土工布孔徑測試的基本原理及國內(nèi)外測試標(biāo)準(zhǔn)
土工布的孔徑是工程應(yīng)用的重要技術(shù)指標(biāo)，本文介紹了土工布孔徑測試的基本原理及國內(nèi)外測試標(biāo)準(zhǔn)
情況，并對方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較分析。
土工布是用合成纖維紡織或經(jīng)膠結(jié)、熱壓針刺等無紡工藝制成的土木工程用卷材，也稱土工纖維或土工薄膜。土工布根據(jù)加工方法不同可以劃分為機(jī)織土工布、針織土工布、非織造土工布。最為常用的是非織造土工布，它是使用機(jī)械的、化學(xué)的、熱力的或者其他的方法，使纖維網(wǎng)固結(jié)在一起而形成的纖維結(jié)構(gòu)材料。
非織造土工布獨特的纖維三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有良好的排水性能和保沙土性能，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂礫滲濾層，不僅可以節(jié)省投資而且還能縮短施工周期。土工布滲濾層設(shè)計及選用的重要依據(jù)是其透水性能和保土性能，而這兩個性能的重要特征指標(biāo)為其孔徑。準(zhǔn)確測定土工布的孔徑有利于工程上更加合理地選用土工材料。本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對土工布孔徑測試方法歸納如下。
一、孔徑參數(shù)
孔徑參數(shù)主要包括有效孔徑、特征孔徑、平均孔徑、最大孔徑、最小孔徑、泡點孔徑、孔徑分布、孔隙率等[3]。
1.1有效孔徑(Oe)
JTGE50—2006《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》中的定義如下：能有效通過土工織物的近似最大顆粒直徑，例如O90表示土工織物中90%的孔徑低于該值[4]。GB/T14799—2005《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品有效孔徑的測定》中定義則如下：有效孔徑是能有效通過土工布的近似最大顆粒直徑，例如O90表示土工布中90%的孔徑低于該值[5]。
1.2等效孔徑EOS(或稱表觀孔徑AOS)
SL/T235—1999《土工合成材料測試規(guī)程》中定義如下：以土工織物為篩布對顆粒料進(jìn)行篩析，當(dāng)一種顆粒料的過篩率(通過織物的顆粒料重量與顆粒料總重量之比)為5%時，則該顆粒粒徑尺寸定為土工織物的等效孔徑[6]。GB50290—1998《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》及SL/T225—1998《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中定義如下：土工織物的最大表觀孔徑[7-8]。JTJ/T019—1998《公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中定義如下：用于表示織物型土工合成材料孔隙大小的指標(biāo)。采用不同的篩余率標(biāo)準(zhǔn)，可得到不同的等效孔徑值[9]。
1.3特征孔徑
土工布的孔眼尺寸，相當(dāng)于90%的土顆粒通過土工布時的最大顆粒尺寸[10]。該定義適合于土工布及其有關(guān)產(chǎn)品有效孔徑測定中的濕篩法。
1.4泡點孔徑
濾布一側(cè)的氣體穿過濾布到達(dá)另一側(cè)的水中而產(chǎn)生氣泡，用此方法計算出濾布孔徑[11]。
1.5最大泡點孔徑
當(dāng)氣體穿過濾布到達(dá)水中產(chǎn)生第一串氣泡時的泡點孔徑[11]。
1.6孔徑分布
對于給定試樣，根據(jù)孔隙直徑分布，計算某一孔徑所對應(yīng)孔隙的百分?jǐn)?shù)[12]，可用來表征不同孔徑在整個孔徑分布中所占比例。
1.7孔隙率
材料的孔隙體積與總體積的比值，反映土工布空隙程度的指標(biāo)，它是影響土工布滲透性等水力性能的重要因素[13]。
目前，在各標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于等效孔徑、特征孔徑的定義基本一致，均為用顆粒的尺寸來表示孔徑的尺寸。泡點孔徑則需要根據(jù)測量氣泡出現(xiàn)時的壓力差來計算出等效孔徑。
二、孔徑測試方法
土工布孔徑測試方法分為直接法和間接法，直接法包括顯微鏡法、圖像分析法等;間接法主要有干篩法、濕篩法、泡點法、水動力法和水銀壓入法等[14]。關(guān)于各方法的原理及其評價如表1所示。
直接法例如顯微鏡法。該法直接、直觀和可靠，可以直接得出孔徑的數(shù)量及大小，不會改變試樣的原始狀態(tài)，不污染損傷試樣，尤其適用于薄型織物，但投影面上孔隙分布無法反映織物內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，因此此法只適合于規(guī)則的織物，且測試結(jié)果具有一定的隨機(jī)性，代表性不足。
對于孔隙不規(guī)則的土工布測試一般用間接法。計算法雖然通過數(shù)學(xué)模型的建立及推理，具有一定的合理性，但參數(shù)的測定也不能脫離試驗。水銀壓入法水銀有毒且危害環(huán)境，負(fù)壓排水法用水作為測孔介質(zhì)方便無污染，但一直存在織物親水性的問題難以解決;泡點法可獲得較好的孔徑分布曲線，卻沒有很好的模擬實際使用情況;滲透法雖省時、可靠，卻不能獲得孔隙分布曲線。鑒于各方法各有優(yōu)劣，目前，國內(nèi)外普遍采用的為篩分法。篩分法分為干篩法、濕篩法和動力水篩法。干篩法存在靜電現(xiàn)象，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性;濕篩法試驗條件接近實際工作條件，但水流不易控制，操作復(fù)雜;動力水篩法則需時太長。此3種方法各有其優(yōu)缺點，干篩法由于方法較成熟，經(jīng)驗積累多，是目前國內(nèi)用得最多的方法。
三、孔徑測試標(biāo)準(zhǔn)
目前，國內(nèi)外已有的孔徑測試的標(biāo)準(zhǔn)、試驗方法及適用范圍如表2所示。
國內(nèi)關(guān)于孔徑測試的方法標(biāo)準(zhǔn)一共有4個，分為干篩法、濕篩法、泡點法、毛管流動孔隙儀法。其中GB/T24219—2009適用范圍限制為機(jī)織過濾布，而GTTTM017—2010毛管流動孔隙儀法的適用范圍為孔徑為0.013μm～500μm的所有非織造材料，相比之下，干篩法、濕篩法的適用范圍比較廣泛。國內(nèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)采用最多的也為篩分法，各產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)采用的方法標(biāo)準(zhǔn)情況如表3所示。國內(nèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)采用最多的為GB/T14799—2005《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品有效孔徑的測定干篩法》，其次是濕篩法GB/T17634—1998《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品有效孔徑的測定濕篩法》，主要在國標(biāo)中采用。另外，交通部JTGE50—2006《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》及水利部SL/T235—1999《土工合成材料測試規(guī)程》中應(yīng)用的方法均為標(biāo)準(zhǔn)自帶方法，試驗方法為干篩法，基本原理與GB/T14799—2005相同。
四、結(jié)論
土工布越來越多地被用作公路、鐵路、土木、水利等工程材料。孔徑是土工布水力學(xué)特性中的一項重要指標(biāo)，它反映土工織物的過濾性能，既可評價土工織物阻止土顆粒通過的能力，又反映土工織物的透水性，而土工布孔徑的測定結(jié)果與其所選用的測試方法密切相關(guān)。目前國內(nèi)外土工布孔徑大小及分布測試方法各不相同，各有優(yōu)缺點。因此研究土工布孔徑測試方法對進(jìn)一步推動土工布在工程建設(shè)中的應(yīng)用具有非常重要的意義。