土工织物孔径测试方法研究

上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434

土工织物被广泛应用于水利、铁道、公路等工程中，起到过滤、排水、加筋、隔离、防护等作用。孔径作为土工织物的重要物理指标，是水利、交通等工程设计时必须考虑的关键设计参数[1]。由于土工织物的孔径可以反映其透水与保持土颗粒的能力，因此在设计孔径大小时，既要保证水能顺利通过土工织物，又要防止土体的石粒被水流冲走。目前测定土工织物孔径的方法有很多，包括显微镜法、投影放大测读法、泡点法、干筛法、湿筛法等。我国工程业主要使用干筛法进行测试，关于其他方法的研究鲜有文献报道。本文选取3种工艺共9种土工织物，分别采用显微镜法、干筛法、湿筛法和泡点法对9种土工织物的孔径进行测试，通过试验对比分析这4种孔径测试方法的优劣。

1 试验方案

1.1 试验材料

本文选用表1中的9种土工织物进行孔径测试试验。

表1 试验所用样品

1.2 试验方法

1.2.1 显微镜法

(1) 试验原理。将土工织物置于XPF-500C型光学显微镜下，用Image Fiber System软件对土工织物进行图像采集。光照下，纤维不透光呈黑色，而孔隙透光呈白色；利用二值化，即将图像上像素点的灰度值设置为0或255，使整个图像呈现出明显的黑白效果[2]；测量白色区域的面积，并将其换算成等面积圆的直径作为孔径。图1是二值化处理后的土工织物效果图。

(2) 测试方法。于样品非边缘区域随机取样，进行图像拍摄，用Image Fiber System软件计并对其算其孔径面积，最后换算成等面积圆的直径。

图1 二值化处理后的土工织物效果图

1.2.2 泡点法

(1) 试验原理。用具有良好浸润性的液体浸润试样，然后测量气体置换出试样孔隙内的浸润液所需的压力，此时施加的压力p与孔隙的直径D遵循Washburm方程，即p·D=4γcosθ，其中，γ为液体的表面张力，θ为样品与液体的接触角。求解该方程即可获得材料内部孔道的孔径参数。该方法还可获取整个样品的孔径分布曲线，如图2所示。

图2 土工织物的孔径分布曲线

(2) 测试方法。使用Galwick®溶剂将直径为3 cm的样品完全浸润，置入美国Quantachrome仪器公司的Porometer 3G型孔径仪进行测试，其可自动测出结果。

1.2.3 干筛法

(1) 试验原理。将土工织物作为筛网，用已知直径范围的标准颗粒材料进行振筛，称量通过试样的标准颗粒材料质量，然后计算其过筛率，绘制土工织物的孔径分布曲线，从曲线上读出等效孔径O90的值[3]。

(2) 测试方法。将标准颗粒材料按粒径(nm)分为11组，即[45，65)，[65，74)，[74，90)，[90，125)，[125，154)，[154，180)，[180，250)，[250，280)，[280，355)，[355，500)，[500，710)。安装并固定好试样，在其上方均匀洒上50 g标准颗粒材料，摇振10 min，称量通过的颗粒材料质量，计算平均过筛率。再用下一组标准颗粒材料对上述试样进行振筛，如此反复直至平均过筛率小于5%。然后绘制平均过筛率与孔径的关系曲线，其中横坐标(对数坐标)为每组标准颗粒材料粒径的下限值，纵坐标为相应的平均过筛率，则曲线上过筛率为10%的点所对应的直径即为O90。

1.2.4 湿筛法

(1) 试验原理。将土工织物作为筛网，对织物和级配颗粒材料进行喷水，同时进行振筛，振筛完毕后以通过的级配颗粒材料的特定粒径表示试样的有效孔径[4]。

(2) 测试方法。投放一定量的无黏性连续级配、不均匀系数为3～20的颗粒材料，然后对试样进行喷水，并在一定的频率和振幅下振筛10 min，对通过的颗粒材料进行分析，在半对数坐标纸上，以通过的颗粒材料的累计百分比为纵坐标、相应的筛子尺寸为横坐标绘制曲线，找出曲线上纵坐标为90%的点所对应的横坐标值即为O90。

2 试验结果

分别用上述4种孔径测试方法对本文选取的9种样品进行检测，结果如表2所示。

表2 孔径测试结果

分析试验过程可知：

(1) 显微镜法具有直观、测定速度快、分辨率高的优点。此法的缺点是对于较厚的土工织物(如1#～6#)，由于光无法穿透，无法对其孔径进行测量；对于光泽好的土工织物(如7#～9#)，其在光源下的反光强烈，使得成像时纤维也呈白色，需进行后处理才能测量。

(2) 泡点法操作简单，能测出各种孔径并得到孔径分布曲线，可以较为全面、准确地反映出土工织物内部孔径的分布情况，并且适合各种类型的土工织物的孔径测试。但是该方法未考虑润湿液对试样的影响，即润湿液会使不同材质的纤维产生不同程度的溶胀，可能会对土工织物的孔径测试结果造成影响。

(3) 干筛法操作方便且使用的标准颗粒材料与工程现场类似，能较好地模拟工程实际情况。但试验受静电的影响较大，易导致测试结果偏小且离散较大。由于该法测试时所用的最细一组标准颗粒材料的直径为45～65 μm，因此无法测得孔径小于45 μm的土工织物孔径。

(4) 湿筛法所使用的连续级配颗粒材料和水流可以很好地模拟工程中雨水冲刷等实际情况，试验结果稳定且准确性高。但是该法操作过程繁杂，工作量大，试验时间过长。

分析试验结果可知：显微镜法属于直接测试法，其受测试条件所限，所得测试结果与其他3种方法无可比性。间接测试法中，测得的织物孔径由大至小依次为湿筛法、干筛法和泡点法。其中湿筛法和干筛法测得的结果比较接近。这是由于干筛法测试时，标准颗粒材料易受静电作用而被吸附到织物表面，对于厚度较大的非织造土工织物，标准颗粒材料容易淤堵在织物内弯弯曲曲的孔径通道中而不易穿过织物；而湿筛法中的水流不仅可以消除静电吸附作用的干扰，还能充当级配颗粒材料与土工织物之间的润滑剂角色，同时水的流动对级配颗粒形成一定冲击，使得级配颗粒材料更容易通过织物中的孔隙，因此湿筛法测得的孔径比干筛法大。泡点法的测试机理不同于湿筛法和干筛法，单从数值来看，湿筛法测得的结果均在泡点法的1.5倍以上。

3 结语

本文采用4种孔径测试方法对3种工艺的9种样品进行测试，比较分析了这4种方法的优劣，由此可知，显微镜法受限过多，因此不建议采用，干筛法和湿筛法能够较好地模拟工程实际情况，湿筛法和泡点法的适用范围较广，故研究人员可根据需求选用合适的孔径测试方法。鉴于泡点法和湿筛法的测试机理不同，此两者之间更为确切的对应关系尚待进一步研究。