溫濕度對土工膜試驗結(jié)果穩(wěn)定性影響

張曉強，鄭愛榮

（1.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

0 引言

土工膜常用的原材料主要有高密度聚乙烯（HDPV）、線性低密度聚乙烯（LLDPE）、聚丙?。≒P）、聚氯乙烯（PVC）、高柔韌聚乙烯（VFPE）和三元乙丙（EPDM）等[1]。這些高分子材料熔點較低，具有較強的溫度敏感性[2-3]，表現(xiàn)為土工膜的線膨脹系數(shù)大，外部環(huán)境溫度下降時土工膜會產(chǎn)生收縮，同時造成土工膜彈性模量和拉伸強度的增大[4-5]，如果土工膜不能自由變形將導(dǎo)致其產(chǎn)生溫度應(yīng)力[6-9]，從而影響土工膜的使用性能。

考慮溫度對土工膜性能的影響，多數(shù)土工膜測試標(biāo)準(zhǔn)都有狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗時溫度的要求。狀態(tài)調(diào)節(jié)的目的是讓土工膜在試驗前適應(yīng)試驗環(huán)境溫濕度，充分釋放溫度應(yīng)力，并達(dá)到濕度平衡；試驗時進(jìn)行溫濕度控制，可以避免溫濕度波動導(dǎo)致土工膜產(chǎn)生新的溫度應(yīng)力。土工膜測試規(guī)程對溫度的要求一般為（20±2）℃或（23±2）℃，對相對濕度進(jìn)行規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)較少，常用（50±10）%[10]或（60±10）%[11]，狀態(tài)調(diào)節(jié)時間為88 h、24 h、4 h或1 h[12]。在《水運工程土工合成材料試驗規(guī)程》制定中，為確定合理的溫濕度控制規(guī)定，對18℃～25℃、30%～70%范圍內(nèi)的溫濕度變化對土工膜物理力學(xué)測試結(jié)果的穩(wěn)定性影響進(jìn)行了試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

選用摻加了5%雙抗炭黑母粒的線性低密度聚乙烯土工膜，進(jìn)行了單位面積質(zhì)量試驗、厚度試驗、拉伸試驗、直角撕裂試驗和刺破試驗。采用沖刀裁切制樣，單位面積質(zhì)量試驗、厚度試驗和拉伸試驗均為每組10個試樣，直角撕裂試驗和刺破試驗均為每組7個試樣。厚度試驗試樣重復(fù)使用，并固定厚度測定位置，以避免由樣品的不均勻性引起的測量誤差。直角撕裂試驗依據(jù)為QB/T 1130—1991《塑料直角撕裂性能試驗方法》，其余項目試驗依據(jù)為SL 235—2012《土工合成材料測試規(guī)程》。

溫度選用18℃、21℃和25℃，相對濕度選用30%、50%和70%，正交形成9種不同溫濕度條件，分別進(jìn)行物理力學(xué)試驗。試驗前先進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，時間為24 h，使土工膜在設(shè)定的溫濕度下充分變形至穩(wěn)定狀態(tài)，然后制樣，試驗時控制試驗環(huán)境的溫濕度與狀態(tài)調(diào)節(jié)時一致。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

外部因素對試驗的影響實際上是對測試結(jié)果數(shù)列的影響，表現(xiàn)為對數(shù)列分布集中趨勢、離散程度、分布形狀以及相關(guān)關(guān)系的影響。由于土工合成材料試驗結(jié)果大多呈正態(tài)分布，且不考慮參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，故溫濕度條件對試驗結(jié)果的影響表現(xiàn)為數(shù)值大小的變化和離散特征的變化。采用統(tǒng)計分析方法，選用算數(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)分別反映數(shù)據(jù)的平均水平與集中趨勢、離散程度與離中趨勢以及變異程度。由于變異系數(shù)可以消除量綱和測量尺度的影響，既可以進(jìn)行相同參數(shù)測試結(jié)果的比較，也可以進(jìn)行不同參數(shù)測試結(jié)果的離散性比較。極值的相對偏差為最大值、最小值的絕對偏差與算術(shù)平均值的比值，可以反映測試數(shù)據(jù)的分布寬度和離散程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單位面積質(zhì)量

土工膜單位面積質(zhì)量試驗結(jié)果見表1，不同溫濕度單位面積質(zhì)量測試值的變異系數(shù)均較小，在3.4%～4.1%之間，極值相對偏差也較小，數(shù)據(jù)具有較好的集中趨勢和較小的數(shù)據(jù)分布寬度。溫濕度變化對測試值的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和極值的相對偏差影響不明顯。對不同溫濕度下的單位面積質(zhì)量平均值進(jìn)行離散性分析，發(fā)現(xiàn)其標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和極值相對偏差都很小，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.4 g/m2，變異系數(shù)僅為0.3%，極值相對偏差僅為-0.4%和0.3%，有很好的集中趨勢?？梢哉J(rèn)為土工膜的單位面積質(zhì)量測試具有良好的穩(wěn)定性，18℃～25℃、30%～70%范圍的溫濕度變化對其測試值離散性分布特征和測試結(jié)果的數(shù)值大小影響不明顯。

表1 單位面積質(zhì)量ρA統(tǒng)計分析結(jié)果Table 1 Statistical analysis results of mass per unit areaρA

2.2 厚度

土工膜厚度試驗結(jié)果見表2。由表2可見，9種不同溫濕度下厚度測試值的變異系數(shù)為2.9%～7.0%，數(shù)據(jù)離散程度和變異程度均較小，分布寬度也不大。但與單位面積質(zhì)量相比，測量值數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，這是由于土工膜厚度測量點面積較小，代表性差，容易受材料的不均勻性影響。變異系數(shù)隨溫濕度變化無明顯變化趨勢，21℃時測試數(shù)據(jù)具有相對較好的集中趨勢，25℃時濕度對測試值離散性的影響較大。

表2 厚度δ統(tǒng)計分析結(jié)果Table 2 Statistical analysis results of thicknessδ

對不同溫濕度下的厚度平均值進(jìn)行離散性分析，發(fā)現(xiàn)其變異系數(shù)為6.8%，極值相對偏差為-7.5%和9.5%，相對較小，但仍具有一定的離散性和分布寬度。土工膜厚度值與溫濕度關(guān)系為，厚度隨溫度升高而減小，隨濕度變化趨勢不明顯。這是因為土工膜會隨溫度升高產(chǎn)生延展變形以釋放溫度應(yīng)力，從而厚度降低，對于厚度較小的土工膜不應(yīng)忽視狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗時溫濕度條件變化對厚度測定結(jié)果穩(wěn)定性的影響。

2.3 拉伸

2.3.1 最大拉力

土工膜拉伸斷裂時達(dá)到最大拉力，試驗結(jié)果見表3，不同溫濕度測試值的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和極值相對偏差均較大，具有明顯的離散性、變異性和較大的數(shù)據(jù)分布寬度，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，但數(shù)據(jù)穩(wěn)定性隨溫濕度的變化趨勢不明顯。不同溫濕度最大拉力平均值的離散性有明顯減弱，標(biāo)準(zhǔn)差降低為1.92 N，變異系數(shù)減小為6.7%，但仍具有一定的離散程度和分布寬度，極值相對偏差為-7.7%和10.1%，且18℃～25℃、30%～70%范圍內(nèi)最大拉力隨溫濕度變化趨勢不明顯。土工膜拉伸時間長，最大拉力小，試樣寬度小，試樣僅為6 mm，試驗結(jié)果容易受制樣水平的影響，且土工膜厚度小，厚度不均勻性對結(jié)果的影響較大，在18℃～25℃、30%～70%范圍變化溫濕度，影響最大拉力數(shù)據(jù)離散性、平均水平和集中趨勢的關(guān)鍵因素仍為制樣水平和材料的均勻性，溫濕度對其影響不明顯。

表3 最大拉力T統(tǒng)計分析結(jié)果Table 3 Statistical analysis results of maximum tension T

2.3.2 斷裂伸長率

由表4可見，土工膜斷裂伸長率很大，測試值的變異系數(shù)范圍為4.7%～11.7%，在溫濕度（18℃，50%）和（21℃，70%）時相對較大，有一定的離散性和變異性，但與最大拉力相比具有較好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。斷裂伸長率數(shù)據(jù)離散特性隨溫濕度變化趨勢不明顯，影響其離散特性的關(guān)鍵因素仍為制樣水平和材料均勻性。

表4 斷裂伸長率εP統(tǒng)計分析結(jié)果Table 4 Statistical analysis results of elongation at breakεP

18℃～25℃、30%～70%范圍內(nèi)溫濕度變化，土工膜斷裂伸長率平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為36.3%，變異系數(shù)為4.6%，極值相對偏差為-5.9%和8.2%，相比測試值離散性和分布寬度明顯降低，具有較好的集中趨勢和較弱的變異性。隨溫度升高土工膜斷裂伸長率增大，溫度升高可以使土工膜具有更好的變形能力。

2.4 直角撕裂

土工膜直角撕裂試驗結(jié)果如表5。

表5 直角撕裂強力P統(tǒng)計分析結(jié)果Table 5 Statistical analysis of right angle tearing force P

土工膜直角撕裂強力小，試驗受制樣水平影響較大，直角位置的光滑程度、角度和厚度對試驗結(jié)果有明顯影響，導(dǎo)致試驗具有一定的不穩(wěn)定性。由表5可見，溫濕度為（25℃，30%）和（25℃，70%）時直角撕裂強力測試值的離散性和數(shù)據(jù)分布寬度較大，其他溫濕度測試值的離散性特征和數(shù)據(jù)分布寬度較為接近，直角撕裂強力測試值的變異系數(shù)隨溫度升高有增大趨勢。

對不同溫濕度下的直角撕裂強力平均值進(jìn)行離散性計算，其標(biāo)準(zhǔn)差為1.3 N，變異系數(shù)為6.4%，極值相對偏差為-7.9%和12.3%，具有一定的變異性和分布寬度。直角撕裂強力在相同相對濕度下溫度21℃時、相同溫度下相對濕度30%時的直角撕裂強力最大。

直角撕裂強度為單位厚度的直角撕裂強力，考慮了厚度隨溫濕度的變化，不同溫濕度直角撕裂強度測試值的變異系數(shù)為3.0%～11.9%，直角撕裂強度平均值變異系數(shù)為5.6%，極值相對偏差為-8.5%和6.7%，變異性和數(shù)據(jù)分布寬度較直角撕裂強力縮小，但是數(shù)值離散性和集中趨勢隨溫濕度的變化趨勢更加復(fù)雜。

2.5 刺破

刺破試驗結(jié)果見表6。

表6 刺破強力F統(tǒng)計分析結(jié)果Table 6 Statistical analysis of piercing strength F

由表6可見，不同溫濕度下測試值的離散程度和變異程度較小，數(shù)據(jù)分布寬度不大，且變異系數(shù)、極值相對偏差隨溫濕度變化不明顯，即溫濕度對其數(shù)據(jù)離散性影響不明顯。

對不同溫濕度下的土工膜刺破強力平均值進(jìn)行離散性計算，其標(biāo)準(zhǔn)差為5.0 N，變異系數(shù)為6.1%，（25℃，50%）時刺破強力最小，最小值相對偏差為-14.0%，具有一定的離散性和分布寬度。土工膜刺破強力隨溫度升高而降低，18℃、21℃時不同相對濕度下土工膜的刺破強力非常接近，25℃時相對濕度對土工膜刺破強力的影響增大。

3 結(jié)論與建議

1）土工膜單位面積質(zhì)量測試具有良好的穩(wěn)定性，18℃～25℃、30%～70%范圍的溫濕度變化對其數(shù)據(jù)離散性分布和測試結(jié)果的數(shù)值大小影響不明顯。

2）土工膜的厚度測試具有較好的穩(wěn)定性，但易受材料不均勻性影響，厚度隨溫度升高而降低。

3）土工膜拉伸最大拉力具有明顯的不穩(wěn)定性，受制樣水平和材料均勻性影響較大，受溫濕度變化影響不明顯。斷裂伸長率數(shù)據(jù)穩(wěn)定性明顯好于最大拉力，隨溫度升高斷裂伸長率增大。

4）土工膜直角撕裂試驗的穩(wěn)定性容易受制樣水平影響，變異系數(shù)隨溫度升高有增大趨勢，相同相對濕度下溫度21℃時、相同溫度下相對濕度30%時的直角撕裂強力最大。

5）刺破試驗具有較好的穩(wěn)定性，溫濕度對其數(shù)據(jù)離散性影響不明顯，土工膜刺破強力平均值隨溫度升高而降低。

6）建議土工膜試驗應(yīng)提高制樣水平，嚴(yán)格控制狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗過程的溫度。