針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究

唐 瑤，陳 燕，靳向煜

(東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201600)

0 引言

GCL(Geosynthetic Clay Liner)即膨潤土復(fù)合防水襯墊或鈉基膨潤土防水毯，是一種由高膨脹性的鈉基膨潤土填充在特制的介于編織土工織物和非織造土工織物之間，通過針刺、粘合或縫合而制成的新型土工合成材料。膨潤土在遇水后會在襯墊內(nèi)形成均勻的高密度的膠狀防水層，可有效地防止水的滲漏。GCL按其結(jié)構(gòu)主要分為粘合GCL(單層或雙層)、針刺GCL、縫編GCL和覆膜GCL［1］，最典型的就是針刺GCL即針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊。膨潤土防水襯墊廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、地鐵、水利、環(huán)保及工業(yè)與民用建筑中的地下防滲密封工程，例如國貿(mào)三期地下工程底板及側(cè)壁的防水工程、北京地鐵五號線的東四車站和上海軌道交通6號線的防水工程等［2］。

很多學(xué)者對膨潤土復(fù)合防水襯墊進(jìn)行過研究:徐超等［3］研究了GCL內(nèi)部剪切強(qiáng)度及其影響因素，認(rèn)為針刺GCL的內(nèi)部剪切強(qiáng)度主要受針刺纖維的抗拉和纏繞作用控制;陳小紅等［4］對GCL中膨潤土的移動現(xiàn)象進(jìn)行了探討，分析了引起膨潤土移動的影響因素以及提出了針對不同原因引起的膨潤土移動現(xiàn)象而采取的措施;陳生水等［5］對GCL進(jìn)行了滲透、抗干濕循環(huán)、抗凍融循環(huán)、自愈能力等試驗(yàn)的研究，結(jié)果表明GCL具有良好的抗凍融循環(huán)和一定的自愈能力，但抗干濕循環(huán)能力較差。目前，對膨潤土復(fù)合防水襯墊力學(xué)性能方面的研究較少，但此方面的研究不可忽視。在工程應(yīng)用中，GCL會受到外界環(huán)境作用力的影響，如邊坡較高的剪切力、熱應(yīng)力、地基不均勻沉降作用、鋪設(shè)過程的作用力等，因此要求其具有良好的力學(xué)性能。本文選取針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊，通過復(fù)合前、后單層土工織物以及復(fù)合后防水襯墊整體的拉伸實(shí)驗(yàn)和剝離實(shí)驗(yàn)，探究針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的結(jié)構(gòu)與不同條件下的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用面密度為5 000 g/m2的針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊。其中上層PET針刺土工布的面密度為200 g/m2，下層PP編織土工布為110 g/m2，中間的鈉基膨潤土為4 690 g/m2。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及儀器

1.2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)

拉伸實(shí)驗(yàn)采用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀按照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 6768—2004的規(guī)定執(zhí)行。試樣寬100 mm、長200mm，夾持距離為100mm，以300mm/min的速度拉伸試樣直至斷裂。

1.2.2 剝離實(shí)驗(yàn)

采用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀并按照GB/T 2791—1995的規(guī)定執(zhí)行。試樣長200 mm、寬100 mm，沿試樣長度方向?qū)⒕幙棽寂c非織造針刺布預(yù)先剝離開30 mm，兩端分別固定在上下夾持器中。開啟儀器，上下夾持器以300 mm/min的速度剝離編織土工布和針刺土工布。

1.2.3 膨潤土形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用日本電子JSM－5600 LV掃描電子顯微鏡對針刺膨潤土復(fù)合防水襯墊中水化前后的膨潤土表面形態(tài)放大10 000倍進(jìn)行觀察，其中膨潤土的含水率為11%。

2 結(jié)果與分析

2.1 針刺膨潤土復(fù)合防水襯墊的結(jié)構(gòu)及作用

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成及作用

針刺膨潤土復(fù)合防水襯墊是由上層針刺土工布和下層編織土工布經(jīng)過針刺復(fù)合的方式將顆粒狀的鈉基膨潤土固定在其中，具體如圖1所示。

圖1 針刺膨潤土復(fù)合防水襯墊模型圖和實(shí)物圖Fig.1 Model and prototype of needle-punched geo-synthetic clay liner

針刺復(fù)合工藝是將上層針刺土工布的纖維穿透膨潤土層和下層編織土工布，形成許多小的纖維空間，使膨潤土顆粒較難移動。同時編織土工布和針刺土工布具有一定的力學(xué)性能，能夠保證產(chǎn)品具有足夠的使用強(qiáng)度?？傮w來說，上下層土工織物及其在針刺復(fù)合結(jié)構(gòu)起到了隔離、保護(hù)和加固膨潤土的作用，并使針刺膨潤土復(fù)合防水襯墊具有一定的整體抗拉和抗剪強(qiáng)度［6］。

2.1.2 膨潤土結(jié)構(gòu)及作用

圖2為吸水前后的膨潤土掃描電鏡照片?？梢杂^察到吸水前膨潤土表面粗糙不平，有大量的小孔隙存在，孔隙結(jié)構(gòu)較為松散;吸水膨脹后的膨潤土表面結(jié)構(gòu)致密，孔隙很少，顆粒水化后聯(lián)結(jié)在一起，土體連續(xù)性好。因此，膨潤土復(fù)合防水襯墊吸水后具有極好的抗?jié)B透性能。其根本原因是由于膨潤土中的主要礦物蒙脫石具有良好的膨脹性、吸水性、吸附性以及離子交換性等物理化學(xué)特性，遇水時可吸附自身重量幾十倍的水，形成致密結(jié)構(gòu)以阻止水的滲透［7］。

2.2 力學(xué)性能

針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的力學(xué)性能主要考慮拉伸性能和剝離性能。拉伸性能與承受載荷發(fā)揮工程作用有關(guān);剝離強(qiáng)度可作為檢驗(yàn)其峰值抗剪強(qiáng)度的參照指標(biāo)［8］。

2.2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能影響

單層編織土工布、單層針刺土工布和針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的拉伸曲線如圖3所示。針刺土工布的初始模量低，編織土工布和復(fù)合后防水襯墊的模量相近且較高。這是由于針刺土工布中纖網(wǎng)由三維排列纖維構(gòu)成，針刺作用使纖維間柔性纏結(jié)，在較低的拉伸作用下纖維易滑移，有良好的延伸性。而編織土工布是由扁絲經(jīng)緯交錯編織成布，其拉伸強(qiáng)度由受拉方向扁絲強(qiáng)力和經(jīng)緯方向上扁絲間的摩擦阻力組成，初始模量高。

圖3 復(fù)合前各單層土工布與復(fù)合防水襯墊應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of single geo-textile and needlepunched geo-synthetic clay liner

從圖3還可以看出:針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的強(qiáng)度介于編織和針刺土工布之間，并且其拉伸曲線與單層編織土工布的相似，證明了膨潤土復(fù)合防水襯墊中的編織土工布是其拉伸性能的主要承擔(dān)者。由于編織土工布的扁絲斷裂不同時，在拉伸曲線上產(chǎn)生很多大小不同的波峰。復(fù)合后防水襯墊的波峰波動幅度較為平緩，是因?yàn)獒槾掏凉げ己途幙椡凉げ纪ㄟ^“工”字形結(jié)構(gòu)復(fù)合，針刺土工布良好的延伸性彌補(bǔ)了編織土工布的不足，穩(wěn)定了防水襯墊的拉伸性能。

針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的縱向剝離強(qiáng)度為63.39 N/10 cm，橫向剝離強(qiáng)度為 53.91 N/10 cm，縱向剝離強(qiáng)度要大于橫向，其剝離曲線見圖4?？v向剝離時，剝離方向與針刺方向相同，同一時刻剝離處的纖維是不同刺針作用的纖維，見圖5(a)。由于纖維抱合方式存在差異造成每個剝離點(diǎn)強(qiáng)力數(shù)值不相同，曲線成不規(guī)則數(shù)值波動，且剝離具有連續(xù)性。橫向剝離時，為逐行剝離，見圖5(b)，當(dāng)剝離到圖中的剝離處時，所有連接纖維共同受力，剝離強(qiáng)度達(dá)最大值，圖4(b)上出現(xiàn)波峰。當(dāng)剝離到無纖維連接的空隙處時，出現(xiàn)了波谷，所以橫向剝離具有間斷性。剝離曲線中任意相鄰兩個波峰或者波谷間的水平距離反映了針板上相連兩針之間的距離。

2.2.2 膨潤土對拉伸性能的影響

含有膨潤土和不含膨潤土的復(fù)合防水襯墊縱橫向拉伸強(qiáng)度的對比見圖6。可以看出，膨潤土對縱橫向拉伸強(qiáng)度的影響極小，抗拉的主要載體是上下層的土工織物［9］。在拉伸過程中，土顆粒之間彼此相互獨(dú)立，在受拉部位沒有連續(xù)體來傳遞并分擔(dān)外力作用。因此，膨潤土對針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的拉伸性能影響較小。在拉伸測試中，可以把膨潤土清除后測量，一方面不影響測試結(jié)果，另一方面保持實(shí)驗(yàn)室的整潔，不污染、損壞儀器。

2.2.3 水化作用對力學(xué)性能的影響

針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊遇水后膨潤土發(fā)生水化作用膨脹，其膨脹前后的縱橫向拉伸數(shù)據(jù)見表1。其中水化后的防水襯墊是通過將其用蒸餾水完全浸潤膨脹后，在105℃的烘箱烘干2 h制得。

表1 水化前后的拉伸強(qiáng)度Table1 Tensile strength of GCL before and after hydration

水化后膨潤土復(fù)合防水襯墊的縱向強(qiáng)度提高21.2%，斷裂伸長率提高1.3倍;橫向強(qiáng)度提高11.8%，斷裂伸長率提高1.1倍。水化前膨潤土具有一定的可移動性，正如2.2.2中所證實(shí)的水化前膨潤土對針刺法防水襯墊整體力學(xué)性能影響較小。而膨潤土浸潤烘干后，編織土工布與針刺土工布之間的空隙完全被膨脹后的膨潤土粘著，形成了類似混凝土的結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，連接兩層土工布之間的纖維起到加筋作用。防水襯墊受拉時，中間水化作用固結(jié)后的膨潤土層也起到了一定的分擔(dān)拉力的作用，因而水化后的膨潤土復(fù)合防水襯墊強(qiáng)力會增加。

3 結(jié)論與建議

通過對針刺法膨潤土復(fù)合防水墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察分析以及力學(xué)性能測試，得出如下結(jié)論與建議。

1)水化后的膨潤土結(jié)構(gòu)致密，孔隙小，具有良好的抗?jié)B性能。

2)針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的拉伸性能主要由編織土工布提供，拉伸強(qiáng)度為882.38N/10cm;剝離性能隨剝離方向的不同而異，剝離強(qiáng)度一般小于100 N/10 cm，剝離強(qiáng)度遠(yuǎn)小于拉伸強(qiáng)度。建議在鋪設(shè)過程中，盡量避免或減少對針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊的剪切和剝離作用，在坡度較陡的地方應(yīng)使用強(qiáng)度較高的產(chǎn)品。

3)膨潤土主要起到防滲作用，而對整體的拉伸性能沒有影響。建議在拉伸測試時，除去中間的膨潤土層，可避免土顆粒對拉伸儀器的破壞。

4)水化固結(jié)后的針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊縱向拉伸強(qiáng)度提高21.2%，橫向強(qiáng)度提高11.8%，說明水化后GCL的拉伸性能有所提高。為了避免在鋪設(shè)過程中針刺法膨潤土復(fù)合防水襯墊水化，防止膨潤土分布不勻及過度膨脹而破壞整體性，建議在無雨雪的天氣下施工。

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