土工布老化性能及測試標準研究

Research on Aging Performance and Test Standard of Geotextile

文/ 倪冰選 張鵬

摘要：土工布是目前土工合成材料領域發(fā)展迅猛的一種紡織材料，被廣泛應用于公路、鐵路、水利、建筑等各類工程項目中。土工布的老化性能直接影響工程的可靠性和安全性，研究土工布的老化現象及原因，建立和規(guī)范老化標準測試方法，進一步提高土工布的老化性能，對工程應用具有很高的經濟和戰(zhàn)略意義。

土工布老化性能及測試標準研究關鍵詞：土工布；老化性能；標準；人工加速老化試驗

Abstract: Geotextile is a kind of textile material developing rapidly in the field of geosynthetic materials at present. It has been widely used in all kinds of project, such as road, railway, water conservancy, building and so on. The aging performance of geotextile directly affect the reliability and safety of project. Study on the aging phenomenon and reason, set up and specify the aging standard test method, improve the aging performance of geotextile, will make great economic significance and strategic significance to engineering application.

Key words: geotextile; aging performance; standard; artificial accelerated aging test

目前土工布的生產和應用快速發(fā)展，對土工布的研究很多，但關于土工布老化性能的研究相對較少。土工布作為一種工程材料，其老化性能指標直接影響工程的壽命、安全性和可靠性。因此，對土工布老化性能的研究具有很高的經濟意義和戰(zhàn)略意義。美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）對土工布的定義為：一切和地基、土壤、巖石、泥土或任何其他土建材料一起使用，并作為人造工程或系統(tǒng)的組成部分的紡織品^[1]。土工布和地基、土壤、巖石、泥土或其他建筑材料一起使用，利用土工布對泥土起加固、保護、排水、過濾、隔離、防滲等作用^[2]。土工布目前已經同水泥、鋼材、木材一起被稱為“四大建筑材料"^[3]。  

土工布根據加工方法不同可以劃分為機織土工布、針織土工布和非織造土工布^[4]。機織土工布目前使用較多的是長絲機織布和扁絲機織布，材料以聚丙烯為主。經編復合土工布是以玻璃纖維（或其他合成纖維）為增強材料，通過與短纖針刺非織造土工布復合而成。非織造土工布主要有短纖維針刺土工布和長絲紡粘土工布，所選合成纖維原料主要是滌綸、丙綸、錦綸等，其中主要使用滌綸和丙綸^[5]。

不論針織土工布、機織土工布或非織造土工布，在加工、儲存和使用過程中，易受內部因素和外部因素的共同作用，其性能逐漸變壞，以致zui后喪失使用價值的現象，稱為老化。這是土工布常見的問題，其本質是高分子結構中分子鏈的斷裂、化學結構的變化等，宏觀上則表現為土工布強度下降和宏觀結構破壞等，是一種不可逆變化^[6-7] 。

1 土工布老化性能及測試標準研究老化現象原因

土工布老化有多種表現：宏觀表現為外觀變色、脆化、喪失光澤、結構改變、力學性能下降等；微觀表現為大分子結構改變，大分子量下降等。其中對工程應用影響zui大的就是力學性能的下降和材料結構的改變。

老化的原因有內因和外因兩種。內因指材料本身的性質，主要有：單體的結構狀態(tài)、高分子體系內部性質、添加劑等；外因指外界的環(huán)境因素，主要有太陽光、氧氣、熱、水分、pH值、應力、工業(yè)氣體、海水、鹽霧、霉菌、細菌等。影響老化的原因是多種多樣的，通常各種因素共同起作用，但其中太陽光、水、氧氣、熱是zui主要的影響因素，本文主要集中對這幾個因素進行討論^[8]。

2 老化試驗

老化試驗是研究土工布在一定環(huán)境下的老化規(guī)律和評價土工布老化性能的手段。通過老化試驗，測試土工布的強度、伸長率、彈性模量和微孔結構等隨時間的老化情況。老化試驗主要有人工加速老化試驗、自然環(huán)境老化試驗和實際應用老化試驗三種^[9]。

1）人工加速老化試驗

將試樣放置在一個老化箱內，根據樣品實際使用情況或相關老化標準，設置老化箱的參數，如溫濕度、紫外線強度、雨淋、冷凝等。經過一定時間的加速老化以后，將老化樣和原樣進行對比，由此估計樣品的耐老化性能。采用儀器加速老化的特點是加速老化條件穩(wěn)定、可比性強、試驗周期短、重現性較好。

人工加速老化試驗主要包括：人工加速紫外老化試驗、人工加速熱老化試驗、人工加速氧老化試驗、人工加速濕熱老化試驗等。

2）自然環(huán)境老化試驗

將試樣暴露在自然環(huán)境中，檢測土工布性能隨時間的老化情況。自然環(huán)境老化試驗的優(yōu)點是采用真實的自然環(huán)境進行試驗，結果真實可靠。缺點是費時費力，一般至少一年，多則幾年，無法對新材料、新產品的老化性能進行快速評價。

自然環(huán)境老化試驗主要包括：大氣老化試驗、地下埋藏試驗、海水浸漬試驗和水下埋藏試驗等。目前進行較多的是大氣老化試驗和地下埋藏試驗。

3）實際應用老化試驗

該試驗在實際工程應用中進行，在工程現場定期取樣，測試強度損失率及有關指標，了解實際應用中材料的老化程度。實際應用老化試驗優(yōu)點是在具體的施工環(huán)境中取樣試驗，數據真實可靠。缺點是時間周期長，普遍適用性較差。

在理論研究方面，人工加速老化和自然環(huán)境老化之間的相關性研究是一個比較活躍的領域。人們提出老化模型灰色預測，通過相關性研究用人工加速老化試驗結果去預測自然老化時間。老化模型灰色預測是基于灰色系統(tǒng)理論的一種預測方法，根據已知數據建立一個由過去引伸到將來的灰色模型，從而確定系統(tǒng)未來的發(fā)展變化趨勢^[10]。

3 標準測試

不少國家和組織對土工布老化現象進行研究，規(guī)定了戶外暴露老化標準，如標準化組織的ISO標準、美國的ASTM和AATCC標準、歐洲的EN標準等。就目前我國土工布的研究現狀，進行老化方面的研究較少，國內土工布老化性能試驗方法標準較少，土工布產品標準中也缺少對老化性能標準值的規(guī)定，如GB/T 17642—2008《土工合成材料 非織造布復合土工膜》；GB/T 17639—2008《土工合成材料 長絲紡粘針刺非織造土工布》；GB/T 17638—1998《土工合成材料 短纖針刺非織造土工布》等。

目前國內土工布老化標準較少，可適當考慮參考采用塑料和紡織品的老化標準。例如GB/T 16422.1—2006、GB/T 16422.2—1999、GB/T 16422.3—1997、GB/T 16422.4—1996《塑料實驗室光源暴露試驗方法》；ISO 4892—1:1999、ISO 4892—2:2006、ISO 4892—3:2006、ISO 4892—4:2004《塑料實驗室光源曝曬方法》；ASTM G 154—2006《非金屬材料熒光紫外曝露試驗操作標準》。

常見的實驗室老化試驗主要有光照老化、濕熱老化、熱風老化等。目前國內外常用的土工布老化標準如表1所示。

表1 國內外土工布相關老化標準

4 表征

對于工程應用的土工布而言，老化性能的表征主要包括宏觀和微觀兩個方面。宏觀方面是一定老化時間下，土工布的強度保持率（主要有拉伸強度、撕裂強度、頂破強度）、伸長率、脆化、宏觀結構形態(tài)變化情況等。微觀方面主要指在老化過程中，大分子結構降解過程和降解產物等。降解過程檢測可采用差熱分析法、熱分析方法等；降解物質分析可采用氣體色譜/質譜分析法、紅外光譜法和凝膠分析方法等。

5 結論

土工布越來越多地被用作公路、鐵路、土木、水利等工程的材料。研究材料的老化性能可以預測材料的使用壽命，這對預測整個工程的穩(wěn)定性和使用壽命具有非常大的意義。因此，老化問題的研究特別重要。通過對土工布老化性能的測試研究，認識和掌握其老化規(guī)律，然后可以通過改性或后處理等方法提高土工布的抗老化性能。

目前土工布缺少統(tǒng)一的國內老化試驗標準和規(guī)程，為了加快土工布的發(fā)展和應用，應盡快制定或修改采用國外標準，形成我國的國家老化試驗標準。