导水加筋土工织物的力学和芯吸性能分析

梁 洁 邵慧奇 季小强 邵光伟 梁训美 蒋金华 陈南梁

1. 东华大学 a.产业用纺织品教育部工程研究中心,b.纺织学院,c.纺织科技创新中心,上海 201620;2. 常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司,江苏 常州 213135;3. 山东路德新材料股份有限公司,山东 泰安 271025

土工织物是建筑行业及其他各种工程建设中不可或缺的一部分,其制作简单、成本低廉,在工程应用中具有良好的使用效果,并且产品随着时代的进步而不断发展创新。土工织物具备加筋、排水、防护、隔离、过滤、防渗等功能[1],广泛应用于地基加固、边坡绿化、公路、铁路、水利、环保等工程领域[2]。

随着我国经济的快速发展,高等级公路的建设进程在不断推进,于是对道路建设技术和质量标准也提出了更高的要求。路面水分积滞是影响道路使用性能与使用寿命的主要因素。路面水分积滞会加速路面破坏,引起路基变形、道路冻胀及边缘出现裂缝等问题。因此,提高道路防排水设计的有效性极其重要[3]。公路防排水系统中的土工织物作为一种排水材料,可将积滞在路基范围内的水分排至路面和路基结构外,从而改善道路的使用性能,提高路面使用寿命[4]。然而,传统的土工织物只适用于饱和土壤条件,可以在饱和条件下排出游离水,而大多数路面系统是非饱和的,故使用传统的土工织物难以排出大多数路面内部的水分[5]。近年,TenCate公司研发出一款毛细导水土工织物,经试验证实,其能在非饱和的土壤中发挥排水作用[6-9]。毛细导水土工织物是功能性土工织物的重要发展方向,为解决道路排水问题提供了良好的思路。然而,目前关于毛细导水土工织物制备工艺与性能探讨方面的研究较少,极大地影响了其在土木工程领域的应用。

用于道路建设的土工织物还应具备较高的强度,这样便可作为加筋材料用于工程建设活动中。力学性能良好的土工织物可分担土体中的应力,提高土壤的整体强度,以及地基的承载能力与稳定程度[10]。基于此,本文尝试设计制作一种兼具毛细导水和加筋增强效应的复合型土工织物,探究这种导水加筋土工织物的制备工艺,并测试和分析其力学性能与芯吸性能。研究旨在为提高我国功能性土工织物产品质量,拓宽其在土木工程领域的应用提供参考。

1 试样制备

1.1 试验材料及设备

试验材料采用线密度为66.7 tex(600 D)的4DG尼龙纱线和线密度分别为111.1 tex(1 000 D)、488.9 tex(4 400 D)和977.8 tex(8 800 D)的涤纶长丝,均产自尤夫高新纤维股份有限公司。导水加筋土工织物的织制使用江阴市通源纺机有限公司生产的SGA598型半自动小样织机。

1.2 导水加筋土工织物的制备

导水加筋土工织物采用机织方式加工而成。本文设计了具有排水通道与加筋结构的织物组织。导水加筋土工织物的上机图如图1所示。使用半自动小样织机制备导水加筋土工织物试样,织造流程如图2所示。

图1 导水加筋土工织物的上机图Fig.1 Looming draft of drainage reinforced geotextiles

本文的导水加筋土工织物采用2种不同的纬纱与经纱交织而成,其纬向截面如图3所示。2种纬纱分别起排水和加筋作用,其中,圆形截面的纬纱为排水纱线,椭圆形截面的纬纱为加筋纱线。1个组织循环由3根排水纱线与2根加筋纱线按规律排列形成。

采用4DG尼龙纱线作为排水纱线。4DG尼龙纤维的显微照片如图4所示,可以看出,与普通呈圆形截面的合成纤维不同,4DG尼龙纤维表面沿长度方向呈现出细条状沟槽,纤维直径约为12 μm,沟槽宽度为3～6 μm。沟槽的存在增大了纤维的比表面积,使其表面可吸附的水分子数增加,吸湿性提高。同时,4DG尼龙纤维表面的沟槽可形成直径远小于土壤颗粒间缝隙的多排水通道,所产生的毛细芯吸效应可从非饱和土壤中吸收水分,并沿排水通道将水分输送至土体外,表现出较好的排水性[11]。基于此,本文采用4DG尼龙纱线实现土工织物良好的导湿和排水性能。

图2 织造流程Fig.2 Weaving flow diagrams

图3 导水加筋土工织物的纬向截面Fig.3 Weft cross-section of drainage reinforced geotextiles

图4 4DG尼龙纤维的显微照片Fig.4 Micrographs of 4DG nylon fibers

加筋土工织物通常采用高强、高模纱线用于承担主要的作用力,减少地基不均匀沉降,提高施工土体的安全性[12]。涤纶长丝具有优良的力学性能和蠕变特性,其韧性好、耐老化、耐高温,生产工艺成熟,并且市场占有率高。基于此,本文采用涤纶长丝作为加筋纱线,导水加筋土工织物的经纱也采用涤纶长丝。其中,经纱使用线密度为111.1 tex的涤纶长丝,纬纱选用表1所示的不同线密度的4DG尼龙纱线与涤纶长丝的组合,制备6种不同的导水加筋土工织物试样。将排水纱线线密度为66.7 tex的土工织物试样简记为D1土工织物,排水纱线线密度为133.4 tex的土工织物试样简记为D2土工织物。试验用纱线均为无捻纱线,其中133.4 tex(1 200 D)的排水纱线是由2股66.7 tex的4DG尼龙纱线合股而成的,1 466.7 tex(13 200 D)的加筋纱线是由线密度分别为488.9 tex和977.8 tex的涤纶长丝合股而成的。

表1 纬纱线密度组合Tab.1 Combination of weft yarn linear density

2 性能测试

导水加筋土工织物主要用于对路基产生排水与加筋作用,因此需具备一定的排水能力与力学性能。测试导水加筋土工织物试样的芯吸性能以评估其排水性能,并对试样进行拉伸性能、撕破性能和静态顶破性能试验(CBR法),以考核其力学性能。按GB/T 17640—2008《土工合成材料 长丝机织土工布》中的规定,长丝机织土工织物的基本力学性能要求如表2所示。

表2 长丝机织土工织物的基本力学性能要求

2.1 面密度与厚度

导水加筋土工织物面密度(单位面积质量)按GB/T 13762—2009《土工合成材料 土工布及土工布有关产品单位面积质量的测定方法》进行测试。从织物整个宽度和长度方向上裁取10块面积为100 cm2的试样,称取试样质量,再计算面密度,结果取平均值。

导水加筋土工织物厚度使用YG141N型数字式织物厚度仪测试,压脚面积为2 000 mm2,加压压力为400 cN,每种试样至少测试5次,结果取平均值。

2.2 单纱拉伸性能

使用MTS E42.503型电子万能试验机测定单根纱线的断裂强力,每种纱线取20根试样。设置隔距长度为100 mm,以200 mm/min的速率将试样拉伸至断裂,记录断裂强力和断裂伸长,测试结果取平均值。

2.3 导水加筋土工织物的拉伸性能

使用XS(082)系列万能材料试验机测定导水加筋土工织物的断裂强度,每种织物沿经向和纬向各取5块试样,试样宽度为50 mm,夹钳隔距为100 mm,试样尺寸为50 mm×200 mm。为尽可能减少试样受损,避免试样滑移,对夹在钳口面内的试样表面,用胶水黏以尺寸为50 mm×50 mm的夹网布材料。将试样夹持于万能材料试验机的夹钳中,以20 mm/min的拉伸速率在试样长度方向施以载荷直至试样被拉伸断裂,记录断裂强度,结果取平均值。

2.4 导水加筋土工织物的撕破性能

根据GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破强力的测定》,使用XS(082)系列万能材料试验机测试导水加筋土工织物的撕破性能。沿试样经、纬向各裁取5块试样,试样尺寸为75 mm×200 mm,按图5所示用梯形样板在每个试样上画一个等腰梯形,在梯形短边的中心位置剪一个长约15 mm的切口。由于试样撕破强力较大且容易滑脱,对夹在钳口面内的试样表面,用胶水黏以夹网布材料。设定夹钳间距为25 mm,拉伸速度为50 mm/min,试样在宽度方向沿切口逐渐撕裂,测定撕破强力,测试结果取平均值。

图5 梯形样板Fig.5 Trapezoidal template

2.5 导水加筋土工织物的顶破性能

根据GB/T 14800—2010 《土工合成材料 静态顶破试验(CBR法)》,使用XS(082)系列万能材料试验机测试导水加筋土工织物的CBR顶破强力。从每种织物上各剪取5块试样,将试样固定在仪器夹持系统的夹持环之间,以50 mm/min的速率移动顶压杆直至穿透试样,测定其顶破强力,测试结果取平均值。

2.6 导水加筋土工织物的芯吸性能

采用静态垂直芯吸测试方法对导水加筋土工织物的芯吸性能进行测试与表征。该方法用芯吸时间来表征织物的芯吸能力。将导水加筋土工织物试样与普通机织排水土工织物试样(后文简称机织对比样,由徐州中禹纺织有限公司生产,面密度为500 g/m2,原料为涤纶)沿经向和纬向各剪取5块试样,试样尺寸为50 mm×100 mm。将试样的上端夹在毛细管效应测定仪的试样夹上,在试样下端夹上张力夹以使试样保持垂直状态,将红色试液倒入试液槽内,调整试样位置使试样底端与液面平齐后开始计时,当红色试液上升至试样的上端时,停止计时,记录整块织物的芯吸时间并调整试样位置使其移开液面,测试结果取平均值。

3 结果与分析

3.1 纱线原料力学性能

纱线是机织物的基本组成单元,单纱拉伸性能在一定程度上影响土工织物的拉伸性能[13]。本文使用的纱线原料的拉伸曲线如图6所示。由图6a)可以看出,4DG尼龙纱线的断裂强力较低,线密度为66.7 tex的4DG纱线的断裂强力约为22.2 N,线密度为133.4 tex的4DG纱线的断裂强力约为43.6 N,即2根66.7 tex的4DG纱线合股后,其断裂强力约为66.7 tex的4DG纱线断裂强力的2倍,而断裂伸长值几乎不变。111.1 tex涤纶长丝的断裂强力约为85.7 N,可作为经纱使用。由图6b)可以看出,488.9、977.8和1 466.7 tex涤纶长丝的断裂强力均较大,分别约为310.8、662.3和917.6 N,可作为加筋材料使用,且三者的断裂伸长接近。488.9 tex和977.8 tex涤纶长丝合股得到的1 466.7 tex纱线的断裂强力略小于两者断裂强力之和,是因为两者的断裂伸长不同,导致拉伸合股纱时纱线的断裂不同时,合股纱的单纱强力利用率下降。

图6 纱线的拉伸曲线Fig.6 Tensile curves of yarns

3.2 导水加筋土工织物的基本结构参数

导水加筋土工织物的基本结构参数如表3所示。由表3可知,排水纱线的线密度相同时,随着加筋纱线线密度增大,试样的厚度与面密度增加,单位长度织物中纬纱组织循环数减少,且加筋纱线线密度由488.9 tex增至977.8 tex时,纬纱组织循环数的减小幅度较加筋纱线线密度由977.8 tex增至1 466.7 tex时的大;加筋纱线的线密度相同时,随着排水纱线线密度增大,导水加筋土工织物的厚度也增加,面密度则有所下降。

表3 导水加筋土工织物的基本结构参数Tab.3 Basic structural parameters of drainage reinforced geotextiles

3.3 导水加筋土工织物的力学性能

3.3.1 拉伸性能

拉伸性能是土工织物最基本也是最重要的力学性能指标。在对土工织物进行加筋应用设计时,要求其具备足够的抗拉强度和伸长率。6种试样的经、纬向抗拉强度和伸长率测试结果如图7所示。

图7 导水加筋土工织物的抗拉强度和伸长率Fig.7 Tensile strength and elongation of drainage reinforced geotextiles

由图7a)可知,当排水纱线线密度相同时,随着加筋纱线线密度增大,导水加筋土工织物试样的经向抗拉强度小幅下降。这是因为加筋纱线线密度增大后会变粗,使经纱屈曲程度增大,经纱与加筋纱线间的织造角增大,使得经纱沿拉伸方向的受力减小,抗拉强度下降。当加筋纱线线密度相同时,采用线密度较大的排水纱线制备的导水加筋土工织物,其经向抗拉强度增大。这可能是由于排水纱线线密度增大会使纱线宽度增加,经纱与排水纱线间的包围角减小,从而使经纱沿拉伸方向所能承受的作用力增大,抗拉强度增加。

由图7b)可以看出,在本文的试验研究范围内,当排水纱线的线密度相同时,增大加筋纱线线密度,所得导水加筋土工织物的纬向抗拉强度增加。这是因为纱线的拉伸性质对织物的拉伸性质起主要作用,纱线断裂强力越大,织物的拉伸强力通常也越大。加筋纱线线密度增大会导致其断裂强力增大,从而使织物的纬向抗拉强度增加。当加筋纱线线密度相同时,增大排水纱线线密度,所得导水加筋土工织物的纬向抗拉强度下降,原因是由图6可知,4DG纱线的断裂强力远小于涤纶长丝的断裂强力,故试样拉伸性能主要受加筋纱线影响。增大排水纱线线密度后,单位长度织物中加筋纱线的根数减少,导致试样纬向抗拉强度下降。

由图7c)和图7d)可以看出,导水加筋土工织物的纬向伸长率高于经向伸长率,这与经纱断裂伸长率低于纬纱的有关。

3.3.2 撕破性能

土工织物在现场铺设和实际使用过程中,会不可避免地受到撕扯作用而产生不同程度的破损。撕破强力反映土工织物在有破损裂口情况下抵抗裂口继续扩大的能力,可用于模拟现场铺设时土工织物抵抗外力的性能和估计撕裂土工织物的相对难易程度[14]。6种导水加筋土工织物试样的经纬向撕破强力测试结果如图8所示。

织物被撕裂时,裂口处形成一个撕裂三角形,撕破强力大小与纱线间的交互作用及纱线的断裂强力等因素有关,纱线间交互作用越强,纱线断裂强力越大,织物撕破强力越大。

图8 导水加筋土工织物的撕破强力Fig.8 Tear strength of drainage reinforced geotextiles

从图8a)可以看出,排水纱线线密度相同时,增大加筋纱线线密度,导水加筋土工织物的经向撕破强力下降。由于加筋纱线线密度增大后,单位长度织物中纬纱组织循环数减少且相差较大,此时影响织物试样撕破强力的主要因素是撕裂三角区内纱线间的交互作用。在经纱密度相同的情况下,加筋纱线线密度增大,单位长度内经纬纱接触点数量减少,拉伸时经纬纱线间的交互作用减少,撕破强力下降。同理,加筋纱线线密度相同时,排水纱线线密度增大,导水加筋土工织物的经向撕破强力下降。

从图8b)可以看出,D1-2试样较D1-1试样、D2-3试样较D2-2试样的纬向撕破强力小,由于D1-1试样和D2-3试样单位长度内经纬纱交织点数分别是6块试样中最多和最少的,此时经纬纱交织点数量可能对其纬纱断裂强力产生较大的影响,即D1-2试样与D2-3试样撕裂三角区内织物经纬纱间交互作用低,纬纱易滑移,导致其纬纱撕破强力低。当织物试样的纬纱循环数适中,即交织点数适中且加筋纱线在总纬纱中占比较多时,加筋纱线断裂强力对织物试样的撕破强力起主要影响且为正相关作用,故D1-3试样较D1-2试样、D2-2试样较D2-1试样的纬向撕破强力有所增加。当加筋纱线线密度相同时,排水纱线线密度增大,织物的纬向撕破强力下降。原因是4DG纱线的断裂强力远小于涤纶长丝的,对纬向撕破强力的贡献小,织物试样的撕破强力主要由受力三角区内加筋纱线的数量决定,排水纱线线密度增大会使单位长度织物中同时受力的加筋纱线根数减少,导致织物试样的纬向撕破强力下降。

3.3.3 顶破性能

在工程应用中,土工织物会受到土壤中不同粒径颗粒的顶压作用。土工织物的顶破强力可反映其抵抗垂直于材料平面的法向压力的能力,模拟凹凸不平地基的作用和上部块石压入的影响[15]。6种试样的顶破强力测试结果如图9所示。

图9 导水加筋土工织物的顶破强力Fig.9 Bursting strength of drainage reinforced geotextiles

由图9可知,排水纱线线密度相同时,加筋纱线线密度较大的织物试样的顶破强力较大。这是因为机织物在受顶压杆作用时,抵抗该顶破力作用的主要为经纬纱线间的拉伸力与摩擦力。一般而言,织物材料的断裂强力越高,织物顶破强力也越大,而加筋纱线断裂强力较大,对织物试样的强力起主导作用,故随着加筋纱线线密度的增大,其断裂强力增大,织物试样的顶破强力随之增大。

由图9还可以看出,加筋纱线线密度相同时,排水纱线线密度增大,织物试样的顶破强力增大。这是因为机织物顶破时织物各个方向均受顶破力作用,顶破力首先使变形能力小的方向上强度小的纱线发生断裂,当加筋纱线在总纬纱中的占比接近时,织物顶破强力主要与其强力最弱方向上的拉伸强力有关,即主要受经向拉伸强力的影响,织物经向拉伸强力越大,其顶破强力越大。由图7a)可知当加筋纱线线密度相同时,排水纱线线密度大的织物试样的经向抗拉强度大,故织物顶破强力随着排水纱线线密度的增大而增大。

3.4 导水加筋土工织物的芯吸性能

导水加筋土工织物主要依靠其纱线原料产生的毛细芯吸效应从非饱和土壤中吸收水分,并沿排水通道将水分输送至土体外。土工织物的芯吸性能可用于表征其将水分传递至织物外部的能力,织物芯吸时间越短,则对水分的传导速度越快,芯吸性能越好。

织物试样的芯吸性能测试结果如表4所示。由测试结果可知,导水加筋土工织物的经、纬向芯吸时间差异较大,这主要是经纬方向上纱线材料芯吸性能的差异导致的。导水加筋土工织物试样的纬向芯吸时间短,呈现出明显的毛细现象,与机织对比样的纬向芯吸时间相差很大,表明导水加筋土工织物排水方向(纬向)上的芯吸性能较普通机织土工织物明显提升,这与导水加筋土工织物所使用的纱线原料芯吸性能较强有关。所有试样中,排水纱线线密度为66.7 tex、加筋纱线线密度为488.9 tex的D1-1试样的纬向芯吸时间最短,芯吸性能最好,这可能是由于D1-1试样的纬组织循环数最多,织物内纱线与纱线之间形成的毛细管排水通道多,从而使水分更易传输。导水加筋土工织物的经向芯吸时间较长,较机织对比样的无显著差异。

表4 织物静态垂直芯吸测试结果Tab.4 Static vertical wicking test results of fabrics

4 结论

(1)导水加筋土工织物的抗拉强度呈现出典型的各向异性,增大排水纱线线密度可使其经向抗拉强度增加,但纬向抗拉强度下降;增大加筋纱线线密度,可使土工织物纬向抗拉强度增加,但经向抗拉强度下降。

(2)当导水加筋土工织物的排水纱线线密度相同时,加筋纱线线密度增大,织物的经向撕破强力下降,顶破强力则呈增大趋势。当导水加筋土工织物的加筋纱线线密度相同时,排水纱线线密度增大,织物的撕破强力下降,顶破强力有所增大。

(3)导水加筋土工织物在其排水方向上的芯吸性能良好,与普通机织排水土工织物相比芯吸性能优异。