PE土工膜双向拉伸试验研究

张思云，鲁伟涛，靳向煜

(东华大学非织造研究发展中心，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极低渗透性的膜状材料，其渗透系数为1×10－12～1×10－13cm/s，实际上不透水［1］，是理想的防渗材料。与传统的防水材料相比，土工膜具有渗透系数低、低温柔性好、形变适应性强、质量轻、强度高、整体连接性好和施工方便等特点［2］。目前使用最广泛的是聚乙烯(PE)土工膜、聚丙烯(PP)土工膜和聚氯乙烯(PVC)土工膜等。

土工膜在工程建设中的应用始于20世纪30年代，美国在灌溉渠道中用土工膜进行防渗［3］，20世纪70年代初欧美国家开始在隧道建设中应用土工膜。我国于1996年首次在混凝土坝防渗中使用土工膜。在进入20世纪80年代后，土工膜应用技术得到了飞速的发展，现在已用于水利、交通、建筑和环保等各个领域［4］。

土工膜的应用越来越广泛，这就要求其性能测试必须规范化和标准化。断裂强度及断裂伸长率是土工膜的重要性能指标，对工程设计有着重要的意义，直接关系到工程的安全和耐用等。在实际应用中，土工膜的受力情况非常复杂，它不是单纯的1个方向受力，而是不规则的各个方向同时受力。由于国际上没有关于土工膜双向拉伸的标准或规范，在工程设计中通常以单向拉伸试验数据作为其性能的参考，给工程建设带来较大的隐患。张营营等［5］初步探讨了膜材双轴受力效应，得出双向受力情况下膜材的断裂强度会显著下降，但其试验材料为PTFE膜，并缺少对断裂伸长的探讨。李龙娇［6］、张一平等［7］分别对机织物与针织物的双向拉伸试验进行了研究，提出了加衬垫的思想，对本文双向拉伸试样的制作给予了启发。

本文对聚乙烯(PE)土工膜进行一系列单向和双向的拉伸试验，并将2组试验结果进行比较，探究土工膜在双向受力情况下强度和延伸性的变化规律。

1 试验

1.1 试样准备

本试验采用面密度为280 g/m2，厚度为0.3 mm的PE土工膜进行拉伸试验。

单向拉伸试验参照标准GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的测定》中“薄膜和薄片的试验条件”，将试样剪成哑铃状，试样两端较粗，中间较细，应力集中在较细的中间段，保证单向拉伸时，断裂发生在中间部分。PE土工膜单向拉伸试验形状如图1所示。

图1 PE土工膜单向拉伸试验形状(单位:mm)Fig.1 Shape of PE geomembrane under uniaxial tensioning(mm)

在双向拉伸实验中，参照单向拉伸的哑铃型试样，为避免断裂发生在钳口区域，将正方形的试样剪成如图2所示的形状(长宽均为18 cm，中心区域是边长为4 cm的正方形)。正方形试样从外端向内流线型收拢，同样形成了夹持区域面积较大，而中间受力区域面积较小的形式，保证拉伸过程中应力集中在中间部位。

图2 双向拉伸试样形状Fig.2 Shape of PE geomembrane under biaxial tensioning

本试验采用的双向拉伸试样是在十字形试件［8］的基础上进行一定的改善。在薄膜的4边用热熔胶贴上厚为0.5 mm的铝片，避免试样在拉伸过程中打滑，同时由于铝片良好的抗拉伸性能，使得双向拉伸过程中试样的4边变形消失或者变形量很小，保证变形断裂发生在中心4 cm×4 cm的有效区域内(具体试样如图2所示)。

1.2 试验仪器与方法

单向拉伸使用南通宏大的HD026N+多功能电子织物强力仪，参照标准GB/T 1040.1—2006《塑料拉伸性能的测定》分别对纵向和横向2个方向进行拉伸，拉伸速度为100 mm/min。

双向拉伸的仪器为国产X－Y型织物双向电子强力仪(X表示横向，Y表示纵向)。由于国内尚无关于薄膜双向拉伸的标准，本实验采用以下3种不同的方案进行试验:

方案1。X方向和Y方向都以100 mm/min的速度进行拉伸。

方案2。X方向夹持不动，Y方向以100 mm/min的速度进行拉伸。

方案3。Y方向夹持不动，X方向以100 mm/min的速度进行拉伸。

2 试验结果与分析

2.1 断裂－伸长曲线

以纵向拉伸曲线为例，PE土工膜单向拉伸曲线示意图如图3所示。横向拉伸曲线趋势与纵向拉伸曲线一致。

图3 PE土工膜单向拉伸曲线示意图Fig.3 Relationship between breaking strength and breaking stretching length of PE geomembrane under uniaxial tensioning

从图3可以看出，整个曲线分为3个阶段。第1阶段时间较短，应力随应变线性增加，模量较大，试样被均匀地拉长，伸长率可以达到百分之几到百分之十几，到了第1个峰以后，试样截面开始变得不均匀，出现1个或几个细颈，进入第2阶段。在该阶段，细颈与非细颈部分的横截面面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直到整个试样完全变细为止。在第2阶段的应变过程中应力几乎不变，表现为拉伸曲线为水平线段。最后，进入第3阶段，即成颈的试样又被均匀拉伸，此时应力又随应变的增加而增大直到断裂为止［9］。

双向拉伸方案2和方案3的拉伸曲线与单向拉伸曲线一致，双向拉伸方案1的拉伸曲线与其他几组有较大差别。PE土工膜双向拉伸曲线示意图如图4所示。

图4 PE土工膜双向拉伸曲线示意图Fig.4 Relationship between breaking strength and breaking stretching length of PE geomembrane under biaxial tensioning

图4表示试样双向均受到速度为100 mm/min的拉力定速拉伸。图中显示在双向拉伸试验中拉伸过程分为3个阶段。初始阶段应力随着应变的增加而线性增加，到达1个峰值后，应变增加而应力不再增加，拉伸曲线呈水平线段，前2个阶段同单向拉伸试验曲线基本一致，但在第3个阶段中，双向拉伸试验曲线出现应力随着应变逐渐下降的趋势，这是由于此时拉伸试样随着夹具之间的距离增大，薄膜中心区逐渐拉伸变薄，在夹持器的夹角部位出现了应力集中三角区(见图5)。

图5 双向拉伸试验中的应力集中三角区Fig.5 Stress zone of PE geomembrane under biaxial tensioning

在如图5所示的三角区中应力容易集中，薄膜局部变形积累形成损伤场，随着拉伸的进行损伤场向两边扩散。由于材料性质的不绝对均匀，各个质点的变形不完全同步，从而在试样中心会不断形成多个应力集中场，不断出现新的局部变形，出现多个新的损伤场［10］。直至某些损伤场产生塑性变形发生断裂。最初的局部断裂会使断裂区域生成新的受力三角区(即新的弱节)，继而沿着新产生的三角区发生断裂，直至试样断裂，曲线呈缓慢、波动下降趋势。

2.2 断裂强度与断裂伸长率

本实验中单向拉伸试验纵、横向各做了10个样，双向拉伸试验3个方案各做了5个样，双向拉伸试验中剔除试验过程打滑或断裂在钳口附近的试验数据。PE土工膜试验数据如表1所示。MD为纵向，CD为横向，断裂强度=断裂强力/横截面面积，下文均以断裂强度进行讨论。

表1 PE土工膜试验数据Table 1 Testing data of PE geomembrane

由表1可以看出，单向拉伸条件下，试样的纵向强度与横向强度差别不大，二者断裂伸长率基本一致，说明本试样具有各向同性。分别对比单向拉伸与双向拉伸纵、横向的断裂强度与断裂伸长率可以发现，相对于单向拉伸的试验数据，双向拉伸的断裂强度与断裂伸长率显著下降。具体情况如图6和图7所示，MD中白色柱形图为方案2的数据，CD中白色柱形图为方案3的数据。

从图6可以看出，双向拉伸试验条件下纵、横向断裂强度显著下降。将单向拉伸试验数据与双向拉伸方案1的试验数据对比发现，PE薄膜纵向强度降低21.53%，横向强度降低60.32%;将其与双向拉伸方案2和方案3的数据对比发现，其纵向强度降低5.84%，横向强度降低57.14%。强度显著下降是由于薄膜受到纵向破坏的同时横向并没有受到任何力的作用，这样薄膜在拉伸时纵向受拉伸长，横向随着纵向的拉伸而受压变窄。由于薄膜是单向受力，在拉伸过程中，PE大分子沿纵向取向程度越来越大，因而其断裂强度较高，横向拉伸过程同理。在双向拉伸过程中，由于另外一端同样受力，薄膜内部的大分子不能重新排列取向，因而断裂强度显著下降。

双向拉伸试验中纵向和横向断裂强度的下降程度差别较大。方案1中，横向断裂强度下降程度是纵向强度的3倍。方案2和方案3中，横向断裂强度下降程度是纵向的11倍，横向断裂强度的下降程度明显高于纵向的断裂强度，这同样是单向拉伸过程中大分子能够重新排列取向而双向拉伸无法排列取向的结果。双向拉伸试验中，由于双向同时受力，薄膜内部大分子不能够重新排列，因而薄膜仍然保持原有的内部结构。在单向拉伸试验中，由于纵、横向均有足够的时间进行排列取向，薄膜内部结构实际已发生变化。纵、横向断裂强度下降幅度的差异表明在原始薄膜内部纵、横向大分子的取向度有较大差异，纵向取向高于横向。

从图7可以看出，双向拉伸试验中断裂伸长率相比于单向拉伸试验下降显著。将单向拉伸试验数据与双向拉伸方案1的试验数据进行对比发现，PE薄膜纵向断裂伸长率下降63.07%，横向断裂伸长率下降64.17%;对比单向拉伸试验数据与双向拉伸方案2和方案3的数据可以得出，纵向断裂伸长率下降68.06%，横向断裂伸长率下降68.47%。下降幅度均超过60%，说明双向拉伸条件会严重削弱土工膜的延伸性。

3 结论与建议

1)单向拉伸试验中，PE土工膜的横向断裂强度及纵向断裂强度分别为25.2 MPa和27.4 MPa，横向断裂伸长率和纵向断裂伸长率分别为772%和772%。

2)双向同时拉伸时，PE薄膜横向的断裂强度为10 MPa，纵向的断裂强度为21.5 MPa。相比于单向拉伸试验，横向断裂强度下降60.32%，纵向断裂强度下降21.53%;横向断裂伸长率为276.59%，纵向断裂伸长率为285.1%，分别下降64.17%和63.07%。

3)双向拉伸试验中，一端夹持、一端拉伸条件下，横向断裂强度为10.8 MPa，纵向断裂强度为25.8 MPa。相比于单向拉伸试验，横向断裂强度下降57.14%，纵向断裂强度下降5.84%;横向断裂伸长率为243.39%，纵向断裂伸长率为246.54%，分别下降68.47%和68.06%。

土工膜的双轴强度的测试，对于研究膜的力学性能，确保膜结构设计的可靠性和膜结构工程施工与设计的一致性至关重要。通过本试验的研究，发现PE薄膜断裂强度及断裂伸长率在双向受力情况下比单向受力小，为保证结构安全，建议设计取值时进行考虑。

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