孔雀河水利工程中使用的两种土工布耐久性试验

杨川江

（新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 和静 841305）

0 引言

土工布是片状、条状或纺织纤维形式的合成产品，无论是机织的还是非织造的，其中至少一种成分是聚合物（合成的或天然的）[1]。土工布具有抗拉强度高、水力学特性优良、延伸性好等优点，在水利工程中常被用来排水、过滤、防护、加固和防渗[2]。考虑到这类材料具有一定的长期性能，可能存在多种降解机制（紫外光降解、辐射降解、化学降解、水解降解、氧化降解和生物降解）影响它们的使用寿命，这些降解机制既可能独立作用也可能协同作用[3]。因此，在温度条件和机械应力下，由于与环境因素的相互作用，土工织物可能会发生降解。学者对聚乙烯在各种化学物质的水解降解作用下的行为进行了大量研究[4～5]。有两种类型的水解降解会影响土工合成材料的耐久性，即通过破坏聚合物链的内部或外部降解[6]，要么贯穿聚乙烯的横截面（内部水解），要么在表面（外部水解）。另一种常见的降解机理是氧化，通过这一过程，材料的元素在暴露于氧气时失去电子，其化合价相应增加，造成了分子量损失，这将对土工织物材料产生重大影响，使其产生变脆、表面开裂、变色等劣化现象，这进一步导致了机械强度的损失。聚丙烯和聚乙烯土工织物的氧化稳定性可以通过烘箱老化试验来确定[6]。考虑水解降解和氧化降解这两种主要影响土工布性能的机制，本文对用于开都-孔雀河水利工程中河岸防护的土工布进行耐久性试验，进而评估这两种机制导致土工布的老化程度。

1 材料和试验

用于实验室测定的两种土工布来自于开都-孔雀河水利工程河岸防护使用的材料。土工布A（见图1 a）常用于河岸以防止侵蚀，由无纺多层彩色聚丙烯纤维、白色聚酯纤维和砂石垫层制成。土工布B（见图1b），是一种由短纤维制成的非织造土工织物（聚丙烯和聚乙烯），可用于不同的工程，其应用包括分离、过滤、保护和排水。

图1 两种土工布材料图

为了确定土工织物在可能影响机械性能环境中的性能，将两种材料的样品置于不同的温度和酸碱度条件下，对它们按表1的测试条件（时间、温度、酸碱度、试剂）进行耐久性试验。

表1 两种降解机制的实验室条件

采用试验机MP 0.5 t（型号97），在室温下以约1.3 mm/min的恒定速度进行拉伸试验。抗拉强度使用以下关系式来确定：

式中：αf为抗拉强度，N/m；Ff为最大断裂载荷，N；Wf为测试样品的规定宽度，m。

此外，使用以下公式来确定延伸率：

式中：li为样品的初始长度，mm；lf为拉伸试验后试样的最终长度，mm。

为了确保重现性，所有试验都进行3次，3个试验值的平均值（这些值之间的差值不超过平均值的10%）作为试验结果。拉伸试验后，分析试样的破坏模式，还要考虑破坏类型、面积和位置等特征。

2 水解降解

为了评估酸性环境对土工布性能的影响，将样品保存在酸性环境中（盐酸的水溶液与土壤混合，保持土壤持续湿润），而对于碱性环境，将样品保存在碱性土壤中，其中含有粉末状氢氧化钙。图2 显示了经受30 d 水解降解的土工织物材料的抗拉强度。酸性环境降解导致土工布A 的机械强度从26.00 kN/m（参考值）下降到23.42 kN/m，下降9.9%，碱性环境仅导致抗拉强度值下降5.0%。然而，土工布B的抗拉强度下降较为明显，酸性环境下的降解使样品的抗拉强度从22.10 kN/m（参考值）下降到14.25 kN/m，降低了35.5%；在碱性环境中，样品的抗拉强度从22.10 kN/m（参考值）下降到15.75 kN/m，降低了约28.7%。可以看出，酸性环境比碱性环境更具破坏性。水解过程中羟基离子（OH-）向聚合物结构的对流和扩散传输现象使得抗拉强度的降低，此外，水分在这一化学过程中可能起到了类似于催化剂的作用。

图2 水解降解后两种土工合成材料的抗拉强度

延伸率也是重要的一个评估参数，试验结果表明在样品经受酸性环境试验的情况下具有较高的延伸率（见图3），土工布A的平均值增加了约56%，这可能提升了材料应用场景的灵活性。土工布B的延伸率约为24%。这可能是短纤针刺非织造土工布B 对于酸碱性的敏感程度并不如复合土工布A，但是酸性和碱性环境的确会提高聚合物纤维的柔韧性。

图3 土工布水解后的延伸率

关于机械测试的另一个分析参数是破坏模式，对于处于酸性环境的样品显示出在顶部/底部呈现破坏的趋势，说明样品两端受到了更大的应力。在碱性环境损坏的土工织物样品在测试区域的中间显示破坏的趋势。这说明pH值不仅会改变土工布内部应力分布，而且不同类型的土工布对于pH 值的反应情况也会不同。

3 氧化降解

对两种材料进行氧化试验，通过测定材料的抗拉强度来评估所分析的土工织物的抗氧化性，两种材料氧化试验抗拉强度见图4。由图4 可知，土工布A 的抗拉强度降低了约10%，而土工布B 的抗拉强度却降低了47%。这说明土工布B的抗氧化能力不如土工布A。这可能是由于氧对聚合物纤维的作用导致聚合物链断裂，从而降低机械阻力。因此所分析的土工合成材料的不同性能可能会受到聚合物的性质、结晶度、纤维厚度等影响。

图4 氧化降解后土工织物的抗拉强度

受氧化降解后样品的延伸率见图5。结果表明土工布A 的延伸率优于参考值。这种现象是由于这种土工合成材料是由聚乙烯和聚酯纤维制成的复合材料，因为聚酯纤维在其结构中含有羧基（-COO-），氧化介质对纤维的作用可能不同。对于完全由聚烯烃纤维（聚丙烯和聚乙烯）制成的土工布B，测定的延伸率低于参考值。因此在土工布中加入适量的聚酯纤维作为复合材料，可以提高延伸率，特别是在氧化条件下。而且单纯由聚烯烃纤维制成的土工布受到氧化影响会使得材料延伸率有明显的下降。

图5 氧化降解后土工织物的延伸率

受氧化降解的两种土工织物的破坏模式表明：土工布B 和土工布A 均倾向于在顶部/底部发生破坏，这是因为氧化使得两端受到了更大拉应力，两种材料氧化后的破坏模式是相似的。

4 结语

对所分析的两种土工布的性能测试表明，酸性环境对土工织物的损害大于碱性环境。同时pH值不仅会改变土工布内部应力分布，而且不同类型的土工布对于pH值的反应情况也会不同。相比于土工布A，土工布B 在氧化和水解的影响下表现出较高的降解倾向。考虑到大多数反应发生在聚合材料的表面，同时由于材料的厚度减小使得它对外部环境的抵抗能力降低，因此这种现象是可以理解的。水解降解后的延伸率一般会高于氧化降解后的延伸率，这是由于该过程中的化学反应影响了合成纤维的柔韧性。而且，在土工布中加入适量的聚酯纤维作为复合材料，可能提高延伸率，特别是在以氧化降解为主要降解作用的情况下。而单纯由聚烯烃纤维制成的土工布受到氧化影响可能会使得材料延伸率有明显的下降。