土工布孔径测试试验浅析

土工布孔径测试试验浅析

土工布的孔径是工程应用的重要技术指标，本文介绍了土工布孔径测试的基本原理及国内外测试标准情况，并对方法及相关标准进行了比较分析。

土工布是用合成纤维纺织或经胶结、热压针刺等无纺工艺制成的土木工程用卷材，也称土工纤维或土工薄膜。土工布根据加工方法不同可以划分为机织土工布、针织土工布、非织造土工布[1]。最为常用的是非织造土工布，它是使用机械的、化学的、热力的或者其他的方法，使纤维网固结在一起而形成的纤维结构材料[2]。

非织造土工布独特的纤维三维网络结构使其具有良好的排水性能和保沙土性能，以此代替传统的砂砾渗滤层，不仅可以节省投资而且还能缩短施工周期。土工布渗滤层设计及选用的重要依据是其透水性能和保土性能，而这两个性能的重要特征指标为其孔径。准确测定土工布的孔径有利于工程上更加合理地选用土工材料。本文结合实际工作经验，对土工布孔径测试方法归纳如下。

一、孔径参数

孔径参数主要包括有效孔径、特征孔径、平均孔径、最大孔径、最小孔径、泡点孔径、孔径分布、孔隙率等 [3]。

1.1 有效孔径(Oe)

JTG E50—2006《公路工程土工合成材料试验规程》中的定义如下：能有效通过土工织物的近似最大颗粒直径，例如O90表示土工织物中90%的孔径低于该值[4]。GB/T 14799—2005《土工布及其有关产品有效孔径的测定》中定义则如下：有效孔径是能有效通过土工布的近似最大颗粒直径，例如O90表示土工布中90%的孔径低于该值[5]。

1.2 等效孔径EOS(或称表观孔径AOS)

SL/T 235—1999《土工合成材料测试规程》中定义如下：以土工织物为筛布对颗粒料进行筛析，当一种颗粒料的过筛率(通过织物的颗粒料重量与颗粒料总重量之比)为5%时，则该颗粒粒径尺寸定为土工织物的等效孔径[6]。GB 50290—1998《土工合成材料应用技术规范》及SL/T 225—1998《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》中定义如下：土工织物的最大表观孔径[7-8]。JTJ/T 019—1998《公路土工合成材料应用技术规范》中定义如下：用于表示织物型土工合成材料孔隙大小的指标。采用不同的筛余率标准，可得到不同的等效孔径值[9]。

1.3 特征孔径

土工布的孔眼尺寸，相当于90%的土颗粒通过土工布时的最大颗粒尺寸[10]。该定义适合于土工布及其有关产品有效孔径测定中的湿筛法。

1.4 泡点孔径

滤布一侧的气体穿过滤布到达另一侧的水中而产生气泡，用此方法计算出滤布孔径[11]。

1.5 最大泡点孔径

当气体穿过滤布到达水中产生第一串气泡时的泡点孔径[11]。

1.6 孔径分布

对于给定试样，根据孔隙直径分布，计算某一孔径所对应孔隙的百分数[12]，可用来表征不同孔径在整个孔径分布中所占比例。

1.7 孔隙率

材料的孔隙体积与总体积的比值，反映土工布空隙程度的指标，它是影响土工布渗透性等水力性能的重要因素[13]。

目前，在各标准中，关于等效孔径、特征孔径的定义基本一致，均为用颗粒的尺寸来表示孔径的尺寸。泡点孔径则需要根据测量气泡出现时的压力差来计算出等效孔径。

二、孔径测试方法

土工布孔径测试方法分为直接法和间接法，直接法包括显微镜法、图像分析法等;间接法主要有干筛法、湿筛法、泡点法、水动力法和水银压入法等[14]。关于各方法的原理及其评价如表1所示。

直接法例如显微镜法。该法直接、直观和可靠，可以直接得出孔径的数量及大小，不会改变试样的原始状态，不污染损伤试样，尤其适用于薄型织物，但投影面上孔隙分布无法反映织物内部孔隙结构，因此此法只适合于规则的织物，且测试结果具有一定的随机性，代表性不足。

对于孔隙不规则的土工布测试一般用间接法。计算法虽然通过数学模型的建立及推理，具有一定的合理性，但参数的测定也不能脱离试验。水银压入法水银有毒且危害环境，负压排水法用水作为测孔介质方便无污染，但一直存在织物亲水性的问题难以解决;泡点法可获得较好的孔径分布曲线，却没有很好的模拟实际使用情况;渗透法虽省时、可靠，却不能获得孔隙分布曲线。鉴于各方法各有优劣，目前，国内外普遍采用的为筛分法。筛分法分为干筛法、湿筛法和动力水筛法。干筛法存在静电现象，影响结果的准确性;湿筛法试验条件接近实际工作条件，但水流不易控制，操作复杂;动力水筛法则需时太长。此3种方法各有其优缺点，干筛法由于方法较成熟，经验积累多，是目前国内用得最多的方法。

三、孔径测试标准

目前，国内外已有的孔径测试的标准、试验方法及适用范围如表2所示。

国内关于孔径测试的方法标准一共有4个，分为干筛法、湿筛法、泡点法、毛管流动孔隙仪法。其中GB/T 24219—2009适用范围限制为机织过滤布，而GTT TM 017—2010毛管流动孔隙仪法的适用范围为孔径为0.013μm～500μm的所有非织造材料，相比之下，干筛法、湿筛法的适用范围比较广泛。国内产品标准采用最多的也为筛分法，各产品标准采用的方法标准情况如表3所示。国内产品标准采用最多的为GB/T 14799—2005《土工布及其有关产品有效孔径的测定干筛法》，其次是湿筛法GB/T 17634—1998《土工布及其有关产品有效孔径的测定湿筛法》，主要在国标中采用。另外，交通部JTG E50—2006《公路工程土工合成材料试验规程》及水利部SL/T 235—1999《土工合成材料测试规程》中应用的方法均为标准自带方法，试验方法为干筛法，基本原理与GB/T 14799—2005相同。

四、结论

土工布越来越多地被用作公路、铁路、土木、水利等工程材料。孔径是土工布水力学特性中的一项重要指标，它反映土工织物的过滤性能，既可评价土工织物阻止土颗粒通过的能力，又反映土工织物的透水性，而土工布孔径的测定结果与其所选用的测试方法密切相关。目前国内外土工布孔径大小及分布测试方法各不相同，各有优缺点。因此研究土工布孔径测试方法对进一步推动土工布在工程建设中的应用具有非常重要的意义。