面膜堆石壩焊接施工土工膜形變特性研究

吳修宇，張憲雷，吳云云

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024)

自20世紀(jì)80年代以來，土工膜應(yīng)用于水利工程各個領(lǐng)域，土工膜防滲土石壩近年來發(fā)展迅速[1]。根據(jù)土工膜在壩體橫斷面中的部位不同，束一鳴等[2]將此類堆石壩分為面膜堆石壩和芯膜堆石壩2種類型，其中土工膜位于壩體上游面防滲的堆石壩稱為面膜堆石壩。除壩體主體防滲結(jié)構(gòu)存在差異外，面膜堆石壩壩體結(jié)構(gòu)與混凝土面板堆石壩相似，高分子防滲面膜后不設(shè)縫及止水是二者的顯著區(qū)別[3]，壩面無結(jié)構(gòu)分縫防滲是面膜堆石壩的基本特征。面膜堆石壩國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，特別是壩面防滲在非土工膜防滲土石壩除險加固和壩體/壩基沉降量大的新建工程，據(jù)國際大壩委員會2010年不完全統(tǒng)計，全球已建設(shè)183座面膜堆石壩，其中中國占有43座[4]，其他主要分布于歐美國家，但受相關(guān)規(guī)范限制國內(nèi)面膜堆石壩主要為中低壩。近年來，環(huán)境保護(hù)條例逐步加強(qiáng)黏性土料開采限制力度，天然防滲土料日趨匱乏，軟巖土石料填筑或深厚覆蓋層上的高壩因長期變形量大，防滲結(jié)構(gòu)柔韌性較好的面膜堆石壩備受壩工界關(guān)注[5]。國內(nèi)設(shè)計部門嘗試突破規(guī)范約束，探索高面膜堆石壩建設(shè)，如國內(nèi)規(guī)劃設(shè)計的軟巖填筑比例最大的老撾南歐江六級面膜堆石壩(88 m)于2016年竣工，監(jiān)測結(jié)果顯示蓄水后工作狀態(tài)正常[6-7]。面膜堆石壩的防滲土工膜在周邊縫結(jié)構(gòu)等差異位移量較大部位，其拉伸變形量大，特別是對于較高的面膜堆石壩，變形較為復(fù)雜，國外已建工程常用柔性性較好的PVC土工膜為主防滲材料。

低滲透性土工膜是面膜堆石壩防滲結(jié)構(gòu)中的主要防滲材料，鋪設(shè)在上游壩面，其上部一般鋪設(shè)一層保護(hù)層抵御外在因素可能造成的功性能損傷(如紫外線輻射引起膜材老化等)，也有完建工程將其裸露鋪設(shè)于壩面，不設(shè)工程防護(hù)措施[8]。土工膜質(zhì)地柔軟，母材一般為聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)等有機(jī)高分子聚合物，受生產(chǎn)設(shè)備/技術(shù)限制，土工膜一般分幅生產(chǎn)，最大幅寬6～8 m，長度不受限制，工程現(xiàn)場應(yīng)用土工膜拼接技術(shù)實現(xiàn)全壩面鋪設(shè)(圖1)。

圖1 土工膜焊接現(xiàn)場和焊接設(shè)備

文獻(xiàn)[9]將土工膜卷材寬度和長度方向分別稱為緯向和經(jīng)向，單幅土工膜一般經(jīng)向尺寸能夠滿足上游壩坡長度要求，緯向尺寸難以達(dá)到壩軸線長度要求，因此，現(xiàn)場必須拼接完成大面積土工膜防滲層。壩面土工膜拼接主要是相鄰兩幅土工膜緯向/緯向間拼接，但局部存在經(jīng)向之間或經(jīng)-緯向間的拼接，如面膜防滲結(jié)構(gòu)周邊縫部位的土工膜。為便于壩肩周邊縫處趾板部位土工膜錨固施工，一般選用短長度的土工膜，一端錨固另一端處于自由狀態(tài)，錨固完成后與大壩坡面土工膜焊接為一體[10]；同樣，為實現(xiàn)壩基與壩體構(gòu)成完整的防滲體系，壩基部位需開槽固壁，土工膜一端豎向鋪設(shè)于槽內(nèi)下沉封槽，此部分土工膜一般稱為地基膜，地基膜相鄰兩幅完成拼接后再與壩坡土工膜焊接，這種焊接大部分為經(jīng)向/經(jīng)向之間焊接。

文獻(xiàn)[11]指出熱風(fēng)焊和熱楔式焊接是土工膜拼接有效可行的技術(shù)，陳改新等[12]通過理論分析與試驗提出熱楔式熔焊最佳焊接速度，石漢生等[13]對土工膜焊接法施工的工藝過程做了詳細(xì)介紹，任澤棟等[14]詳細(xì)總結(jié)了土工膜焊接的主要方法及工作原理，楊帆[15]采用熱風(fēng)焊技術(shù)完成PVC土工膜筒狀焊接并指出185℃為最佳焊接溫度。筆者選用熱風(fēng)焊焊接技術(shù)研究PVC土工膜焊接部位物理變形特性，試驗研究過程中發(fā)現(xiàn)最佳焊接速度下經(jīng)向/經(jīng)向之間的焊縫處粗糙不平、局部起褶皺現(xiàn)象，焊接質(zhì)量較差，單向拉伸試驗表明經(jīng)向/經(jīng)向焊縫處斷裂強(qiáng)度和延伸率較差。土工膜屬于高分子聚合物，其物理特性對溫度具有敏感性和依賴性，文獻(xiàn)[16-19]指出高溫環(huán)境能夠引起土工膜表面產(chǎn)生大面積褶皺。因此，展開土工膜焊接處及焊接溫度影響區(qū)域內(nèi)的形變特性研究對面膜堆石壩土工膜防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計與土工膜焊接施工具有重要意義。

1 試驗條件

1.1 試驗設(shè)備

熱機(jī)械分析儀(TMA)是在恒定負(fù)荷(非交變)作用下測量試樣形變(一維尺寸)在等速升溫/降溫條件下的形變-溫度關(guān)系曲線，控制力為零或相對試樣溫度應(yīng)力較小時，測定材料的熱膨脹系數(shù)。主要由液氮罐、內(nèi)環(huán)境密閉筒(試驗艙)、夾具、程序控溫儀、形變轉(zhuǎn)換器、放大器和記錄儀等組成。熱機(jī)分析儀主要參數(shù)：試驗艙測試溫度范圍：-196～500℃，試驗艙溫度控制范圍：-70～500℃，溫度準(zhǔn)確度：±0.5℃，升溫速率：0.2～5 ℃/min，降溫速率：-0.2～-2℃/min，位移測量分辨率：0.001 mm。

液氮是降低測試內(nèi)環(huán)境溫度的措施，液氮罐頂部可程式數(shù)控控制閥可依據(jù)設(shè)定的溫降速率自動調(diào)節(jié)閥門開啟度，實現(xiàn)等速降溫；熱阻絲在密閉筒內(nèi)壁內(nèi)部呈螺旋纏繞狀，程序控制儀通過控制熱阻絲內(nèi)的電流實現(xiàn)內(nèi)環(huán)境溫度等速率升高。設(shè)定較小的恒定控制力，設(shè)定恒定升溫和降溫速率，通過程序控制儀控制測試內(nèi)環(huán)境溫度變化，溫度變化引起試樣形變形成溫度應(yīng)力，因控制力是恒定的，為抵消溫度應(yīng)力，TMA試驗儀可根據(jù)試樣形變自動調(diào)整，形成形變量傳輸至形變轉(zhuǎn)換器，信號再通過放大器傳輸至記錄儀，記錄形變和溫度數(shù)據(jù)，其工作原理見圖2。試樣初始內(nèi)環(huán)境溫度為室溫，可通過程序控溫儀依照設(shè)定的起始測試溫度要求，調(diào)節(jié)測試內(nèi)部環(huán)境溫度。

圖2 熱機(jī)械分析儀工作原理

1.2 試驗材料

選用國內(nèi)某知名土工合成材料廠家生產(chǎn)的PVC、PE和HDPE土工膜作為試驗材料，材料出廠參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 土工膜特性參數(shù)

圖3為PVC、HDPE和PE土工膜試樣，試樣尺寸為5 mm×15 mm(寬×長)，長度標(biāo)距為10 mm，兩端夾具夾持長度分別為2.5 mm。

圖3 試樣制備

1.3 試驗方案

焊接溫度一般稍高于土工膜的熔點溫度，溫度過高易引起土工膜碳化反應(yīng)，溫度低于熔點溫度達(dá)不到焊接目的。焊接過程中土工膜焊接部位及受溫度梯度影響范圍內(nèi)的土工膜溫度逐漸上升，土工膜經(jīng)向/緯向的形變趨勢可能影響焊接質(zhì)量。焊接完成后，焊接處溫度由高溫逐漸降低至大氣環(huán)境溫度，土工膜由熔融態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化，焊接部位和因焊接溫度影響的周邊區(qū)域發(fā)生收縮變形。

25℃室溫環(huán)境下，裁取經(jīng)向/緯向試樣，試樣尺寸15 mm×5 mm(長×寬)，熱機(jī)械分析儀升溫速率均設(shè)定為試驗艙最大值5℃/min，為減小負(fù)荷對溫度引起的形變量干擾，試樣負(fù)荷取儀器最小恒定值0.02 N。

室溫環(huán)境下裝載試樣，按設(shè)定的升溫速率加熱至試樣熔點溫度，試樣發(fā)生流變，結(jié)束試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗成果及初步分析

PVC/PE/HDPE土工膜試樣起始溫度25℃下持續(xù)升溫，其形變-溫度關(guān)系曲線見圖4、5。圖4顯示3組土工膜隨溫度的升高，形變量逐漸增大，變化趨勢基本一致，宏觀表現(xiàn)為受熱膨脹，屬于膨脹變形。從圖中可以看出PVC試樣熔點溫度155℃左右，HDPE/PE試樣熔點溫度180℃左右，形變量隨溫度升高呈現(xiàn)不同的變化曲率，前期呈線性變化，后期呈拋物線趨勢，直至試樣接近熔點溫度，形變量陡增。PVC土工膜在25～110℃區(qū)間溫度內(nèi)試樣形變量隨溫度升高呈線性增加趨勢，110℃至熔點溫度155℃區(qū)間內(nèi)形變膨脹速率加快，呈拋物線增長趨勢，155℃以后形變量保持不變，處于熔融狀態(tài)。

圖4 緯向試樣形變-溫度曲線

圖5 經(jīng)向試樣形變-溫度曲線

圖5顯示PVC/PE/HDPE土工膜經(jīng)向形變-溫度關(guān)系曲線，三者形變變化趨勢基本一致，前期形變量緩慢增長，后期形變量逐漸回縮，直至接近熔點溫度，形變陡增?？梢钥闯鼋?jīng)向PVC熔點溫度165℃左右，HDPE/PE試樣熔點溫度185℃左右，相比緯向形變-溫度曲線獲取的熔點溫度稍偏高。三者形變變化趨勢基本為前期形變隨溫度升高線性增大，后期形變隨溫度升高呈非線性減小。PVC土工膜在25～80℃溫度區(qū)間內(nèi)形變量增加量較小，形變量隨溫度升高呈緩慢增加趨勢，屬于正常吸熱膨脹；80℃至熔點溫度165℃區(qū)間內(nèi)隨溫度升高形變變化顯著，但形變量并未表現(xiàn)出正常吸熱膨脹現(xiàn)象，反而出現(xiàn)吸熱收縮現(xiàn)象，PE/HDPE土工膜也存在此類現(xiàn)象，僅是發(fā)生的溫度區(qū)間不同。PVC土工膜收縮變形在80～100℃溫度區(qū)間內(nèi)形變量平緩降低，處于收縮變形初期，收縮速率緩慢；100～150℃溫度區(qū)間內(nèi)試樣形變量繼續(xù)收縮，但收縮速度明顯加快，至150℃溫度時收縮變形量出現(xiàn)極值，150～165℃溫度區(qū)間內(nèi)試樣形變量陡然增長，表現(xiàn)出正常吸熱膨脹變形，至試樣熔點溫度165℃后變形量不再變化。

3類土工膜經(jīng)向試樣后期形變均展現(xiàn)出的吸熱收縮特性，相悖于普工材料熱脹冷縮熱力學(xué)規(guī)律，而前期形變量雖然比較緩慢，但符合吸熱膨脹規(guī)律，土工膜在不同的溫度區(qū)間展現(xiàn)出兩種截然不同的熱力學(xué)現(xiàn)象，另外經(jīng)向形變-溫度曲線下的熔點溫度稍高于緯向。相比于土工膜緯向形變-溫度曲線展現(xiàn)出的吸熱膨脹現(xiàn)象，可以推測經(jīng)緯向形變趨勢不同可能與2個方向的高分子結(jié)構(gòu)排列或應(yīng)力歷史有關(guān)。

圖6 PVC土工膜經(jīng)/緯向形變差-溫度曲線

圖6為PVC土工膜經(jīng)/緯向形變差-溫度曲線，可以看出形變差50℃后隨溫度升高呈拋物線形式快速增加，在熔點溫度附近達(dá)到最大差異量6.5 mm，差異量是試樣測試長度的65%，又土工膜焊接溫度大于其熔點溫度，由此可推斷差異熱力學(xué)變形是經(jīng)/緯向之間焊接時局部粗糙不平整、起皺的主要原因。

3 經(jīng)緯向差異變形分析

通過試驗結(jié)果初步分析，土工膜緯向和經(jīng)向應(yīng)力歷史或高分結(jié)構(gòu)排列不同是熱力學(xué)形變差異的主要原因。土工膜屬于高分子聚合物，高分子原料樹脂、添加劑等原材料加熱共混后，利用攪拌機(jī)械將熔融狀態(tài)下的混合料攪拌均勻后，經(jīng)擠出、牽引、冷卻成膜等工藝制作而成，因此，土工膜的生產(chǎn)工藝是應(yīng)力歷史和分子結(jié)構(gòu)排列的主要?dú)v程，面膜堆石壩防滲選用的PVC土工膜采用壓延工藝生產(chǎn)。

壓延法是利用高聚物的可塑性，加入增塑劑、穩(wěn)定劑、填充劑等助劑，利用機(jī)械攪拌法先將其配制成混合均勻的粉料，再對粉料進(jìn)行加溫、加壓，在高剪切力下使其混煉、塑化，然后將塑化好的物料進(jìn)入一組輥筒間隙，形成連續(xù)片狀土工膜。高速剪切攪拌、引輪牽引和冷卻速比是壓延法土工膜應(yīng)力歷史主要環(huán)節(jié)，如冷卻時冷卻速度梯度過大，成品土工膜的熱收縮性大。

PVC土工膜生產(chǎn)流程為：原料加熱高速攪拌→過濾擠出→壓延機(jī)壓延→冷卻→卷曲成品，生產(chǎn)流程完成黏流態(tài)土工膜在外力作用下冷卻至高彈態(tài)。擠出機(jī)的出口尺寸決定一幅土工膜的緯向尺寸，即緯向不發(fā)生拉伸作用；經(jīng)向從擠出機(jī)出口由牽引輪牽引冷卻至需要長度尺寸，在縱向牽引并冷卻過程中PVC膜經(jīng)向受外力拉伸和降溫梯度應(yīng)力作用，經(jīng)向分子在牽引力作用下沿經(jīng)向排列拉伸，并在降溫過程中保留至固態(tài)產(chǎn)品中。另外，PVC膜高分子熔融狀態(tài)下在高剪切作用力作用下充分伸展后，其長度是寬度的幾千甚至幾萬倍，相差懸殊的幾何不對稱性。在外力場作用下易沿外力場方向做占優(yōu)勢平行排列，稱這種現(xiàn)象為取向[22]。取向包括分子鏈、鏈段及晶片(晶帶)沿特定方向擇優(yōu)排列，是一維或者二維在一定程度上的有序，土工膜經(jīng)向?qū)儆趩蜗蚶烊∠?，分子鏈在平行取向方向排列，而緯向不存在拉伸作用，無取向。

牽引力作用下的黏流態(tài)PVC土工膜由擠出機(jī)擠出口擠出冷卻成形，即在冷卻過程中縱向取向后的分子被冷卻，牽引比引起的分子拉伸被冷卻凍結(jié)。黏流態(tài)溫度一般為150～180℃，當(dāng)縱向試樣升溫至150℃左右時，被拉伸冷卻的分子處于“解凍”狀態(tài)，在無約束條件下開始彈性回復(fù)，即表現(xiàn)為彈性收縮。經(jīng)向試樣受熱后先發(fā)生收縮變形的原因正是高分子的取向作用，緯向試樣因不存在取向作用，受熱后表現(xiàn)出正常熱脹形態(tài)。

高分子取向是經(jīng)緯向試樣溫度形變特性存在差異的根本原因，為改善PVC土工膜經(jīng)緯向的高分子取向不均勻，生產(chǎn)過程中可調(diào)整高速攪拌剪切工藝措施以減小單向分子取向的影響，如采取增加高速攪拌機(jī)械內(nèi)部構(gòu)件變單向為雙向攪拌[23]，并依據(jù)試驗測試成果確定合理的冷卻溫度速率等。

4 分析驗證

試驗成果表明，土工膜經(jīng)緯向形變-溫度曲線存在差別，其中經(jīng)向試樣的形變-溫度曲線出現(xiàn)吸熱收縮的異常現(xiàn)象，經(jīng)/緯向的熱力學(xué)形變特性的差異是相鄰兩幅土工膜經(jīng)向與緯向之間焊接過程中出現(xiàn)局部粗糙、不平整起皺現(xiàn)象的主要原因，土工膜經(jīng)向方向生產(chǎn)加工過程中存在溫度應(yīng)力歷史是熱力學(xué)特性異常的根本原因。

熔融狀態(tài)的土工膜原輔料混合攪拌、制品出口冷卻區(qū)冷卻溫度速度梯度和輥輪牽引力拉伸作用等，混合料由熔融狀態(tài)到制品固體狀態(tài)過程中存在高分子結(jié)構(gòu)鏈取向，高分子取向宏觀表現(xiàn)為制品內(nèi)部拉伸應(yīng)力/形變被“冷凍”至固體狀態(tài)。若固體狀態(tài)吸收外界熱量，溫度達(dá)到一定程度后，“冷凍”狀態(tài)下被拉伸的高分子鏈被激活，熱力學(xué)最大熵原理使得分子鏈向初始狀態(tài)回復(fù)，即宏觀表現(xiàn)出收縮現(xiàn)象；高分子回復(fù)至初始狀態(tài)后吸收熱量表現(xiàn)為膨脹變形，當(dāng)外界吸收的熱量尚未達(dá)到使處于“冷凍”狀態(tài)拉伸應(yīng)力解除或取向高分子鏈未被激活時，聚合物整體表現(xiàn)出吸熱膨脹現(xiàn)象，這種膨脹是緩慢的、微量的。

為驗證上述試驗結(jié)果理論分析的準(zhǔn)確性，將一塊面積為0.25 m2的PVC土工膜樣品在熱融解器中加熱至熔點溫度，并使樣品處于完全熔融狀態(tài)，在模具盒中自然無約束環(huán)境下冷卻成型，然后在新成型的樣品中間部位，正交方向裁取標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別標(biāo)記為試樣1和試樣2，試樣測試標(biāo)距均為10 mm，溫升試驗成果見圖7。

圖7 試樣1與試樣2形變差-溫度曲線

圖7中可以看出兩試樣的差值形變量在20～120℃變化不大，在0～2.14 μm之間。因此，此方案試驗結(jié)果表明：融解處理過后的PVC土工膜的2個正交向試樣的形變差-溫度曲線基本相同，熔點溫度也相同。試驗成果很好地驗證了文中試驗成果分析結(jié)論是正確的。

5 結(jié)論

面膜堆石壩壩體防滲結(jié)構(gòu)中土工膜鋪設(shè)面積大，成卷膜材在壩面，壩肩/壩基周邊縫防滲結(jié)構(gòu)與壩面連接部位大部分選用土工膜焊接技術(shù)完成拼接。夏季壩面施工溫度及膜材焊接時的周邊溫度高于膜材存儲溫度，溫度升高至一定溫度后，經(jīng)、緯2個方向熱力學(xué)形變特性不同，特別是土工膜焊接時，因焊接溫度高于土工膜熔點，易引起土工膜卷材經(jīng)向收縮而緯向膨脹，增大了經(jīng)向與緯向之間焊接難度或焊接質(zhì)量不佳。針對土工膜經(jīng)緯向之間焊接效果不佳問題，筆者選用試驗與理論分析相結(jié)合的方法揭示了問題存在的根本原因，依據(jù)分析結(jié)果提出了解決方法，并用試驗方法進(jìn)行了驗證，主要得到以下結(jié)論。

a)土工膜經(jīng)緯向熱力學(xué)形變特性差異是問題的主要原因，生產(chǎn)過程中高分子結(jié)構(gòu)鏈發(fā)生取向，被“冷凍”在土工膜內(nèi)部的拉伸形變量是問題存在的根本原因。

b)改進(jìn)土工膜生產(chǎn)工藝，避免分子取向。如壓延土工膜高速剪切攪拌變單向為雙向，合理控制冷卻速度。

c)建議土工膜防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，施工技術(shù)要求盡量避免縱向與緯向焊接搭接或焊接工藝要求適當(dāng)增加兩者焊接處的搭接長度，以抵消高溫造成形變收縮，提高焊接質(zhì)量。