孔雀河水利工程中使用的兩種土工布耐久性試驗

楊川江

（新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 和靜 841305）

0 引言

土工布是片狀、條狀或紡織纖維形式的合成產品，無論是機織的還是非織造的，其中至少一種成分是聚合物（合成的或天然的）[1]。土工布具有抗拉強度高、水力學特性優良、延伸性好等優點，在水利工程中常被用來排水、過濾、防護、加固和防滲[2]。考慮到這類材料具有一定的長期性能，可能存在多種降解機制（紫外光降解、輻射降解、化學降解、水解降解、氧化降解和生物降解）影響它們的使用壽命，這些降解機制既可能獨立作用也可能協同作用[3]。因此，在溫度條件和機械應力下，由于與環境因素的相互作用，土工織物可能會發生降解。學者對聚乙烯在各種化學物質的水解降解作用下的行為進行了大量研究[4～5]。有兩種類型的水解降解會影響土工合成材料的耐久性，即通過破壞聚合物鏈的內部或外部降解[6]，要么貫穿聚乙烯的橫截面（內部水解），要么在表面（外部水解）。另一種常見的降解機理是氧化，通過這一過程，材料的元素在暴露于氧氣時失去電子，其化合價相應增加，造成了分子量損失，這將對土工織物材料產生重大影響，使其產生變脆、表面開裂、變色等劣化現象，這進一步導致了機械強度的損失。聚丙烯和聚乙烯土工織物的氧化穩定性可以通過烘箱老化試驗來確定[6]。考慮水解降解和氧化降解這兩種主要影響土工布性能的機制，本文對用于開都-孔雀河水利工程中河岸防護的土工布進行耐久性試驗，進而評估這兩種機制導致土工布的老化程度。

1 材料和試驗

用于實驗室測定的兩種土工布來自于開都-孔雀河水利工程河岸防護使用的材料。土工布A（見圖1 a）常用于河岸以防止侵蝕，由無紡多層彩色聚丙烯纖維、白色聚酯纖維和砂石墊層制成。土工布B（見圖1b），是一種由短纖維制成的非織造土工織物（聚丙烯和聚乙烯），可用于不同的工程，其應用包括分離、過濾、保護和排水。

圖1 兩種土工布材料圖

為了確定土工織物在可能影響機械性能環境中的性能，將兩種材料的樣品置于不同的溫度和酸堿度條件下，對它們按表1的測試條件（時間、溫度、酸堿度、試劑）進行耐久性試驗。

表1 兩種降解機制的實驗室條件

采用試驗機MP 0.5 t（型號97），在室溫下以約1.3 mm/min的恒定速度進行拉伸試驗。抗拉強度使用以下關系式來確定：

式中：αf為抗拉強度，N/m；Ff為最大斷裂載荷，N；Wf為測試樣品的規定寬度，m。

此外，使用以下公式來確定延伸率：

式中：li為樣品的初始長度，mm；lf為拉伸試驗后試樣的最終長度，mm。

為了確保重現性，所有試驗都進行3次，3個試驗值的平均值（這些值之間的差值不超過平均值的10%）作為試驗結果。拉伸試驗后，分析試樣的破壞模式，還要考慮破壞類型、面積和位置等特征。

2 水解降解

為了評估酸性環境對土工布性能的影響，將樣品保存在酸性環境中（鹽酸的水溶液與土壤混合，保持土壤持續濕潤），而對于堿性環境，將樣品保存在堿性土壤中，其中含有粉末狀氫氧化鈣。圖2 顯示了經受30 d 水解降解的土工織物材料的抗拉強度。酸性環境降解導致土工布A 的機械強度從26.00 kN/m（參考值）下降到23.42 kN/m，下降9.9%，堿性環境僅導致抗拉強度值下降5.0%。然而，土工布B的抗拉強度下降較為明顯，酸性環境下的降解使樣品的抗拉強度從22.10 kN/m（參考值）下降到14.25 kN/m，降低了35.5%；在堿性環境中，樣品的抗拉強度從22.10 kN/m（參考值）下降到15.75 kN/m，降低了約28.7%。可以看出，酸性環境比堿性環境更具破壞性。水解過程中羥基離子（OH-）向聚合物結構的對流和擴散傳輸現象使得抗拉強度的降低，此外，水分在這一化學過程中可能起到了類似于催化劑的作用。

圖2 水解降解后兩種土工合成材料的抗拉強度

延伸率也是重要的一個評估參數，試驗結果表明在樣品經受酸性環境試驗的情況下具有較高的延伸率（見圖3），土工布A的平均值增加了約56%，這可能提升了材料應用場景的靈活性。土工布B的延伸率約為24%。這可能是短纖針刺非織造土工布B 對于酸堿性的敏感程度并不如復合土工布A，但是酸性和堿性環境的確會提高聚合物纖維的柔韌性。

圖3 土工布水解后的延伸率

關于機械測試的另一個分析參數是破壞模式，對于處于酸性環境的樣品顯示出在頂部/底部呈現破壞的趨勢，說明樣品兩端受到了更大的應力。在堿性環境損壞的土工織物樣品在測試區域的中間顯示破壞的趨勢。這說明pH值不僅會改變土工布內部應力分布，而且不同類型的土工布對于pH 值的反應情況也會不同。

3 氧化降解

對兩種材料進行氧化試驗，通過測定材料的抗拉強度來評估所分析的土工織物的抗氧化性，兩種材料氧化試驗抗拉強度見圖4。由圖4 可知，土工布A 的抗拉強度降低了約10%，而土工布B 的抗拉強度卻降低了47%。這說明土工布B的抗氧化能力不如土工布A。這可能是由于氧對聚合物纖維的作用導致聚合物鏈斷裂，從而降低機械阻力。因此所分析的土工合成材料的不同性能可能會受到聚合物的性質、結晶度、纖維厚度等影響。

圖4 氧化降解后土工織物的抗拉強度

受氧化降解后樣品的延伸率見圖5。結果表明土工布A 的延伸率優于參考值。這種現象是由于這種土工合成材料是由聚乙烯和聚酯纖維制成的復合材料，因為聚酯纖維在其結構中含有羧基（-COO-），氧化介質對纖維的作用可能不同。對于完全由聚烯烴纖維（聚丙烯和聚乙烯）制成的土工布B，測定的延伸率低于參考值。因此在土工布中加入適量的聚酯纖維作為復合材料，可以提高延伸率，特別是在氧化條件下。而且單純由聚烯烴纖維制成的土工布受到氧化影響會使得材料延伸率有明顯的下降。

圖5 氧化降解后土工織物的延伸率

受氧化降解的兩種土工織物的破壞模式表明：土工布B 和土工布A 均傾向于在頂部/底部發生破壞，這是因為氧化使得兩端受到了更大拉應力，兩種材料氧化后的破壞模式是相似的。

4 結語

對所分析的兩種土工布的性能測試表明，酸性環境對土工織物的損害大于堿性環境。同時pH值不僅會改變土工布內部應力分布，而且不同類型的土工布對于pH值的反應情況也會不同。相比于土工布A，土工布B 在氧化和水解的影響下表現出較高的降解傾向。考慮到大多數反應發生在聚合材料的表面，同時由于材料的厚度減小使得它對外部環境的抵抗能力降低，因此這種現象是可以理解的。水解降解后的延伸率一般會高于氧化降解后的延伸率，這是由于該過程中的化學反應影響了合成纖維的柔韌性。而且，在土工布中加入適量的聚酯纖維作為復合材料，可能提高延伸率，特別是在以氧化降解為主要降解作用的情況下。而單純由聚烯烴纖維制成的土工布受到氧化影響可能會使得材料延伸率有明顯的下降。