熱焊法對(duì)工程常用土工膜焊縫質(zhì)量的影響

鄭澄鋒，楊明昌，耿之周

（南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024）

熱焊法對(duì)工程常用土工膜焊縫質(zhì)量的影響

鄭澄鋒，楊明昌，耿之周

（南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024）

土工膜焊縫剝離強(qiáng)度和剪切強(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。為了得到熱焊法對(duì)土工膜焊縫質(zhì)量的影響，本文選擇7種不同厚度的工程常用的HDPE土工膜在不同充氣時(shí)間和充氣壓強(qiáng)條件下進(jìn)行焊縫剝離試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在土工膜熱焊法接縫條件下，熱焊法的土工膜焊縫接縫質(zhì)量穩(wěn)定，接縫效率1最大為0.99，最小為0.85；接縫效率2最大為0.86，最小為0.37；接縫效率1在薄膜區(qū)0.25～0.75mm范圍內(nèi)受壓強(qiáng)影響相對(duì)較大且成反比，受時(shí)間影響很??；土工膜在0.75～2.0mm范圍內(nèi)大小相近；土工膜焊縫效率2隨著充氣時(shí)間和充氣壓力均成反比，且在薄膜區(qū)0.25～1.00 mm范圍受影響較大，在厚膜1.00～2.00 mm范圍內(nèi)影響很小。

土工膜焊縫；剝離強(qiáng)度；剪切強(qiáng)度；接縫效率

1 研究背景

土工膜是一類由高分子聚合物制成的工程防滲材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于防滲工程當(dāng)中。其在防洪搶險(xiǎn)工程中的大量應(yīng)用及其成效，引起了廣大工程技術(shù)人員的高度重視。在工程中，土工膜焊接質(zhì)量與焊縫力學(xué)性能是整個(gè)防滲結(jié)構(gòu)可靠性保障的關(guān)鍵控制點(diǎn)。張光偉等［1］僅針對(duì)高密度聚乙烯復(fù)合土工膜原材展開室內(nèi)測試與評(píng)價(jià)，沒有涉及到接縫的相關(guān)測試分析。束一鳴等［2-3］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，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)［4］。關(guān)于施工工藝對(duì)膜的力學(xué)特性研究方面，束一鳴等［5］結(jié)合實(shí)際工程采用的防滲膜對(duì)不同環(huán)境溫度和焊接溫度下土工膜焊接焊縫進(jìn)行了研究，通過拉伸和剝離試驗(yàn)，得到了環(huán)境溫度與優(yōu)化焊接溫度之間的關(guān)系曲線；國外，Rollin等［6］評(píng)價(jià)了現(xiàn)有的現(xiàn)場焊接技術(shù)的優(yōu)劣；Peggs等［7］討論了不同焊接工藝對(duì)土工膜耐久性的影響；Curran等［8］評(píng)價(jià)了焊縫對(duì)土工膜耐久性和抗拉強(qiáng)度的影響。

目前土工膜接縫連接方式應(yīng)符合《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T231-98）的要求。連接方法有：搭接，搭接寬度宜大于15 cm（但是防滲效果不是很好）；熱焊，焊縫搭接寬度不小于5 cm（不推薦膠接，長時(shí)間水浸泡易開膠，防滲效果差）。故而，工程上接縫連接方式常采用熱焊法。為分析其強(qiáng)度效果如何，本文對(duì)不同土工膜進(jìn)行熱焊法連接，對(duì)其接縫進(jìn)行試驗(yàn)，分析了熱焊法對(duì)土工膜焊縫質(zhì)量的影響效果。

2 試驗(yàn)方案

（1）分別選擇厚度為0.25 mm、0.35 mm、0.5 mm、0.75 mm、1.00 mm、1.50 mm、2.00 mm等7種不同厚度的HDPE土工膜作為試驗(yàn)材料。

（2）將土工膜焊縫進(jìn)行充氣試驗(yàn)，選取五種試驗(yàn)組：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；⑤無充氣狀態(tài)。

（3）將HDPE土工膜母材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取得其屈服強(qiáng)度。對(duì)所有試驗(yàn)組HDPE土工膜焊縫進(jìn)行剪切試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)，得到其剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度。

（4）對(duì)焊縫的接縫效率做如下定義：接縫效率1=焊縫剪切強(qiáng)度/原材屈服強(qiáng)度；接縫效率2=焊縫剝離強(qiáng)度/原材屈服強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)材料制作及原理方法

土工膜拼接采用自動(dòng)爬行焊接機(jī)熱熔焊接，由于焊接時(shí)氣溫會(huì)有變化，因此根據(jù)氣溫和焊接面情況對(duì)焊接溫度和焊接機(jī)行走速度隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。本次試驗(yàn)焊縫制作時(shí)溫度控制在250～450℃，行走速度控制在2～2.5 m/min范圍內(nèi)。焊接過程和焊接后2 h內(nèi)焊接面不承受任何拉力，防止焊接面移動(dòng)錯(cuò)位。

土工膜焊縫焊縫結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。土工膜焊縫剪切試驗(yàn)基本等同于拉伸試驗(yàn)，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，求平均值。和拉伸試驗(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，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《土工合成材料測試規(guī)程》（SL235-2012）相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

土工膜焊縫剝離試驗(yàn)是將試樣按照?qǐng)D2安裝在試驗(yàn)機(jī)上，以50 mm/min的速率進(jìn)行拉伸直到試樣完全剝離，記錄最大剝離力，觀察和記錄試樣的破壞現(xiàn)象，是材料破壞還是被剝開。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《土工合成材料測試規(guī)程》（SL235-2012）相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

圖1 土工膜焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 剝離試樣安裝示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果所有試驗(yàn)組剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果、剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果以及原材料屈服強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。各個(gè)試驗(yàn)組接縫效率試驗(yàn)結(jié)果見表2。各個(gè)試驗(yàn)組接縫效率1與土工膜厚度關(guān)系曲線見圖3，各個(gè)試驗(yàn)組接縫效率2與土工膜厚度關(guān)系曲線見圖4。

4.2實(shí)驗(yàn)分析由表1和表2可以看出，所有試驗(yàn)組相同土工膜厚度的剪切強(qiáng)度均小于其屈服強(qiáng)度（即接縫效率1均小于1）且大于剝離強(qiáng)度（即接縫效率2均小于接縫效率1），即所有試驗(yàn)組的接縫效率1均小于1.0且大于接縫效率2。這是因?yàn)榧羟袕?qiáng)度主要是測得的焊縫與膜材交接處的強(qiáng)度，在對(duì)土工膜進(jìn)行焊接時(shí)由于工藝的缺陷難免會(huì)在焊縫與膜材交接處產(chǎn)生一些薄弱區(qū)。在焊縫足夠?qū)?，其相互之間的焊接摩擦強(qiáng)度比之薄弱區(qū)強(qiáng)度較大情況下，致使在焊縫剪切時(shí)薄弱區(qū)處先斷，這部分的強(qiáng)度比正常膜材要小一些，導(dǎo)致所有試驗(yàn)組相同土工膜厚度的剪切強(qiáng)度均小于其屈服強(qiáng)度。在進(jìn)行剝離試驗(yàn)時(shí)，由于焊縫工藝的原因，會(huì)使得焊縫部分的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不像原來膜材均勻，在焊接處有印痕，所以剝離試驗(yàn)時(shí)候往往是順著原來的焊接面剝離開來，其強(qiáng)度相比較膜材要小，相比之焊縫薄弱區(qū)處強(qiáng)度也要小。

圖3 各個(gè)試驗(yàn)組接縫效率1與土工膜厚度關(guān)系

表1 土工膜及各個(gè)試驗(yàn)組焊縫試驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果（N/50mm）

表2 各個(gè)試驗(yàn)組焊縫接縫效率結(jié)果

由圖3可以看出，5組接縫效率1隨著土工膜厚度的增加而增加，且曲線變化趨勢較為一致，土工膜厚度與接縫效率1的變化曲線漸趨平緩，接縫效率1隨著土工膜厚度的增加逐漸接近1.0，其最大0.99，最小0.85，滿足水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范（SL/T225-98）中對(duì)接縫質(zhì)量的要求，即接縫的極限拉伸強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度80%，且拉伸斷裂處在母材上。在薄膜厚度0.25～0.75 mm范圍內(nèi)5組曲線變化相對(duì)較大，相同土工膜厚度條件下，無充氣狀態(tài)試驗(yàn)組接縫效率1高于0.1 MPa，3 min試驗(yàn)組和0.1 MPa，10 min試驗(yàn)組，0.1 MPa，3 min試驗(yàn)組和0.1 MPa，10 min試驗(yàn)組高于0.2 MPa，3 min試驗(yàn)組和0.2 MPa，10 min試驗(yàn)組；0.1 MPa，3 min試驗(yàn)組和0.1 MPa，10 min試驗(yàn)組接縫效率1曲線接近，0.2 MPa，3 min試驗(yàn)組和0.2 MPa，10 min試驗(yàn)組接縫效率1曲線接近，表明接縫效率1受充氣壓強(qiáng)影響較大，受充氣時(shí)間影響很??；土工膜在厚膜0.75～2.0 mm范圍內(nèi)所有試驗(yàn)組曲線變化較小，即熱焊法使土工膜焊縫接縫剪切強(qiáng)度質(zhì)量較一致，符合工程要求，在薄膜區(qū)0.25～0.75 mm范圍內(nèi)受壓強(qiáng)影響相對(duì)較大，受時(shí)間影響很小。

由圖4可以看出，接縫效率2隨著土工膜厚度的增加而增加，且曲線變化趨勢較為一致，土工膜厚度與接縫效率2的變化曲線漸趨平緩，接縫效率2隨著土工膜厚度的增加逐漸接近1.0，其最大0.86，最小0.37。在厚度0.25～2.00 mm范圍內(nèi)，無充氣狀態(tài)試驗(yàn)組接縫效率2隨土工膜厚度變化的曲線高于0.1 MPa，3 min試驗(yàn)組，0.1 MPa，3 min試驗(yàn)組高于0.1 MPa，10 min試驗(yàn)組，0.1 MPa，10min試驗(yàn)組高于0.2 MPa，3 min試驗(yàn)組，0.2 MPa，3 min試驗(yàn)組高于0.2 MPa，10 min試驗(yàn)組。在薄膜厚度0.25～1.00 mm范圍內(nèi)曲線變化較大，在厚度1.00～2.00 mm范圍內(nèi)曲線變化較小。即熱焊法使得土工膜焊縫效率2隨著充氣時(shí)間和充氣壓力均成反比，且在薄膜區(qū)0.25～1.00 mm范圍內(nèi)影響較大；在厚膜1.00～2.00 mm范圍內(nèi)焊影響很小。另外，從表2和圖4可以看出，在較長充氣時(shí)間和較大充氣壓強(qiáng)下土工膜焊縫接縫效率2部分低于0.7，相關(guān)工藝和工程在土工膜薄膜焊縫時(shí)需要注意。

圖4 各個(gè)試驗(yàn)組接縫效率2與土工膜厚度關(guān)系

4 結(jié)論

（1）在土工膜接縫采用熱焊條件下，所有試驗(yàn)組接縫效率1均小于1，接縫效率2均小于接縫效率1，組接縫效率1和接縫效率2隨著土工膜厚度的增加而增加，且曲線變化趨勢較為一致。接縫效率1最大為0.99，最小為0.85；接縫效率2最大為0.86，最小為0.37。熱焊法使土工膜焊縫接縫質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）在土工膜接縫采用熱焊條件下，接縫效率1在厚度0.25～0.75 mm范圍內(nèi)受壓強(qiáng)影響相對(duì)較大且成反比，受時(shí)間影響很小，在厚度0.75～2.0 mm范圍內(nèi)大小相近。

（3）土工膜焊縫效率2隨著充氣時(shí)間和充氣壓力均成反比，且在厚度0.25～1.00 mm范圍內(nèi)影響較大，在厚度1.00～2.00 mm范圍內(nèi)影響很小。

［1］ 張光偉，張虎元，楊博.高密度聚乙烯復(fù)合土工膜性能的密室內(nèi)測試與評(píng)價(jià)［J］.水利學(xué)報(bào)，2012，43（8）：967-973.

［2］ 束一鳴，等.長江三峽二期圍堰土工膜防滲結(jié)構(gòu)前期研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，25（5）：71-78.

［3］ 束一鳴，顧淦臣.土工薄膜防滲新結(jié)構(gòu)及其深水施工可行性研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，16（S）：58-62.

［4］ 束一鳴.土工膜的施工工藝及其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［J］.水利水電技術(shù)，2002，33（4）：19-21.

［5］ 束一鳴，等.西霞院反調(diào)節(jié)水庫土石壩膜防滲工藝［J］.水利水電科技進(jìn)展，2009，29（6）：70-73.

［6］ Rollin A L，Vidovic A，Denis R，Marcotte M.Microscopic evaluation of HDPE geomembrane field welding tech?niques［C］//ASTM.Spec.Tech，1076，in：R.M.Koerner（Ed），（Geosynth.Microstruct.Perform）.1989：34-37.

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Effect of heat welding method on weld quality of geomembrane commonly used

ZHENG Chengfeng，YANG Mingchang，GENG Zhizhou
（Geotechnical Engineering Institute，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China）

Geomembrane welding seam peel strength and shear strength is one of the key factors for the im?pervious structure reliability.In order to get the effect of air inflation time and air inflation pressure on geo?membrane seam peel strength and shear strength，in this paper，seven different thickness kinds of HDPE geomembrane were selected to make the welding seam peel strength and shear strength test at different aera?tion time and filling pressure conditions.The test results show that：In the condition of geomembrane seam's heat welding method，heat welding method make geomembrance weld quality stable，the maximum of seam efficiency 1 is 0.99，the minimum is 0.85，the maximum of seam efficiency 2 is 0.86，and the minimum is 0.37；In the thin geomembrance region，0.25 mm～0.75 mm，seam efficiency 1 is inversely pro?portional to air inflation pressure and influenced relatively large by air inflation pressure，while influenced by time very little，in the thick geomembrance region，0.75 mm～2.00 mm，each test team’s seam efficien?cy 1 is similar to each other；Seam efficiency 2 is both inversely proportional to air inflation pressure and air inflation pressure，and the impact is large in the thin geomembrance region，0.25 mm～1.00 mm，while very little in the thick geomembrance region，1.00 mm～2.00 mm.

geomembrane welding seam；peel strength；shear strength；seam efficiency

TV44

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.03.005

1672-3031（2015）03-0184-05

（責(zé)任編輯：李 琳）

2014-05-15

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)；土工膜焊縫質(zhì)量檢測技術(shù)研究項(xiàng)目（Y312002）

鄭澄鋒（1977-），男，浙江三門人，高級(jí)工程師，主要從事土工合成材料試驗(yàn)檢測和研究工作。

E-mail：cfzheng@nhri.cn