溫濕度對土工膜試驗結果穩定性影響

張曉強，鄭愛榮

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222）

0 引言

土工膜常用的原材料主要有高密度聚乙烯（HDPV）、線性低密度聚乙烯（LLDPE）、聚丙稀（PP）、聚氯乙烯（PVC）、高柔韌聚乙烯（VFPE）和三元乙丙（EPDM）等[1]。這些高分子材料熔點較低，具有較強的溫度敏感性[2-3]，表現為土工膜的線膨脹系數大，外部環境溫度下降時土工膜會產生收縮，同時造成土工膜彈性模量和拉伸強度的增大[4-5]，如果土工膜不能自由變形將導致其產生溫度應力[6-9]，從而影響土工膜的使用性能。

考慮溫度對土工膜性能的影響，多數土工膜測試標準都有狀態調節和試驗時溫度的要求。狀態調節的目的是讓土工膜在試驗前適應試驗環境溫濕度，充分釋放溫度應力，并達到濕度平衡；試驗時進行溫濕度控制，可以避免溫濕度波動導致土工膜產生新的溫度應力。土工膜測試規程對溫度的要求一般為（20±2）℃或（23±2）℃，對相對濕度進行規定的標準較少，常用（50±10）%[10]或（60±10）%[11]，狀態調節時間為88 h、24 h、4 h或1 h[12]。在《水運工程土工合成材料試驗規程》制定中，為確定合理的溫濕度控制規定，對18℃～25℃、30%～70%范圍內的溫濕度變化對土工膜物理力學測試結果的穩定性影響進行了試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

選用摻加了5%雙抗炭黑母粒的線性低密度聚乙烯土工膜，進行了單位面積質量試驗、厚度試驗、拉伸試驗、直角撕裂試驗和刺破試驗。采用沖刀裁切制樣，單位面積質量試驗、厚度試驗和拉伸試驗均為每組10個試樣，直角撕裂試驗和刺破試驗均為每組7個試樣。厚度試驗試樣重復使用，并固定厚度測定位置，以避免由樣品的不均勻性引起的測量誤差。直角撕裂試驗依據為QB/T 1130—1991《塑料直角撕裂性能試驗方法》，其余項目試驗依據為SL 235—2012《土工合成材料測試規程》。

溫度選用18℃、21℃和25℃，相對濕度選用30%、50%和70%，正交形成9種不同溫濕度條件，分別進行物理力學試驗。試驗前先進行狀態調節，時間為24 h，使土工膜在設定的溫濕度下充分變形至穩定狀態，然后制樣，試驗時控制試驗環境的溫濕度與狀態調節時一致。

1.2 數據分析方法

外部因素對試驗的影響實際上是對測試結果數列的影響，表現為對數列分布集中趨勢、離散程度、分布形狀以及相關關系的影響。由于土工合成材料試驗結果大多呈正態分布，且不考慮參數間的相關關系，故溫濕度條件對試驗結果的影響表現為數值大小的變化和離散特征的變化。采用統計分析方法，選用算數平均值、標準差、變異系數分別反映數據的平均水平與集中趨勢、離散程度與離中趨勢以及變異程度。由于變異系數可以消除量綱和測量尺度的影響，既可以進行相同參數測試結果的比較，也可以進行不同參數測試結果的離散性比較。極值的相對偏差為最大值、最小值的絕對偏差與算術平均值的比值，可以反映測試數據的分布寬度和離散程度。

2 結果與分析

2.1 單位面積質量

土工膜單位面積質量試驗結果見表1，不同溫濕度單位面積質量測試值的變異系數均較小，在3.4%～4.1%之間，極值相對偏差也較小，數據具有較好的集中趨勢和較小的數據分布寬度。溫濕度變化對測試值的標準差、變異系數和極值的相對偏差影響不明顯。對不同溫濕度下的單位面積質量平均值進行離散性分析，發現其標準差、變異系數和極值相對偏差都很小，標準差僅為0.4 g/m2，變異系數僅為0.3%，極值相對偏差僅為-0.4%和0.3%，有很好的集中趨勢。可以認為土工膜的單位面積質量測試具有良好的穩定性，18℃～25℃、30%～70%范圍的溫濕度變化對其測試值離散性分布特征和測試結果的數值大小影響不明顯。

表1 單位面積質量ρA統計分析結果Table 1 Statistical analysis results of mass per unit areaρA

2.2 厚度

土工膜厚度試驗結果見表2。由表2可見，9種不同溫濕度下厚度測試值的變異系數為2.9%～7.0%，數據離散程度和變異程度均較小，分布寬度也不大。但與單位面積質量相比，測量值數據穩定性較差，這是由于土工膜厚度測量點面積較小，代表性差，容易受材料的不均勻性影響。變異系數隨溫濕度變化無明顯變化趨勢，21℃時測試數據具有相對較好的集中趨勢，25℃時濕度對測試值離散性的影響較大。

表2 厚度δ統計分析結果Table 2 Statistical analysis results of thicknessδ

對不同溫濕度下的厚度平均值進行離散性分析，發現其變異系數為6.8%，極值相對偏差為-7.5%和9.5%，相對較小，但仍具有一定的離散性和分布寬度。土工膜厚度值與溫濕度關系為，厚度隨溫度升高而減小，隨濕度變化趨勢不明顯。這是因為土工膜會隨溫度升高產生延展變形以釋放溫度應力，從而厚度降低，對于厚度較小的土工膜不應忽視狀態調節和試驗時溫濕度條件變化對厚度測定結果穩定性的影響。

2.3 拉伸

2.3.1 最大拉力

土工膜拉伸斷裂時達到最大拉力，試驗結果見表3，不同溫濕度測試值的標準差、變異系數和極值相對偏差均較大，具有明顯的離散性、變異性和較大的數據分布寬度，數據穩定性差，但數據穩定性隨溫濕度的變化趨勢不明顯。不同溫濕度最大拉力平均值的離散性有明顯減弱，標準差降低為1.92 N，變異系數減小為6.7%，但仍具有一定的離散程度和分布寬度，極值相對偏差為-7.7%和10.1%，且18℃～25℃、30%～70%范圍內最大拉力隨溫濕度變化趨勢不明顯。土工膜拉伸時間長，最大拉力小，試樣寬度小，試樣僅為6 mm，試驗結果容易受制樣水平的影響，且土工膜厚度小，厚度不均勻性對結果的影響較大，在18℃～25℃、30%～70%范圍變化溫濕度，影響最大拉力數據離散性、平均水平和集中趨勢的關鍵因素仍為制樣水平和材料的均勻性，溫濕度對其影響不明顯。

表3 最大拉力T統計分析結果Table 3 Statistical analysis results of maximum tension T

2.3.2 斷裂伸長率

由表4可見，土工膜斷裂伸長率很大，測試值的變異系數范圍為4.7%～11.7%，在溫濕度（18℃，50%）和（21℃，70%）時相對較大，有一定的離散性和變異性，但與最大拉力相比具有較好的數據穩定性。斷裂伸長率數據離散特性隨溫濕度變化趨勢不明顯，影響其離散特性的關鍵因素仍為制樣水平和材料均勻性。

表4 斷裂伸長率εP統計分析結果Table 4 Statistical analysis results of elongation at breakεP

18℃～25℃、30%～70%范圍內溫濕度變化，土工膜斷裂伸長率平均值的標準偏差為36.3%，變異系數為4.6%，極值相對偏差為-5.9%和8.2%，相比測試值離散性和分布寬度明顯降低，具有較好的集中趨勢和較弱的變異性。隨溫度升高土工膜斷裂伸長率增大，溫度升高可以使土工膜具有更好的變形能力。

2.4 直角撕裂

土工膜直角撕裂試驗結果如表5。

表5 直角撕裂強力P統計分析結果Table 5 Statistical analysis of right angle tearing force P

土工膜直角撕裂強力小，試驗受制樣水平影響較大，直角位置的光滑程度、角度和厚度對試驗結果有明顯影響，導致試驗具有一定的不穩定性。由表5可見，溫濕度為（25℃，30%）和（25℃，70%）時直角撕裂強力測試值的離散性和數據分布寬度較大，其他溫濕度測試值的離散性特征和數據分布寬度較為接近，直角撕裂強力測試值的變異系數隨溫度升高有增大趨勢。

對不同溫濕度下的直角撕裂強力平均值進行離散性計算，其標準差為1.3 N，變異系數為6.4%，極值相對偏差為-7.9%和12.3%，具有一定的變異性和分布寬度。直角撕裂強力在相同相對濕度下溫度21℃時、相同溫度下相對濕度30%時的直角撕裂強力最大。

直角撕裂強度為單位厚度的直角撕裂強力，考慮了厚度隨溫濕度的變化，不同溫濕度直角撕裂強度測試值的變異系數為3.0%～11.9%，直角撕裂強度平均值變異系數為5.6%，極值相對偏差為-8.5%和6.7%，變異性和數據分布寬度較直角撕裂強力縮小，但是數值離散性和集中趨勢隨溫濕度的變化趨勢更加復雜。

2.5 刺破

刺破試驗結果見表6。

表6 刺破強力F統計分析結果Table 6 Statistical analysis of piercing strength F

由表6可見，不同溫濕度下測試值的離散程度和變異程度較小，數據分布寬度不大，且變異系數、極值相對偏差隨溫濕度變化不明顯，即溫濕度對其數據離散性影響不明顯。

對不同溫濕度下的土工膜刺破強力平均值進行離散性計算，其標準差為5.0 N，變異系數為6.1%，（25℃，50%）時刺破強力最小，最小值相對偏差為-14.0%，具有一定的離散性和分布寬度。土工膜刺破強力隨溫度升高而降低，18℃、21℃時不同相對濕度下土工膜的刺破強力非常接近，25℃時相對濕度對土工膜刺破強力的影響增大。

3 結論與建議

1）土工膜單位面積質量測試具有良好的穩定性，18℃～25℃、30%～70%范圍的溫濕度變化對其數據離散性分布和測試結果的數值大小影響不明顯。

2）土工膜的厚度測試具有較好的穩定性，但易受材料不均勻性影響，厚度隨溫度升高而降低。

3）土工膜拉伸最大拉力具有明顯的不穩定性，受制樣水平和材料均勻性影響較大，受溫濕度變化影響不明顯。斷裂伸長率數據穩定性明顯好于最大拉力，隨溫度升高斷裂伸長率增大。

4）土工膜直角撕裂試驗的穩定性容易受制樣水平影響，變異系數隨溫度升高有增大趨勢，相同相對濕度下溫度21℃時、相同溫度下相對濕度30%時的直角撕裂強力最大。

5）刺破試驗具有較好的穩定性，溫濕度對其數據離散性影響不明顯，土工膜刺破強力平均值隨溫度升高而降低。

6）建議土工膜試驗應提高制樣水平，嚴格控制狀態調節和試驗過程的溫度。