土工合成材料检测技术中常见问题及其影响

谢仁红，董志良，郭伟玲，周庆华

（中交四航工程研究院有限公司，中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230）

1 概述

土工合成材料是以人工合成的聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原料制成的，主要包括四类产品：土工布、土工膜、土工复合材料、特种土工合成材料。其主要功能有过滤作用、排水作用、隔离作用、加筋作用、防护作用和防渗作用。土工合成材料作为一种新型的岩土工程材料，在国际上已被称为继钢材、水泥、木材三大主要建材后的“第四大建筑材料”，在港口码头、水利、水电、铁路、公路、机场、软基处理、环保工程等建筑领域得到广泛应用。目前，国内大、中型及重点工程都普遍应用土工合成材料。

土工合成材料性能测试具体项目见表1。

表1 土工合成材料性能测试项目

2 学术机构与检测标准现状

国际上和很多国家都成立了土工合成材料试验方法和规范标准编制委员会，比较著名的机构有：国际标准化组织（ISO）、国际土工织物学会（IGS）、国际材料和结构研究及测试实验室联合会（RILEM）、国际土力学与基础工程学会（ISSMFE）、美国材料试验学会（ASTM）、英国标准局（BSI）、西德工业标准（DIN）、日本工业标准（JIS）和美国联邦公路管理局（FHWA）等。我国也成立了一些学术机构，如：国际土工合成材料学会中国委员会（CCIGS）、全国纺织品标准化技术委员会产业用纺织品分会、水利学会岩土专业委员会土工合成材料专门委员会、土工合成材料工程协会（CTAG）等机构，许多学术机构都制订了相应试验标准。

3 检测中常见问题及影响

随着土工合成材料在我国20多年来的发展与应用，其测试技术不断改进，积累了一些经验，也发现了一些不足，有些性能的测试方法较为成熟，如力学性能；而有些性能的测试手段相对较为薄弱，如水力学性能。在检测中常见问题及影响主要有以下几方面。

3.1 测试标准不同的影响

就我国现行土工合成材料测试规范而言，主要有国家标准化管理委员会发布的国家标准（GB）、水利部颁布的SL/T 235—1999《土工合成材料测试规程》和交通部颁布的JTG E50—2006《公路工程土工合成材料试验规程》。国家标准（GB）大多修改或等同国际（ISO）标准；行业标准则引用和参考国际标准（ISO）、国家标准（GB）和一些国家的标准，并结合我国国情和在土工试验方面比较成熟的经验以及对产品应用研究和实验室条件等基础上编制的。国家标准（GB）、SL/T 235—1999《土工合成材料测试规程》、JTG E50—2006《公路工程土工合成材料试验规程》三者之间既有相同之处，也有不同之处，并存在互补性。表2列举了三者的力学性能测试方法的一些不同点。

表2 我国土工合成材料现行测试标准的比较

对测试方法的选择一般根据工程性质和设计要求而定，但在工程设计无指定的情况下，试验检测单位较难选择。一般的性能指标测定，有的单位选择国家标准（GB），有的单位选择行业标准。对于特殊项目则会选择对应的国家标准（GB）或行业标准。对于产品出厂检验一般选用国家标准（GB）或产品标准。若选用不同测试方法，对试验结果会有不同程度的影响。

对编织土工布和短纤维无纺土工布的撕裂强度分别依据国家标准和交通部标准进行检测，结果见表3，可见检测依据的标准不同，检测的结果存在一定的差异。

表3 选用国家标准和交通部标准测试土工布撕裂强度的比较

3.2 仪器设备的影响

土工合成材料至今无公认或统一的技术规程和试验方法，试验所用仪器的结构型式或主要部件构造无法统一，使用不同的试验仪器对试验结果有不同程度的影响。比较突出的是水力学性能试验和摩擦特性试验两方面的仪器。水力学性能试验仪器主要包括：垂直渗透仪、水平渗透仪、耐静水压测定仪、防（抗）渗性能测定装置、有压渗透仪、淤堵试验装置、塑料排水板通水量试验仪和塑料盲沟透水量仪等；摩擦特性试验仪器包括：直剪摩擦、拉拔直剪特性试验装置。现行的标准规范对仪器的具体形式、尺寸未做出明确的规定，有的检测单位依据标准规范上的仪器示意图自行研制或用土工试验仪器进行改造，虽然可以购买水力学性能测试仪器，但仪器的具体形式不一样，对试样的尺寸要求也不同，仪器的性能也有差别，对试验结果会造成较大的影响。表4列出用中交四航工程研究院有限公司研制的土工布垂直渗透仪和河南纺织研究所制造的HFT-II型土工布（膜）渗透系数测定仪分别测定编织土工布和塑料排水板滤膜的垂直渗透系数，可以看出不同的渗透系数测定仪对渗透系数的测试结果有较大的影响。

表4 不同仪器土工布垂直渗透系数的测试结果

力学性能试验所用仪器主要为试验机，我国试验机行业发展比较成熟，检测单位所用的试验机基本都是电子万能试验机，精度可达1级甚至是0.5级，性能比较接近，相对水力学性能和摩擦特性试验而言，力学性能试验所用仪器对检测结果造成的影响较小。

3.3 试样状态的影响

土工合成材料在检测时，应对试样进行状态调节，状态调节对试验结果也有一定的影响。主要有三种状态调节：一是要求在规定的温度、湿度条件下调节24 h，如土工织物的调湿（见表2）；二是要求在一定的温度条件下调节一段时间，如塑料制品要求在温度20℃±2℃下调节至少24 h；三是要求试样在含一定溶剂的试液中浸泡一段时间或呈湿态。前一种状态调节对温、湿度和时间做出了明确的规定，后两种状态调节对调节的时间或试验时试样的具体状态未作出明确规定。如GB/T 15789—2005《土工布无负荷时垂直渗透特性的测定》要求：在实验室温度下，试样在含湿润剂0.1%V/V（体积分数）的烷基苯磺酸钠水中，轻轻搅动以驱走空气，至少浸泡12 h。对试样状态的具体界定和浸泡时间没有作明确的规定。同时，在进行塑料排水板滤膜湿态抗拉强度和渗透系数试验时，要求试样在水中浸泡24 h，实际试验中经常会出现浸泡24 h后，试样有的部分没有湿润，还呈现干态状态，这样会导致湿态抗拉强度偏大，甚至和干态抗拉强度基本接近，而渗透系数则偏小。表5列出了某塑料排水板滤膜在水中浸泡不同时间测定的渗透系数，可见随着浸泡时间的延长，排水板滤膜的湿态面积的增大，渗透系数也随着增大。

表5 排水板滤膜在水中浸泡不同时间后渗透系数测试结果

塑料土工格栅试验，则要求在温度20℃±2℃环境下放置至少24 h，在实际测试中，有时会放置24～72 h。表6是某150 kN/m单向塑料土工格栅经不同时间状态调节的测试结果。可见状态调节时间对塑料土工格栅的伸长率影响较大，调节时间长时伸长率会有所下降。

表6 不同时间状态调节下塑料土工格栅力学性能测试结果

3.4 试验用水的水质和状态问题

GB/T 15789—2005《土工布无负荷时垂直渗透特性的测定》要求：试验用水中溶解氧的含量低于10 mg/kg，如果水中固体悬浮物明显可见或者固体积聚于试样上或试样内而使流量随时间减少时，要对水进行过滤处理。在实际试验过程中，有条件的检测单位用脱气水、蒸馏水或反渗透去离子水，这几种水都能达到溶解氧的含量低于10 mg/kg的要求，而且水中基本不含固体悬浮物，试验效果比较好。现今水行业较发达，应对试验用水进一步统一，可以统一要求用反渗透去离子水，工艺也容易达到，试验结果会较理想，可比性强些。

同时GB/T 15789—2005《土工布无负荷时垂直渗透特性的测定》中注明：为控制材料质量，可只测定5 cm水头的流速指数，并在数据整理明确以测得的渗透系数或流速乘以20℃水温校正系数后的渗透系数或流速来表示结果。但是土工合成材料产品标准的性能指标中未指明渗透系数是在水头差5 cm测定并乘以20℃水温校正系数后的渗透系数K20，而塑料排水板的相关标准JTS 257—2008《水运工程质量检验标准》、JTS 206-1—2009《水运工程塑料排水板应用技术规程》则有明确标明滤膜渗透系数为水温20℃校正后的渗透系数K20，建议土工合成材料的产品标准和试验标准也应相应，注明垂直渗透系数是在水头差5 cm测定再乘以20℃水温校正系数后的渗透系数K20。

3.5 试样尺寸的问题和影响

土工合成材料性能检测均涉及到试样尺寸，试样尺寸的大小对试验结果有直接的影响。

3.5.1 单位面积质量测定

对一些孔径较大的材料如土工格栅、土工网格、土工网垫等，宜将试样尺寸加大，试样的尺寸应能代表材料的全部结构或有效单元。表7列举了几种土工布不同试样尺寸的单位面积质量测试结果，试样尺寸为10 cm×10 cm测试的最大值与最小值差值较大，同时其平均值与试样尺寸为100 cm×100 cm的测定值也有一定的差异。对于孔径较小的土工布，试样尺寸宜采用100 cm×100 cm，最大限度地消除尺寸误差对检测结果带来的影响。

表7 试样不同尺寸单位面积质量测试结果

3.5.2 条带拉伸试验

目前，条带拉伸试验按试样计量宽度分为宽条样法和窄条样法两种。国家标准、JTG E50—2006《公路工程土工合成材料试验规程》采用宽条样法，水利部SL/T 235—1999《土工合成材料测试规程》宽条样法和窄条样法均采用。

宽条样法适用于大多数土工合成材料，包括土工布及其复合产品、土工格栅等。一般的土工布及其复合产品，直接裁剪试样宽度200 mm为计量宽度。但对于机（编）织型土工布及其复合产品，试样裁剪宽度宜为210mm，在两边抽去大约相同数量的边丝使计量宽度达到200 mm。对于土工格栅或土工布与土工格栅复合产品，试样计量宽度至少为200 mm，同时对横向节距小于75 mm的产品至少应有5个完整的抗拉单元，对于节距大于或等于75 mm的产品应至少有2个完整的抗拉单元。如果用于接头/接缝强度的对比试验，试样计量宽度应最小为200 mm，且包含至少5个完整的抗拉单元。

窄条样法主要用于机（编）织型土工布及其复合产品。试样裁剪宽度为60 mm，在试样两边抽去大约相同数量的边丝，使试样计量宽度达到50 mm。应该注意的是，如果丝的宽度较大，抽去边丝后很难刚好达到50 mm或200 mm，应以抽去丝后试样实际宽度为计量宽度。

在土工布的条带拉伸试验中，比较难解决的问题是试样在拉伸过程中会产生打滑抽丝现象。一般的土工布及其复合产品强度在50 kN/m以下，经过相应的抗滑移处理使用窄条样法和宽条样法普遍不会发生打滑抽丝现象。机（编）织型土工布强度可高达100 kN/m以上甚至200 kN/m以上，市场上已经有高达220 kN/m的长丝机织土工布和200 kN/m的编织土工布。多数工程使用中低强度的土工布，近两年来一些重点工程、大型工程开始使用高强土工布，试验表明用窄条样法测定高强度机（编）织型土工布比用宽条样法测定的强度大，主要原因是高强度机（编）织型土工布用宽条样法即使经过抗滑移处理也难以避免不发生打滑抽丝现象，用窄条样法可以避免发生打滑抽丝现象。广东某码头使用150 kN/m编织土工布和200 kN/m的机织土工布，试样在国内几家知名试验机厂使用多种宽带夹具进行拉伸试验无法避免试样不打滑抽丝，后使用窄条样法进行试验，没有发生打滑抽丝现象。据了解，多数检测单位在进行机（编）织型土工布的拉伸试验也会用窄条样法，土工布生产厂商也多以窄条样法来监控机（编）织型土工布产品的拉伸性能。图1和表8是使用美国MTS公司生产的GMT5105型电子万能试验机和夹具进行某150 kN/m长丝机织布的横向宽条拉伸（1、2号样）和窄条拉伸（3、4号样）试验后样品的照片和测试数据，可以看到当用宽条拉伸时样品约有10%的丝没有断裂，而且试验中有打滑抽丝现象，用窄条拉伸时样品的丝基本全部断裂，试验中没有打滑抽丝现象，用窄条拉伸测试的每延米断裂强度比用宽条拉伸测试的约高6%，而且宽条拉伸因打滑抽丝造成断裂伸长率比实际值偏大，用宽条拉伸测试的断裂伸长率比用窄条拉伸测试的约大15%。

图1 某长丝机织土工布宽条拉伸和窄条拉伸的试验结果

表8 横向宽条与窄条拉伸试验测试结果

3.5.3 水力学性能试验

渗透性能试验一般要求试样的面积在20 cm2以上。表3中的结果表明在能够保证试样与渗透仪夹持器周壁密封良好，没有渗漏的情况下，适当地增大试样的面积更能反映土工织物的透水性能。防渗性能的测定对试样尺寸也无明确要求，多数检测单位在实际检测中根据仪器来决定试样尺寸。总之，进行水力学性能试验，试样尺寸因仪器不同而不同，也导致检测结果差异性大。

3.6 新产品的测试标准滞后

土工合成材料新产品的开发和发展很快，经常有新产品出现，进行检测时很难找到相应的测试标准，厂家自拟的测试标准又尚未通过国家质量监督检验局的批准，检测单位一般不予采用，在进行性能检测时往往各施所长，运用的测试手段不一，试验的结果无比对性，甚至有很大差别，很难反映新产品的真实性能，不利于新产品的推广。

4 结语

1）我国各行业试验标准、规范应尽量融合统一。

2）统一试验仪器设备或主要部件、夹具规格，统一所用试验仪器的基本参数及通用技术条件，以减小试验仪器对试验结果带来的影响。

3）对试样状态及调节时间应有较明确规定。如塑料排水板试验，可对滤膜的湿态抗拉和渗透试验的试样状态做出定性规定，要求试样应完全浸润；塑料土工格栅、塑料土工网格等塑料制品的状态调节时间明确为24 h。

4）明确规定各项试验试样尺寸的大小，不能因所用仪器不同而改变试样尺寸。

5）对于机（编）织型土工布及其复合产品的条带拉伸试验可采用窄条样法。

[1]GBT 50290—1998，土工合成材料应用技术规范[S].

[2]JTS 257—2008，水运工程质量检验评定标准[S].

[3]SL/T 235—1999，土工合成材料测试规程[S].

[4]JTG E50—2006，公路工程土工合成材料试验规程[S].