chǎn)品平面內(nèi)水流量的測定;

SL 235—2012土工合成材料測試規(guī)程;

JT/T 521—2004公路工程土工合成材料 塑料排水板;

JTG E50—2006公路工程土工合成材料試驗規(guī)程;

JTS 206—1—2009水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程。

以上標(biāo)準(zhǔn)對于土工合成材料縱向通水性能測試的原理都是相同的，區(qū)別主要表現(xiàn)在接觸面材料及壓力的施加方式上。其中，ISO 12958中提出了三種比較典型的試驗?zāi)Ｊ??采用閉孔泡沫橡膠作為試驗樣品接觸面材料，以剛性板傳導(dǎo)壓力至閉孔泡沫橡膠層上，模擬工程土體對樣品的力學(xué)作用;?采用對樣品包裹薄膜，薄膜作為試驗樣品接觸面材料，以壓力室通過薄膜對試樣施加壓力;?閉孔泡沫橡膠與薄膜配合使用的形式。ASTM D4716較ISO 12958更為細(xì)化地規(guī)定了接觸材料、水力梯度以及測試壓力的選擇。GB/T 17633—1998基本等同于ISO 12958，但在試驗?zāi)Ｊ街兄槐Ａ袅碎]孔泡沫橡膠作為接觸面材料這一種情況，對薄膜加壓沒有做出說明。SL 235—2012中對土工合成材料縱向通水性能的測試可以視為是參考了ISO 12958與ASTM D4716的簡化試驗版本，規(guī)定了橡膠墊層與薄膜加壓兩種方式。同時 SL235—2012、JT/T 521—2004﹑ JTG E50—2006﹑ JTS 206—1—2009中都針對軟土地基加固用塑料排水帶的通水量測試做出了規(guī)定，均采用薄膜加壓的方式。

2.2 薄膜加壓方式

薄膜加壓方式即對樣品包裹薄膜(一般為乳膠膜)，薄膜作為試驗樣品接觸面材料，以壓力室通過薄膜對試樣施加壓力，在一定的壓力條件及水力梯度下進行通水量測量。其典型設(shè)備如下頁圖2所示的YG070型塑料排水板縱向通水量測試儀，該方法主要優(yōu)點是加壓穩(wěn)定﹑密封性好﹑操作簡單，但用于塑料防護排水板測試其不適應(yīng)性也很突出:

a.由于設(shè)備測試對象主要針對樣品尺寸較為統(tǒng)一的塑料排水帶，其設(shè)備內(nèi)腔高度﹑寬度均受到制約，不能滿足大部分規(guī)格的塑料防護排水板的測試要求。

b.塑料防護排水板的凹凸中空結(jié)構(gòu)存在較大空間，壓力作用下的乳膠薄膜變形較大，會在凹凸點間的側(cè)面空間發(fā)生內(nèi)嵌，非正常地減少有效通水面積，從而影響測試結(jié)果，且對于不同樣品，其影響規(guī)律不易測算。

c.樣品測試寬度過小，代表性較差。

d.對于覆加無紡織物的塑料防護排水板，無紡織物在試驗中極易在壓力作用下出現(xiàn)滑移內(nèi)嵌，堵塞排水通道，從而影響試驗的準(zhǔn)確性與可比對性。

e.試驗過程中，乳膠薄膜易發(fā)生破損，降低了試驗可操作性。

圖2 YG070型塑料排水板縱向通水量測試儀

2.3 閉孔泡沫橡膠加壓方式

閉孔泡沫橡膠加壓方式即以閉孔泡沫橡膠作為試樣接觸面材料，閉孔泡沫橡膠的壓縮模量應(yīng)符合圖3的要求，以剛性板傳導(dǎo)壓力至閉孔泡沫橡膠墊層上，塑料防護排水板的凸點嵌入閉孔泡沫橡膠墊層中，從而減少凹凸中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的排水空間，以模擬工程土體對樣品的影響作用。如作為產(chǎn)品質(zhì)量檢測用途的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，應(yīng)確定在相同的壓力條件及水力梯度下進行試驗，保證試驗結(jié)果的可比性。鑒于塑料防護排水板在工程應(yīng)用中，一般要求其抗壓強度不低于150kPa，則可確定單寬流量的測試壓力也為150kPa。水力梯度的選擇應(yīng)考慮試驗設(shè)備的供排水能力，塑料防護排水板在未充分壓縮變形前的水頭沿程損失一般較小，因此試驗中較大的水力梯度難以實現(xiàn)。如對于長30cm、寬20cm的試樣，上下游保持3cm的水頭差是容易實現(xiàn)的，可確定單寬流量試驗的水力梯度為0.1。

以SS-1型縱向通水量測試儀(圖4)為例，其設(shè)備內(nèi)腔高度可隨塑料防護排水板的高度調(diào)節(jié)，能夠滿足各種規(guī)格樣品的測試需要。試樣寬度為20cm，代表性較好。

圖3 閉孔泡沫橡膠的壓縮—變形區(qū)域

圖4 SS-1型縱向通水量測試儀

綜合以上因素，以薄膜加壓的方式進行塑料防護排水板單寬流量試驗是不合理的，也難以獲得準(zhǔn)確有效的測試數(shù)據(jù)，應(yīng)采用閉孔泡沫橡膠加壓的方式進行塑料防護排水板單寬流量試驗。

3 驗證試驗

3.1 試驗步驟

a.根據(jù)試驗樣品的凹凸高度確定閉孔泡沫橡膠的厚度。試樣凹凸高度不足10mm時，試樣兩面橡膠的名義厚度為10mm;試樣凹凸高度在10～25mm時，試樣兩面橡膠的名義厚度為試樣厚度的1～1.25倍;試樣凹凸高度超過25mm時，試樣兩面橡膠的名義厚度為25mm。

b.在儀器的基板和加載剛性板之間依次放置閉孔泡沫橡膠、試樣和閉孔泡沫橡膠。

c.向儀器的進水槽注水，向試樣施加2kPa的法向壓力，使水流過試樣以排除空氣，采取必要的預(yù)防措施避免沿試樣的邊界漏水。

d.把法向壓力調(diào)整到150kPa，保持此壓力360s。e.向進水槽注水，使水力梯度達(dá)到0.1。

f.記錄滲流15min后的滲水量，試驗結(jié)果表示為L/s/m，取兩次測定的平均值作為試驗結(jié)果。

3.2 驗證試驗結(jié)果

選取7種不同規(guī)格的塑料防護排水板產(chǎn)品進行單寬流量驗證試驗，其中4組為單面凹凸樣品，3組為雙面凹凸樣品，凹凸高度在10～40mm。同時進行了壓縮性能的測試，測試結(jié)果下表，“凹凸高度—單寬流量—壓縮性能”的關(guān)系曲線見圖5、圖6。

單寬流量驗證試驗結(jié)果表

圖5 凹凸高度—單寬流量—壓縮性能關(guān)系曲線(單面凹凸樣品)

圖6 凹凸高度—單寬流量—壓縮性能關(guān)系曲線(雙面凹凸樣品)

可見，凹凸高度較大的樣品單寬流量測試數(shù)值更大，其縱向通水能力更強，但同時其壓縮性能由于產(chǎn)品凹凸結(jié)構(gòu)因素呈下降趨勢。

4 結(jié)語

縱向通水能力是考察塑料防護排水板產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，本文通過對塑料防護排水板單寬流量試驗方法的技術(shù)研究，得出以下結(jié)論:

a.由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式的差別，針對軟土地基加固用塑料排水帶的縱向通水量測試方法(即薄膜加壓方式)，不適用于塑料防護排水板的相關(guān)試驗。

b.塑料防護排水板的縱向通水能力測試可依照ISO 12958、GB/T17633-1998中的相關(guān)規(guī)定，以閉孔泡沫橡膠加壓方式，在150kPa法向壓力、0.1水力梯度條件下進行。

c.在壓縮性能滿足要求的情況下，塑料防護排水板的縱向通水能力與其凹凸高度呈正比關(guān)系，但同時隨著凹凸高度的增大，其壓縮性能呈下降趨勢。在工程應(yīng)用中，應(yīng)予以充分考慮。■

1 GB/T 17633—1998土工布及其有關(guān)產(chǎn)品平面內(nèi)水流量的測定［S］.

2 SL 235—2012土工合成材料測試規(guī)程［S］.

3 JT/T 521—2004公路工程土工合成材料 塑料排水板［S］.

4 JTG E50—2006公路工程土工合成材料試驗規(guī)程［S］.

5 JTS 206—1—2009水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］.

6 ISO 12958 Geotextiles and geotextile-related products——Determination of water flow capacity in their plane［S］.

7 ASTM D4716 Standard Test Method for Determining the(Inplane)Flow Rate per Unit Width and Hydraulic Transmissivity of a Geosynthetic Using a Constant Head［S］.