土工膜焊縫剪切強(qiáng)度與充氣時(shí)間和充氣壓強(qiáng)的關(guān)系

褚智超， 魏軍揚(yáng)

(1.江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

土工膜作為由高分子聚合物制成的工程防滲材料，與黏土、混凝土、瀝青混凝土等傳統(tǒng)的防滲材料相比，有著更為優(yōu)越的防滲性能，且具有工程施工速度快、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。隨著土工膜在工程中的不斷應(yīng)用，國內(nèi)外做了大量的相關(guān)研究工作，概括起來主要有：土工膜防滲、施工方面研究，設(shè)計(jì)計(jì)算等方面研究和土工膜接縫問題相關(guān)研究。土工膜焊縫剪切強(qiáng)度是整個(gè)防滲結(jié)構(gòu)可靠性保障的關(guān)鍵因素之一，在土工膜施工工藝方面，我國學(xué)者束一鳴等對(duì)土工膜焊接和膠接等拼接工藝進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究[3,4]，束一鳴等在施工工藝對(duì)膜的力學(xué)特性方面驗(yàn)證了復(fù)雜施工環(huán)境下保持焊接部位清潔、干燥對(duì)保證焊接質(zhì)量的重要性[5]并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)常用的PE和PVC土工膜的焊接、黏結(jié)、槽中拼接、周邊錨固、頂部連接及鋪設(shè)工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究和總結(jié)[6]；蔣學(xué)行等[7]對(duì)PE復(fù)合土工膜快速粘結(jié)技術(shù)在防滲工程施工中的應(yīng)用做了研究；Wesseloo J等在單軸拉伸下，通過HDPE的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)對(duì)比，并用FLAC3D分析得出：在一定應(yīng)變率下，應(yīng)力應(yīng)變曲線之間雙曲函數(shù)和指數(shù)函數(shù)模型[8]；膜的疊加會(huì)使焊縫在單軸拉伸時(shí)焊縫的兩面不在同一平面[9]。

目前土工膜焊縫檢測(cè)分為有損檢測(cè)與無損檢測(cè)兩大類，室內(nèi)試驗(yàn)一般進(jìn)行有損檢測(cè)，比如剪切強(qiáng)度試驗(yàn)；而現(xiàn)場試驗(yàn)通常要求無損檢測(cè)。無損檢測(cè)的方法很多，實(shí)際工程中大多依據(jù)SL/T 231-1998《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》和SL 18-2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》采用充氣法檢測(cè)。目前采用的規(guī)范方法存在三個(gè)方面的問題：一是對(duì)于充氣壓力和充氣時(shí)間等規(guī)定有很大的任意性，不利于檢測(cè)人員的實(shí)際操作；二是對(duì)于不同厚度的土工膜采用同一充氣壓力欠妥當(dāng)，對(duì)于厚度較小的土工膜，在0.2 MPa的充氣壓力作用下，已經(jīng)產(chǎn)生鼓脹現(xiàn)象，變形較大，此時(shí)所謂的無損檢測(cè)已經(jīng)變成有損檢測(cè)；三是不同厚度焊縫強(qiáng)度判斷的依據(jù)沒有量化，致使判定結(jié)果往往具有主觀性。

為了提高土工膜焊縫強(qiáng)度的檢測(cè)水平，本文選擇七種不同厚度的HDPE土工膜在不同充氣時(shí)間和充氣壓強(qiáng)條件下進(jìn)行焊縫強(qiáng)度試驗(yàn)，得到土工膜焊縫剪切強(qiáng)度質(zhì)量與充氣時(shí)間和充氣壓強(qiáng)之間的關(guān)系。為土工膜充氣檢測(cè)和相關(guān)工程提供參考借鑒。

1 試驗(yàn)方案

進(jìn)行無充氣狀態(tài)下HDPE土工膜的焊縫剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。

選擇七種不同厚度的HDPE土工膜進(jìn)行焊縫強(qiáng)度試驗(yàn)，土工膜厚度分別為 0.25、0.35、0.5、0.75、1.00、1.50、2.00 mm，對(duì)應(yīng)母材拉伸強(qiáng)度分別為185、292、506、710、923、1616、2387 (N/50 mm)。

充氣方案選用以下四種狀態(tài)，分別是：(1)充氣壓力0.1 MPa，充氣時(shí)間3 min；(2)充氣壓力0.1 MPa，充氣時(shí)間10 min；(3)充氣壓力0.2 MPa，充氣時(shí)間3 min；(4)充氣壓力0.2 MPa，充氣時(shí)間10 min。對(duì)充氣檢測(cè)后的HDPE土工膜焊縫進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并與無充氣狀態(tài)下的焊縫剪切強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，分析研究充氣時(shí)間、充氣壓力對(duì)焊縫強(qiáng)度質(zhì)量的影響及其之間的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)方法原理

土工膜焊縫結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。土工膜焊縫剪切試驗(yàn)基本等同于拉伸試驗(yàn)，即按照規(guī)范本應(yīng)采用啞鈴法，為便于與焊縫強(qiáng)度的比較，本文在對(duì)土工膜原材拉伸亦采用條帶拉伸，寬度為50 mm，把試樣兩端用夾具固定，夾持長度為100 mm，以50 mm/min的速率進(jìn)行拉伸直到破壞，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分別記錄土工膜焊縫的屈服強(qiáng)度及屈服伸長率、斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長率，并做5組試樣，計(jì)算其平均值。與拉伸試驗(yàn)不同的是土工膜焊縫剪切試驗(yàn)只是夾持中間含有土工膜焊縫部分，主要區(qū)別在于要觀察和記錄試樣的破壞現(xiàn)場，比如原材斷裂、焊縫滑脫。該試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)操作，并按照SL 235-2012《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》 相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

圖1 土工膜焊縫結(jié)構(gòu)示意

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

所有試驗(yàn)組剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1，土工膜焊縫剪切強(qiáng)度與土工膜厚度關(guān)系曲線見圖2。

表1 各個(gè)試驗(yàn)組剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 所有試驗(yàn)組土工膜焊縫剪切強(qiáng)度與土工膜厚度關(guān)系曲線

3.1 充氣壓力對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

該試驗(yàn)研究可以分為：焊縫充氣3 min，不同壓力0.1 MPa和0.2 MPa試驗(yàn)條件；焊縫充氣10 min，不同壓力0.1 MPa和0.2 MPa試驗(yàn)條件兩類。

首先, 對(duì)焊縫充氣3 min試驗(yàn)條件下結(jié)果分析：取無充氣試驗(yàn)組、充氣0.1 MPa,3 min試驗(yàn)組、充氣0.2 MPa,3 min試驗(yàn)組試驗(yàn)結(jié)果(參照表1和圖2)進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出，在焊縫充氣3min試驗(yàn)條件下，三試驗(yàn)組焊縫剪切強(qiáng)度隨著土工膜厚度的增加而增加，且曲線變化趨勢(shì)及數(shù)值大小較為一致，這是因?yàn)橥凉つず缚p母材的厚度對(duì)焊縫的剪切強(qiáng)度起決定作用。

其次，對(duì)焊縫充氣10 min試驗(yàn)條件下結(jié)果分析，會(huì)得出與焊縫充氣3 min試驗(yàn)條件非常相似的結(jié)論。

由以上分析可以得出充氣壓力對(duì)土工膜焊縫剪切強(qiáng)度的影響很小。

3.2 充氣時(shí)間對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

該試驗(yàn)研究可以分為：焊縫充氣壓力0.1 MPa，不同時(shí)間3 min和10 min試驗(yàn)條件；焊縫充氣壓力0.2 MPa，不同時(shí)間3 min和10 min試驗(yàn)條件兩類。

首先對(duì)焊縫充氣0.1 MPa試驗(yàn)條件下結(jié)果分析：取無充氣試驗(yàn)組、充氣0.1 MPa,3 min試驗(yàn)組、充氣0.1 MPa,10 min試驗(yàn)組試驗(yàn)結(jié)果(參照表1和圖2)進(jìn)行對(duì)比分析。其次對(duì)焊縫充氣0.2 MPa試驗(yàn)條件下結(jié)果分析：取無充氣試驗(yàn)組、充氣0.2 MPa,3 min試驗(yàn)組、充氣0.2 MPa,10 min試驗(yàn)組試驗(yàn)結(jié)果(參照表1和圖2)進(jìn)行對(duì)比分析?？梢缘贸雠c3.1相似的結(jié)論：即充氣時(shí)間對(duì)土工膜焊縫剪切強(qiáng)度的影響很小。

相同厚度土工膜焊縫剪切強(qiáng)度變化系數(shù)為相同厚度土工膜各試驗(yàn)組的剪切強(qiáng)度最大值與最小值的差值與相同厚度土工膜各試驗(yàn)組剪切強(qiáng)度最小值的比值。則通過計(jì)算可以得出土工膜厚度分別為 0.25、0.35、0.5、0.75、1.00、1.50、2.00 mm的焊縫強(qiáng)度變化系數(shù)分別為6.72%、4.38%、4.00%、0.82%、1.50%、0.81%和1.42%。可以得出，剪切強(qiáng)度變化系數(shù)最大為6.72%，最小為0.81%。

綜上所述，所有試驗(yàn)組在不同充氣壓力，充氣時(shí)間下，焊縫剪切強(qiáng)度隨著土工膜厚度的增加而增加，且曲線變化幾乎一致，相同土工膜厚度試驗(yàn)條件下所有試驗(yàn)組的焊縫剪切強(qiáng)度值大小及其變化相近，充氣壓力對(duì)土工膜焊縫剪切強(qiáng)度影響很微小，試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)主要是在焊縫邊緣與土工膜母材連接處發(fā)生破壞。分析其機(jī)理主要是因?yàn)樵谕凉つず缚p形成過程中(圖1)，由于之前對(duì)土工膜的熱焊會(huì)使熱焊部位材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為材料變軟，并且略微變薄，從而在焊縫邊緣與土工膜母材連接處存在材料薄弱區(qū)，見圖3，充氣壓強(qiáng)和充氣時(shí)間對(duì)此區(qū)域作用很小。熱焊形成的焊縫區(qū)域由土工膜母材熱化粘結(jié)在一起，強(qiáng)度較大，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的土工膜母材在熱焊過程中強(qiáng)度幾乎沒有變化。因此，在土工膜焊縫剪切過程中，焊縫邊緣與土工膜母材連接處的材料薄弱區(qū)便首先達(dá)到屈服進(jìn)而破壞。在土工膜焊縫工程中應(yīng)對(duì)此引起重視。

圖3 土工膜焊縫剪切試驗(yàn)示意

4 結(jié) 論

(1)本研究中，所有試驗(yàn)組在相同充氣時(shí)間和充氣壓強(qiáng)條件下，焊縫剪切強(qiáng)度隨著土工膜厚度的增加而增加，且曲線變化幾乎一致。

(2)熱焊法對(duì)不同厚度的HDPE土工膜在焊縫剪切強(qiáng)度方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，無論充氣壓力多少，充氣時(shí)間長短，相同土工膜厚度試驗(yàn)條件下所有試驗(yàn)組的焊縫剪切強(qiáng)度值大小及其變化相近，充氣壓力和充氣時(shí)間對(duì)土工膜焊縫剪切強(qiáng)度影響很小，剪切強(qiáng)度變化系數(shù)最大為6.72%，最小僅為0.81%。

(3)土工膜焊縫剪切破壞主要發(fā)生在焊縫區(qū)域與土工膜母材連接處的薄弱部位，在土工膜焊縫施工中應(yīng)當(dāng)引起重視。

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