复合土工膜耐酸碱性能试验研究

苏有文，杨婷惠，杨　凯，甘雨平，李　金

(西南科技大学 土木工程与建筑学院, 四川 绵阳621010)

复合土工膜耐酸碱性能试验研究

苏有文，杨婷惠，杨凯，甘雨平，李金

(西南科技大学 土木工程与建筑学院, 四川 绵阳621010)

摘要：复合土工膜因其抗拉强度高、防渗性能好和变形能力强的优点被广泛应用于库区、坝体、人工湖、蓄水池等建筑物的整体与局部防渗加固中，但对其耐酸碱腐蚀性能的研究较少.钻井废液多为腐蚀性液体，对复合土工膜的耐腐蚀性能要求更高.通过对复合土工膜酸、碱试样进行拉伸强度、梯形撕裂强度及CBR顶破强度等进行试验研究，并与干试样的试验结果进行对比分析，确定复合土工膜耐酸碱性能，为其在钻前工程全装配式废水池中的应用提供理论依据.

关键词：复合土工膜；耐酸碱；拉伸强度；梯形撕裂强度；CBR顶破强度

近年来，随着国家对石油、天然气等能源需求日益扩大，缩短油气开发周期对于满足日益增长的需求，促进经济快速发展具有重要意义，而钻前工程施工质量的优劣、施工速度的快慢直接影响整个油气的钻探、开发过程，故提出“钻前废水池模块化、工业化”的理念.废液中常含有大量的腐蚀性介质，如废酸、废碱等.未经防腐处理的钢筋混凝土废水池，2～3个月便出现池表面损坏、强度明显下降等情况.

复合土工膜主要是由土工织物和高分子材料复合而成，由于其高强抗拉性能、良好防渗性能、较强变形能力同时又具有轻质、便于施工、造价低廉等优点，被广泛应用于库区、坝体、人工湖和蓄水池等建筑物的整体与局部防渗加固中[1-3].作为一种新型结构的防渗型土工合成材料，目前的研究多集中在防渗漏、施工工艺、选型等方面，对其耐腐蚀性能的研究较少[4-7]，因此通过对其耐酸碱性能进行研究，将为其在钻前装配式结构中的应用提供一定的理论依据.

1试验设计

水池的抗渗防腐是采用预制模块拼接而成全装配式废水池的成败关键点之一.由于全装配式废水池自身的特点，复合土工膜除了要承受废液压力和张拉力之外，还要满足模块拼缝引起的梯形撕裂、模块错位或地基不均匀沉降等引起的顶破及废液的腐蚀等的要求，因此通过对酸碱浸泡后复合土工膜的拉伸性能、梯形撕裂、CBR顶破性能等方面进行研究，以确定其能否满足钻前全装配式结构抗渗防腐的要求.

1.1试验材料

通过查阅相关的技术规范标准如GB/T 17642—2008《复合土工膜技术标准》[8]并结合钻前工程实际情况，采用某厂家生产的700 g/m2聚乙烯(PE)复合土工膜作为试验材料，具体性能指标：纵向断裂强力12.2 kN/m，横向断裂强力12.3 kN/m，纵向断裂伸长率41%，横向断裂伸长率69%，纵向撕裂强力0.54 kN，横向撕裂强力0.58 kN，CBR顶破强力2.39 kN.按照标准取样方法进行取样，远离端头至少3 m，试样的具体尺寸：拉伸试验、耐腐蚀试验裁剪试样宽度600 mm，长度600 mm，一剪为三，测量试样干、酸、碱纵横方向的力学性能；梯形撕裂试验采用梯形模板试样，测量其干、酸、碱纵横方向的梯形撕裂强度；CBR顶破试验采用直径为230 mm圆形试样，测量其干、酸、碱试样的顶破强度.其中酸试样为浸泡稀硫酸溶液7 d(pH=2)，碱试样为浸泡氢氧化钠溶液7 d(pH=13).

1.2试验方法

1.2.1拉伸强度

按照SL 235-2012《土工合成材料测试规程》[9]，采用GL028土工布综合强力机，调整夹具初始间距并确保试样的最大断裂力在满量程的10%～90%范围内，拉伸速率设定为20 mm/min，试验过程中要严格控制应力并确保夹具与试验的松紧程度，尽量减少其他因素对试验的影响，具体试验装置见图1.

图1　拉伸试验Fig.1　The tensile test

1.2.2梯形撕裂强度

按照SL 235-2012《土工合成材料测试规程》，采用GL028土工布综合强力机，调整夹具初始间距并确保试样的最大断裂力在满量程的10%～90%范围内，试样尺寸严格按照规程要求尺寸，拉伸速率设定为100 mm/min，具体试验装置见图2.

图2　梯形撕裂试验Fig.2　The trapezoid tear test

1.2.3CBR顶破强度

参照SL 235-2012《土工合成材料测试规程》，采用CBR试验仪，调整环形夹具紧绷状态，试样尺寸严格按照规程要求尺寸，顶压速率设定为60 mm/min，顶破过程中保证顶压杆处于垂直状态，具体试验装置如图3所示.

图3　CBR顶破试验Fig.3　The CBR bursting test

2试验结果及分析

2.1试验结果

通过对复合土工膜拉伸试验、撕裂试验和CBR顶破试验研究，根据试验过程中记录的试验数据，去掉由于操作等所导致的误差，计算其均值与方差(变异系数)，具体的试验结果如表1所示.

表1　试验结果

2.2结果分析

2.2.1拉伸强度

复合土工膜的拉应力—应变曲线大致分为3个阶段(图4)：强度上升阶段，布断裂阶段和薄膜受力变形阶段.因为布和膜的变形率不一样，一般是变形率小先发生断裂，接着变形率大单独承担荷载，但复合土工膜的抗拉强度并不是布、膜材料强度的叠加，其强度主要由强度大、变形率小的材料决定.

对比横向试样和纵向试样的变化可以看出：横向断裂强度大于纵向，这主要是因为复合土工膜抗拉强度由于布的方向性，经纬向抗拉强度不同.从试验结果中可以看出：干试样纵向的平均拉伸强力为12.23 kN/m，横向为12.35 kN/m，干试样纵向延伸率为41.5%，横向为56.9%，表1中横向变异系数大于纵向变异系数，因此在实际设计中要考虑土工膜的铺设方向.

通过对比酸、碱和干试样的结果可以发现酸、碱溶液的试样纵横向能承受最大拉伸力与干试样是相反的且低于干试样的拉伸强度，这主要是因为经过浸泡，布含有大量的酸性或碱性液体，在拉伸过程中，由于溶液的存在会导致布之间的张力增大并且影响膜布之间的粘接力.从图4(b，c)可以看出：在抗拉强度上升阶段，由于浸泡酸、碱溶液，弹性模量有所降低，在布的断裂阶段，布拉伸不均匀，存在局部的波动，在膜继续受力阶段，由于液体的存在会导致膜的延伸率略有提高，但总的来说，复合土工膜的强度仍能够满足废水池的基本要求.

1～5—横向试样；6～10—纵向试样图4　试样拉伸强度Fig.4　The sample tensile strength

2.2.2梯形撕裂强度

如果复合土工膜使用过程中长期受到局部集中荷载，就有可能达到其强度极限而被撕裂至破坏.因此，本试验考虑到装配式结构不均匀沉降、错缝等引起的集中力，故对其梯形撕裂强度进行试验.由表1可得：复合土工膜干试样纵向梯形撕裂强度为0.545 kN，横向为0.59 kN，纵向变异系数6.09，横向6.81.酸试样纵向梯形撕裂强度为0.525 kN，横向为0.53 kN，纵向的变异系数5.98，横向6.08.碱试样纵向梯形撕裂强度为0.515 kN，横向为0.52 kN，纵向的变异系数6.01，横向6.12.由数据可知，经过浸泡后，复合土工膜撕裂强度有所下降.从图5可以看出：在梯形撕裂过程中，首先是膜布共同受力，接着当试样中受力的布逐渐上下分开时，膜开始与布产生相对滑动并逐渐靠拢，形成一个近似梯形区域，但由于布本身摩擦阻力的影响，滑动是有限的.在滑动时，张力迅速增大，变形伸长也急剧增加，撕裂力也会由于布的不均匀性出现波动，最后至试样破坏.从梯形撕裂强度机理来看，假设布断裂强度不变，受力梯形的大小直接影响到撕裂强度的大小.从曲线的变化形式可以看出共同受力阶段的变形量低于布断裂阶段的变形量，这说明复合土工膜能够承受较大的变形而不会出现渗漏情况.通过对比复合土工膜纵横向受力变化情况可以看出纵向受力即沿布的方向受力比沿膜的方向受力性能好.

图5　试样梯形撕裂强度Fig.5　The sample trapezoid tear strength

2.2.3CBR顶破强度

复合土工膜顶破强度是指当其局部受到垂直于其平面的外力作用时鼓起扩张至破裂的强度.作为衡量复合土工膜抵抗局部垂直力破坏的指标，CBR顶破强度主要是确定复合土工膜承受垂直方向顶破力的最大值.从表1可以看出：复合土工膜干试样的CBR顶破力的平均值为2.41 kN，酸试样的CBR顶破力的平均值为2.69 kN，碱试样的CBR顶破力的平均值为2.51 kN，经过浸泡，试样的顶破强度有所增加，主要是在顶破过程中，由于液体的张力，在顶破过程中会使布的受力更均匀，变形更大.从图6可以看出：在顶破过程中，复合土工膜需要承受多向不均匀的顶破力，会产生各向伸长，沿纵横两个方向张力复合的剪应力，使复合土工膜在变形最大、强度最薄弱的一点先断裂，接着沿纵向或横向撕裂.顶破过程布和膜由于垂直力并未出现分离的现象，而是共同受力且近似为线弹性阶段.通过对比干、酸、碱试样可以看出：酸、碱试样由于含有溶液的原因，在顶破力的转折点较平缓，不会出现急剧顶破的现象且其顶破强度大于干试样的顶破强度.

图6　CBR顶破强度Fig.6　The sample CBR bursting strength

3结论

复合土工膜是由土工织物和土工膜复合而成，可以实现功能互补，试验得出了复合土工膜是布和膜相互作用并且其变形率取决于变形率小的材料.通过试验可得到：经过酸碱溶液浸泡后，复合土工膜拉伸强度有所下降，变异系数有所减小，离散性变小；经过酸碱溶液浸泡后，复合土工膜撕裂强度下降10%左右且横向下降率大于纵向，但变形率提高；经过酸碱溶液浸泡后，复合土工膜CBR顶破强度提高，变形率增加.综上所述，700 g/m2聚乙烯(PE)复合土工膜耐腐蚀性能良好，能够满足钻前工程的要求.

参考文献：

[1]陈维国.土工膜用于喀斯特库区防渗应用研究[D].成都:四川大学，2003.

[2]李文国.库盘大面积土工膜防渗体机械化施工方法与流水作业技术研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学，2008.

[3]土工合成材料工程应用手册编委会编．土工合成材料工程应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994：107-150.

[4]石希，赵殿鹏，徐婕，等.基于最小二乘法的混凝土相关性曲线的研究[J].浙江工业大学学报，2014，42(4):388-392.

[5]束一鸣.我国水库大坝土工膜防渗工程进展[J].水利水电科技进展，2015(5):661-664.

[6]王敏，孙亚东.土工合成材料在水利工程防渗中的应用[J].中国新技术新产品，2015(2):1104-1107.

[7]徐彩芝.复合土工膜防渗心墙方案的经济合理性分析[J].内蒙古水利，2014(4):143-145.

[8]中国国家标准化管理委员会.复合土工膜技术标准:GB/T 17642—2008[S].北京：中国标准出版社，2009:6-1.

[9]中国土工合成材料工程协会，南京水利科学研究院，中国水利水电科学研究院，等.土工合成材料测试规程:SL 235—2012[S].北京：中国水利水电出版社，2012:5-12.

(责任编辑：刘岩)

Experimental study on corrosion resistance of composite geomembranes

SU Youwen, YANG Tinghui, YANG Kai, GAN Yuping, LI Jin

(College of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Abstract:With its high tensile strength, good anti-seepage performance, and strong deformation, geomembranes are widely used in reservoir areas, dams, artificial lakes, reservoirs, and other buildings for whole and partial seepage and reinforcement, but few studies on the acid and alkali resistance properties are seldom reported. The waste liquid of drilling is corrosive and a higher corrosion resistance is required for geomembranes. Through tests on the tensile strength, trapezoidal tear strength, and CBR bursting strength of acid and alkali geomembrane samples and comparisons with the test results of dry geomembrane samples, the acid and alkali resistance properties are determined, which provides a theoretical reference for the application of fully assembled structures in waste water pools.

Keywords:geomembrane; acid and alkali resistance; tensile strength; trapezoidal tear strength; CBR bursting strength

收稿日期：2015-11-30

基金项目：四川省钻前重点工程模块化高效施工技术研究项目(CQ2012B-33-2-2)

作者简介：苏有文(1970—)，男，四川资阳人，副教授，研究生导师，主要从事工程项目管理、工程质量控制与检测等方向的研究，E-mail：suyouwen123@126.com.

中图分类号：TV441

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)04-0456-05