導水加筋土工織物的力學和芯吸性能分析

梁 潔 邵慧奇 季小強 邵光偉 梁訓美 蔣金華 陳南梁

1. 東華大學 a.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心,b.紡織學院,c.紡織科技創(chuàng)新中心,上海 201620;2. 常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司,江蘇 常州 213135;3. 山東路德新材料股份有限公司,山東 泰安 271025

土工織物是建筑行業(yè)及其他各種工程建設(shè)中不可或缺的一部分,其制作簡單、成本低廉,在工程應(yīng)用中具有良好的使用效果,并且產(chǎn)品隨著時代的進步而不斷發(fā)展創(chuàng)新。土工織物具備加筋、排水、防護、隔離、過濾、防滲等功能[1],廣泛應(yīng)用于地基加固、邊坡綠化、公路、鐵路、水利、環(huán)保等工程領(lǐng)域[2]。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,高等級公路的建設(shè)進程在不斷推進,于是對道路建設(shè)技術(shù)和質(zhì)量標準也提出了更高的要求。路面水分積滯是影響道路使用性能與使用壽命的主要因素。路面水分積滯會加速路面破壞,引起路基變形、道路凍脹及邊緣出現(xiàn)裂縫等問題。因此,提高道路防排水設(shè)計的有效性極其重要[3]。公路防排水系統(tǒng)中的土工織物作為一種排水材料,可將積滯在路基范圍內(nèi)的水分排至路面和路基結(jié)構(gòu)外,從而改善道路的使用性能,提高路面使用壽命[4]。然而,傳統(tǒng)的土工織物只適用于飽和土壤條件,可以在飽和條件下排出游離水,而大多數(shù)路面系統(tǒng)是非飽和的,故使用傳統(tǒng)的土工織物難以排出大多數(shù)路面內(nèi)部的水分[5]。近年,TenCate公司研發(fā)出一款毛細導水土工織物,經(jīng)試驗證實,其能在非飽和的土壤中發(fā)揮排水作用[6-9]。毛細導水土工織物是功能性土工織物的重要發(fā)展方向,為解決道路排水問題提供了良好的思路。然而,目前關(guān)于毛細導水土工織物制備工藝與性能探討方面的研究較少,極大地影響了其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

用于道路建設(shè)的土工織物還應(yīng)具備較高的強度,這樣便可作為加筋材料用于工程建設(shè)活動中。力學性能良好的土工織物可分擔土體中的應(yīng)力,提高土壤的整體強度,以及地基的承載能力與穩(wěn)定程度[10]。基于此,本文嘗試設(shè)計制作一種兼具毛細導水和加筋增強效應(yīng)的復合型土工織物,探究這種導水加筋土工織物的制備工藝,并測試和分析其力學性能與芯吸性能。研究旨在為提高我國功能性土工織物產(chǎn)品質(zhì)量,拓寬其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗材料采用線密度為66.7 tex(600 D)的4DG尼龍紗線和線密度分別為111.1 tex(1 000 D)、488.9 tex(4 400 D)和977.8 tex(8 800 D)的滌綸長絲,均產(chǎn)自尤夫高新纖維股份有限公司。導水加筋土工織物的織制使用江陰市通源紡機有限公司生產(chǎn)的SGA598型半自動小樣織機。

1.2 導水加筋土工織物的制備

導水加筋土工織物采用機織方式加工而成。本文設(shè)計了具有排水通道與加筋結(jié)構(gòu)的織物組織。導水加筋土工織物的上機圖如圖1所示。使用半自動小樣織機制備導水加筋土工織物試樣,織造流程如圖2所示。

圖1 導水加筋土工織物的上機圖Fig.1 Looming draft of drainage reinforced geotextiles

本文的導水加筋土工織物采用2種不同的緯紗與經(jīng)紗交織而成,其緯向截面如圖3所示。2種緯紗分別起排水和加筋作用,其中,圓形截面的緯紗為排水紗線,橢圓形截面的緯紗為加筋紗線。1個組織循環(huán)由3根排水紗線與2根加筋紗線按規(guī)律排列形成。

采用4DG尼龍紗線作為排水紗線。4DG尼龍纖維的顯微照片如圖4所示,可以看出,與普通呈圓形截面的合成纖維不同,4DG尼龍纖維表面沿長度方向呈現(xiàn)出細條狀溝槽,纖維直徑約為12 μm,溝槽寬度為3～6 μm。溝槽的存在增大了纖維的比表面積,使其表面可吸附的水分子數(shù)增加,吸濕性提高。同時,4DG尼龍纖維表面的溝槽可形成直徑遠小于土壤顆粒間縫隙的多排水通道,所產(chǎn)生的毛細芯吸效應(yīng)可從非飽和土壤中吸收水分,并沿排水通道將水分輸送至土體外,表現(xiàn)出較好的排水性[11]?；诖?本文采用4DG尼龍紗線實現(xiàn)土工織物良好的導濕和排水性能。

圖2 織造流程Fig.2 Weaving flow diagrams

圖3 導水加筋土工織物的緯向截面Fig.3 Weft cross-section of drainage reinforced geotextiles

圖4 4DG尼龍纖維的顯微照片F(xiàn)ig.4 Micrographs of 4DG nylon fibers

加筋土工織物通常采用高強、高模紗線用于承擔主要的作用力,減少地基不均勻沉降,提高施工土體的安全性[12]。滌綸長絲具有優(yōu)良的力學性能和蠕變特性,其韌性好、耐老化、耐高溫,生產(chǎn)工藝成熟,并且市場占有率高?；诖?本文采用滌綸長絲作為加筋紗線,導水加筋土工織物的經(jīng)紗也采用滌綸長絲。其中,經(jīng)紗使用線密度為111.1 tex的滌綸長絲,緯紗選用表1所示的不同線密度的4DG尼龍紗線與滌綸長絲的組合,制備6種不同的導水加筋土工織物試樣。將排水紗線線密度為66.7 tex的土工織物試樣簡記為D1土工織物,排水紗線線密度為133.4 tex的土工織物試樣簡記為D2土工織物。試驗用紗線均為無捻紗線,其中133.4 tex(1 200 D)的排水紗線是由2股66.7 tex的4DG尼龍紗線合股而成的,1 466.7 tex(13 200 D)的加筋紗線是由線密度分別為488.9 tex和977.8 tex的滌綸長絲合股而成的。

表1 緯紗線密度組合Tab.1 Combination of weft yarn linear density

2 性能測試

導水加筋土工織物主要用于對路基產(chǎn)生排水與加筋作用,因此需具備一定的排水能力與力學性能。測試導水加筋土工織物試樣的芯吸性能以評估其排水性能,并對試樣進行拉伸性能、撕破性能和靜態(tài)頂破性能試驗(CBR法),以考核其力學性能。按GB/T 17640—2008《土工合成材料 長絲機織土工布》中的規(guī)定,長絲機織土工織物的基本力學性能要求如表2所示。

表2 長絲機織土工織物的基本力學性能要求

2.1 面密度與厚度

導水加筋土工織物面密度(單位面積質(zhì)量)按GB/T 13762—2009《土工合成材料 土工布及土工布有關(guān)產(chǎn)品單位面積質(zhì)量的測定方法》進行測試。從織物整個寬度和長度方向上裁取10塊面積為100 cm2的試樣,稱取試樣質(zhì)量,再計算面密度,結(jié)果取平均值。

導水加筋土工織物厚度使用YG141N型數(shù)字式織物厚度儀測試,壓腳面積為2 000 mm2,加壓壓力為400 cN,每種試樣至少測試5次,結(jié)果取平均值。

2.2 單紗拉伸性能

使用MTS E42.503型電子萬能試驗機測定單根紗線的斷裂強力,每種紗線取20根試樣。設(shè)置隔距長度為100 mm,以200 mm/min的速率將試樣拉伸至斷裂,記錄斷裂強力和斷裂伸長,測試結(jié)果取平均值。

2.3 導水加筋土工織物的拉伸性能

使用XS(082)系列萬能材料試驗機測定導水加筋土工織物的斷裂強度,每種織物沿經(jīng)向和緯向各取5塊試樣,試樣寬度為50 mm,夾鉗隔距為100 mm,試樣尺寸為50 mm×200 mm。為盡可能減少試樣受損,避免試樣滑移,對夾在鉗口面內(nèi)的試樣表面,用膠水黏以尺寸為50 mm×50 mm的夾網(wǎng)布材料。將試樣夾持于萬能材料試驗機的夾鉗中,以20 mm/min的拉伸速率在試樣長度方向施以載荷直至試樣被拉伸斷裂,記錄斷裂強度,結(jié)果取平均值。

2.4 導水加筋土工織物的撕破性能

根據(jù)GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破強力的測定》,使用XS(082)系列萬能材料試驗機測試導水加筋土工織物的撕破性能。沿試樣經(jīng)、緯向各裁取5塊試樣,試樣尺寸為75 mm×200 mm,按圖5所示用梯形樣板在每個試樣上畫一個等腰梯形,在梯形短邊的中心位置剪一個長約15 mm的切口。由于試樣撕破強力較大且容易滑脫,對夾在鉗口面內(nèi)的試樣表面,用膠水黏以夾網(wǎng)布材料。設(shè)定夾鉗間距為25 mm,拉伸速度為50 mm/min,試樣在寬度方向沿切口逐漸撕裂,測定撕破強力,測試結(jié)果取平均值。

圖5 梯形樣板Fig.5 Trapezoidal template

2.5 導水加筋土工織物的頂破性能

根據(jù)GB/T 14800—2010 《土工合成材料 靜態(tài)頂破試驗(CBR法)》,使用XS(082)系列萬能材料試驗機測試導水加筋土工織物的CBR頂破強力。從每種織物上各剪取5塊試樣,將試樣固定在儀器夾持系統(tǒng)的夾持環(huán)之間,以50 mm/min的速率移動頂壓桿直至穿透試樣,測定其頂破強力,測試結(jié)果取平均值。

2.6 導水加筋土工織物的芯吸性能

采用靜態(tài)垂直芯吸測試方法對導水加筋土工織物的芯吸性能進行測試與表征。該方法用芯吸時間來表征織物的芯吸能力。將導水加筋土工織物試樣與普通機織排水土工織物試樣(后文簡稱機織對比樣,由徐州中禹紡織有限公司生產(chǎn),面密度為500 g/m2,原料為滌綸)沿經(jīng)向和緯向各剪取5塊試樣,試樣尺寸為50 mm×100 mm。將試樣的上端夾在毛細管效應(yīng)測定儀的試樣夾上,在試樣下端夾上張力夾以使試樣保持垂直狀態(tài),將紅色試液倒入試液槽內(nèi),調(diào)整試樣位置使試樣底端與液面平齊后開始計時,當紅色試液上升至試樣的上端時,停止計時,記錄整塊織物的芯吸時間并調(diào)整試樣位置使其移開液面,測試結(jié)果取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 紗線原料力學性能

紗線是機織物的基本組成單元,單紗拉伸性能在一定程度上影響土工織物的拉伸性能[13]。本文使用的紗線原料的拉伸曲線如圖6所示。由圖6a)可以看出,4DG尼龍紗線的斷裂強力較低,線密度為66.7 tex的4DG紗線的斷裂強力約為22.2 N,線密度為133.4 tex的4DG紗線的斷裂強力約為43.6 N,即2根66.7 tex的4DG紗線合股后,其斷裂強力約為66.7 tex的4DG紗線斷裂強力的2倍,而斷裂伸長值幾乎不變。111.1 tex滌綸長絲的斷裂強力約為85.7 N,可作為經(jīng)紗使用。由圖6b)可以看出,488.9、977.8和1 466.7 tex滌綸長絲的斷裂強力均較大,分別約為310.8、662.3和917.6 N,可作為加筋材料使用,且三者的斷裂伸長接近。488.9 tex和977.8 tex滌綸長絲合股得到的1 466.7 tex紗線的斷裂強力略小于兩者斷裂強力之和,是因為兩者的斷裂伸長不同,導致拉伸合股紗時紗線的斷裂不同時,合股紗的單紗強力利用率下降。

圖6 紗線的拉伸曲線Fig.6 Tensile curves of yarns

3.2 導水加筋土工織物的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

導水加筋土工織物的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。由表3可知,排水紗線的線密度相同時,隨著加筋紗線線密度增大,試樣的厚度與面密度增加,單位長度織物中緯紗組織循環(huán)數(shù)減少,且加筋紗線線密度由488.9 tex增至977.8 tex時,緯紗組織循環(huán)數(shù)的減小幅度較加筋紗線線密度由977.8 tex增至1 466.7 tex時的大;加筋紗線的線密度相同時,隨著排水紗線線密度增大,導水加筋土工織物的厚度也增加,面密度則有所下降。

表3 導水加筋土工織物的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Basic structural parameters of drainage reinforced geotextiles

3.3 導水加筋土工織物的力學性能

3.3.1 拉伸性能

拉伸性能是土工織物最基本也是最重要的力學性能指標。在對土工織物進行加筋應(yīng)用設(shè)計時,要求其具備足夠的抗拉強度和伸長率。6種試樣的經(jīng)、緯向抗拉強度和伸長率測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 導水加筋土工織物的抗拉強度和伸長率Fig.7 Tensile strength and elongation of drainage reinforced geotextiles

由圖7a)可知,當排水紗線線密度相同時,隨著加筋紗線線密度增大,導水加筋土工織物試樣的經(jīng)向抗拉強度小幅下降。這是因為加筋紗線線密度增大后會變粗,使經(jīng)紗屈曲程度增大,經(jīng)紗與加筋紗線間的織造角增大,使得經(jīng)紗沿拉伸方向的受力減小,抗拉強度下降。當加筋紗線線密度相同時,采用線密度較大的排水紗線制備的導水加筋土工織物,其經(jīng)向抗拉強度增大。這可能是由于排水紗線線密度增大會使紗線寬度增加,經(jīng)紗與排水紗線間的包圍角減小,從而使經(jīng)紗沿拉伸方向所能承受的作用力增大,抗拉強度增加。

由圖7b)可以看出,在本文的試驗研究范圍內(nèi),當排水紗線的線密度相同時,增大加筋紗線線密度,所得導水加筋土工織物的緯向抗拉強度增加。這是因為紗線的拉伸性質(zhì)對織物的拉伸性質(zhì)起主要作用,紗線斷裂強力越大,織物的拉伸強力通常也越大。加筋紗線線密度增大會導致其斷裂強力增大,從而使織物的緯向抗拉強度增加。當加筋紗線線密度相同時,增大排水紗線線密度,所得導水加筋土工織物的緯向抗拉強度下降,原因是由圖6可知,4DG紗線的斷裂強力遠小于滌綸長絲的斷裂強力,故試樣拉伸性能主要受加筋紗線影響。增大排水紗線線密度后,單位長度織物中加筋紗線的根數(shù)減少,導致試樣緯向抗拉強度下降。

由圖7c)和圖7d)可以看出,導水加筋土工織物的緯向伸長率高于經(jīng)向伸長率,這與經(jīng)紗斷裂伸長率低于緯紗的有關(guān)。

3.3.2 撕破性能

土工織物在現(xiàn)場鋪設(shè)和實際使用過程中,會不可避免地受到撕扯作用而產(chǎn)生不同程度的破損。撕破強力反映土工織物在有破損裂口情況下抵抗裂口繼續(xù)擴大的能力,可用于模擬現(xiàn)場鋪設(shè)時土工織物抵抗外力的性能和估計撕裂土工織物的相對難易程度[14]。6種導水加筋土工織物試樣的經(jīng)緯向撕破強力測試結(jié)果如圖8所示。

織物被撕裂時,裂口處形成一個撕裂三角形,撕破強力大小與紗線間的交互作用及紗線的斷裂強力等因素有關(guān),紗線間交互作用越強,紗線斷裂強力越大,織物撕破強力越大。

圖8 導水加筋土工織物的撕破強力Fig.8 Tear strength of drainage reinforced geotextiles

從圖8a)可以看出,排水紗線線密度相同時,增大加筋紗線線密度,導水加筋土工織物的經(jīng)向撕破強力下降。由于加筋紗線線密度增大后,單位長度織物中緯紗組織循環(huán)數(shù)減少且相差較大,此時影響織物試樣撕破強力的主要因素是撕裂三角區(qū)內(nèi)紗線間的交互作用。在經(jīng)紗密度相同的情況下,加筋紗線線密度增大,單位長度內(nèi)經(jīng)緯紗接觸點數(shù)量減少,拉伸時經(jīng)緯紗線間的交互作用減少,撕破強力下降。同理,加筋紗線線密度相同時,排水紗線線密度增大,導水加筋土工織物的經(jīng)向撕破強力下降。

從圖8b)可以看出,D1-2試樣較D1-1試樣、D2-3試樣較D2-2試樣的緯向撕破強力小,由于D1-1試樣和D2-3試樣單位長度內(nèi)經(jīng)緯紗交織點數(shù)分別是6塊試樣中最多和最少的,此時經(jīng)緯紗交織點數(shù)量可能對其緯紗斷裂強力產(chǎn)生較大的影響,即D1-2試樣與D2-3試樣撕裂三角區(qū)內(nèi)織物經(jīng)緯紗間交互作用低,緯紗易滑移,導致其緯紗撕破強力低。當織物試樣的緯紗循環(huán)數(shù)適中,即交織點數(shù)適中且加筋紗線在總緯紗中占比較多時,加筋紗線斷裂強力對織物試樣的撕破強力起主要影響且為正相關(guān)作用,故D1-3試樣較D1-2試樣、D2-2試樣較D2-1試樣的緯向撕破強力有所增加。當加筋紗線線密度相同時,排水紗線線密度增大,織物的緯向撕破強力下降。原因是4DG紗線的斷裂強力遠小于滌綸長絲的,對緯向撕破強力的貢獻小,織物試樣的撕破強力主要由受力三角區(qū)內(nèi)加筋紗線的數(shù)量決定,排水紗線線密度增大會使單位長度織物中同時受力的加筋紗線根數(shù)減少,導致織物試樣的緯向撕破強力下降。

3.3.3 頂破性能

在工程應(yīng)用中,土工織物會受到土壤中不同粒徑顆粒的頂壓作用。土工織物的頂破強力可反映其抵抗垂直于材料平面的法向壓力的能力,模擬凹凸不平地基的作用和上部塊石壓入的影響[15]。6種試樣的頂破強力測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 導水加筋土工織物的頂破強力Fig.9 Bursting strength of drainage reinforced geotextiles

由圖9可知,排水紗線線密度相同時,加筋紗線線密度較大的織物試樣的頂破強力較大。這是因為機織物在受頂壓桿作用時,抵抗該頂破力作用的主要為經(jīng)緯紗線間的拉伸力與摩擦力。一般而言,織物材料的斷裂強力越高,織物頂破強力也越大,而加筋紗線斷裂強力較大,對織物試樣的強力起主導作用,故隨著加筋紗線線密度的增大,其斷裂強力增大,織物試樣的頂破強力隨之增大。

由圖9還可以看出,加筋紗線線密度相同時,排水紗線線密度增大,織物試樣的頂破強力增大。這是因為機織物頂破時織物各個方向均受頂破力作用,頂破力首先使變形能力小的方向上強度小的紗線發(fā)生斷裂,當加筋紗線在總緯紗中的占比接近時,織物頂破強力主要與其強力最弱方向上的拉伸強力有關(guān),即主要受經(jīng)向拉伸強力的影響,織物經(jīng)向拉伸強力越大,其頂破強力越大。由圖7a)可知當加筋紗線線密度相同時,排水紗線線密度大的織物試樣的經(jīng)向抗拉強度大,故織物頂破強力隨著排水紗線線密度的增大而增大。

3.4 導水加筋土工織物的芯吸性能

導水加筋土工織物主要依靠其紗線原料產(chǎn)生的毛細芯吸效應(yīng)從非飽和土壤中吸收水分,并沿排水通道將水分輸送至土體外。土工織物的芯吸性能可用于表征其將水分傳遞至織物外部的能力,織物芯吸時間越短,則對水分的傳導速度越快,芯吸性能越好。

織物試樣的芯吸性能測試結(jié)果如表4所示。由測試結(jié)果可知,導水加筋土工織物的經(jīng)、緯向芯吸時間差異較大,這主要是經(jīng)緯方向上紗線材料芯吸性能的差異導致的。導水加筋土工織物試樣的緯向芯吸時間短,呈現(xiàn)出明顯的毛細現(xiàn)象,與機織對比樣的緯向芯吸時間相差很大,表明導水加筋土工織物排水方向(緯向)上的芯吸性能較普通機織土工織物明顯提升,這與導水加筋土工織物所使用的紗線原料芯吸性能較強有關(guān)。所有試樣中,排水紗線線密度為66.7 tex、加筋紗線線密度為488.9 tex的D1-1試樣的緯向芯吸時間最短,芯吸性能最好,這可能是由于D1-1試樣的緯組織循環(huán)數(shù)最多,織物內(nèi)紗線與紗線之間形成的毛細管排水通道多,從而使水分更易傳輸。導水加筋土工織物的經(jīng)向芯吸時間較長,較機織對比樣的無顯著差異。

表4 織物靜態(tài)垂直芯吸測試結(jié)果Tab.4 Static vertical wicking test results of fabrics

4 結(jié)論

(1)導水加筋土工織物的抗拉強度呈現(xiàn)出典型的各向異性,增大排水紗線線密度可使其經(jīng)向抗拉強度增加,但緯向抗拉強度下降;增大加筋紗線線密度,可使土工織物緯向抗拉強度增加,但經(jīng)向抗拉強度下降。

(2)當導水加筋土工織物的排水紗線線密度相同時,加筋紗線線密度增大,織物的經(jīng)向撕破強力下降,頂破強力則呈增大趨勢。當導水加筋土工織物的加筋紗線線密度相同時,排水紗線線密度增大,織物的撕破強力下降,頂破強力有所增大。

(3)導水加筋土工織物在其排水方向上的芯吸性能良好,與普通機織排水土工織物相比芯吸性能優(yōu)異。