土工織物孔徑測試方法研究

上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434

土工織物被廣泛應用于水利、鐵道、公路等工程中，起到過濾、排水、加筋、隔離、防護等作用?？讖阶鳛橥凉た椢锏闹匾锢碇笜耍撬?、交通等工程設計時必須考慮的關鍵設計參數(shù)[1]。由于土工織物的孔徑可以反映其透水與保持土顆粒的能力，因此在設計孔徑大小時，既要保證水能順利通過土工織物，又要防止土體的石粒被水流沖走。目前測定土工織物孔徑的方法有很多，包括顯微鏡法、投影放大測讀法、泡點法、干篩法、濕篩法等。我國工程業(yè)主要使用干篩法進行測試，關于其他方法的研究鮮有文獻報道。本文選取3種工藝共9種土工織物，分別采用顯微鏡法、干篩法、濕篩法和泡點法對9種土工織物的孔徑進行測試，通過試驗對比分析這4種孔徑測試方法的優(yōu)劣。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本文選用表1中的9種土工織物進行孔徑測試試驗。

表1 試驗所用樣品

1.2 試驗方法

1.2.1 顯微鏡法

(1) 試驗原理。將土工織物置于XPF-500C型光學顯微鏡下，用Image Fiber System軟件對土工織物進行圖像采集。光照下，纖維不透光呈黑色，而孔隙透光呈白色；利用二值化，即將圖像上像素點的灰度值設置為0或255，使整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果[2]；測量白色區(qū)域的面積，并將其換算成等面積圓的直徑作為孔徑。圖1是二值化處理后的土工織物效果圖。

(2) 測試方法。于樣品非邊緣區(qū)域隨機取樣，進行圖像拍攝，用Image Fiber System軟件計并對其算其孔徑面積，最后換算成等面積圓的直徑。

圖1 二值化處理后的土工織物效果圖

1.2.2 泡點法

(1) 試驗原理。用具有良好浸潤性的液體浸潤試樣，然后測量氣體置換出試樣孔隙內的浸潤液所需的壓力，此時施加的壓力p與孔隙的直徑D遵循Washburm方程，即p·D=4γcosθ，其中，γ為液體的表面張力，θ為樣品與液體的接觸角。求解該方程即可獲得材料內部孔道的孔徑參數(shù)。該方法還可獲取整個樣品的孔徑分布曲線，如圖2所示。

圖2 土工織物的孔徑分布曲線

(2) 測試方法。使用Galwick?溶劑將直徑為3 cm的樣品完全浸潤，置入美國Quantachrome儀器公司的Porometer 3G型孔徑儀進行測試，其可自動測出結果。

1.2.3 干篩法

(1) 試驗原理。將土工織物作為篩網，用已知直徑范圍的標準顆粒材料進行振篩，稱量通過試樣的標準顆粒材料質量，然后計算其過篩率，繪制土工織物的孔徑分布曲線，從曲線上讀出等效孔徑O90的值[3]。

(2) 測試方法。將標準顆粒材料按粒徑(nm)分為11組，即[45，65)，[65，74)，[74，90)，[90，125)，[125，154)，[154，180)，[180，250)，[250，280)，[280，355)，[355，500)，[500，710)。安裝并固定好試樣，在其上方均勻灑上50 g標準顆粒材料，搖振10 min，稱量通過的顆粒材料質量，計算平均過篩率。再用下一組標準顆粒材料對上述試樣進行振篩，如此反復直至平均過篩率小于5%。然后繪制平均過篩率與孔徑的關系曲線，其中橫坐標(對數(shù)坐標)為每組標準顆粒材料粒徑的下限值，縱坐標為相應的平均過篩率，則曲線上過篩率為10%的點所對應的直徑即為O90。

1.2.4 濕篩法

(1) 試驗原理。將土工織物作為篩網，對織物和級配顆粒材料進行噴水，同時進行振篩，振篩完畢后以通過的級配顆粒材料的特定粒徑表示試樣的有效孔徑[4]。

(2) 測試方法。投放一定量的無黏性連續(xù)級配、不均勻系數(shù)為3～20的顆粒材料，然后對試樣進行噴水，并在一定的頻率和振幅下振篩10 min，對通過的顆粒材料進行分析，在半對數(shù)坐標紙上，以通過的顆粒材料的累計百分比為縱坐標、相應的篩子尺寸為橫坐標繪制曲線，找出曲線上縱坐標為90%的點所對應的橫坐標值即為O90。

2 試驗結果

分別用上述4種孔徑測試方法對本文選取的9種樣品進行檢測，結果如表2所示。

表2 孔徑測試結果

分析試驗過程可知：

(1) 顯微鏡法具有直觀、測定速度快、分辨率高的優(yōu)點。此法的缺點是對于較厚的土工織物(如1#～6#)，由于光無法穿透，無法對其孔徑進行測量；對于光澤好的土工織物(如7#～9#)，其在光源下的反光強烈，使得成像時纖維也呈白色，需進行后處理才能測量。

(2) 泡點法操作簡單，能測出各種孔徑并得到孔徑分布曲線，可以較為全面、準確地反映出土工織物內部孔徑的分布情況，并且適合各種類型的土工織物的孔徑測試。但是該方法未考慮潤濕液對試樣的影響，即潤濕液會使不同材質的纖維產生不同程度的溶脹，可能會對土工織物的孔徑測試結果造成影響。

(3) 干篩法操作方便且使用的標準顆粒材料與工程現(xiàn)場類似，能較好地模擬工程實際情況。但試驗受靜電的影響較大，易導致測試結果偏小且離散較大。由于該法測試時所用的最細一組標準顆粒材料的直徑為45～65 μm，因此無法測得孔徑小于45 μm的土工織物孔徑。

(4) 濕篩法所使用的連續(xù)級配顆粒材料和水流可以很好地模擬工程中雨水沖刷等實際情況，試驗結果穩(wěn)定且準確性高。但是該法操作過程繁雜，工作量大，試驗時間過長。

分析試驗結果可知：顯微鏡法屬于直接測試法，其受測試條件所限，所得測試結果與其他3種方法無可比性。間接測試法中，測得的織物孔徑由大至小依次為濕篩法、干篩法和泡點法。其中濕篩法和干篩法測得的結果比較接近。這是由于干篩法測試時，標準顆粒材料易受靜電作用而被吸附到織物表面，對于厚度較大的非織造土工織物，標準顆粒材料容易淤堵在織物內彎彎曲曲的孔徑通道中而不易穿過織物；而濕篩法中的水流不僅可以消除靜電吸附作用的干擾，還能充當級配顆粒材料與土工織物之間的潤滑劑角色，同時水的流動對級配顆粒形成一定沖擊，使得級配顆粒材料更容易通過織物中的孔隙，因此濕篩法測得的孔徑比干篩法大。泡點法的測試機理不同于濕篩法和干篩法，單從數(shù)值來看，濕篩法測得的結果均在泡點法的1.5倍以上。

3 結語

本文采用4種孔徑測試方法對3種工藝的9種樣品進行測試，比較分析了這4種方法的優(yōu)劣，由此可知，顯微鏡法受限過多，因此不建議采用，干篩法和濕篩法能夠較好地模擬工程實際情況，濕篩法和泡點法的適用范圍較廣，故研究人員可根據(jù)需求選用合適的孔徑測試方法。鑒于泡點法和濕篩法的測試機理不同，此兩者之間更為確切的對應關系尚待進一步研究。