土工布孔徑測試的基本原理及國內(nèi)外測試標準
土工布的孔徑是工程應用的重要技術指標，本文介紹了土工布孔徑測試的基本原理及國內(nèi)外測試標準
情況，并對方法及相關標準進行了比較分析。
土工布是用合成纖維紡織或經(jīng)膠結、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，它是使用機械的、化學的、熱力的或者其他的方法，使纖維網(wǎng)固結在一起而形成的纖維結構材料。
非織造土工布獨特的纖維三維網(wǎng)絡結構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為其孔徑。準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行篩析，當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《土工合成材料應用技術規(guī)范》及SL/T225—1998《水利水電工程土工合成材料應用技術規(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用技術規(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。采用不同的篩余率標準，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產(chǎn)品有效孔徑測定中的濕篩法。
1.4泡點孔徑
濾布一側的氣體穿過濾布到達另一側的水中而產(chǎn)生氣泡，用此方法計算出濾布孔徑[11]。
1.5最大泡點孔徑
當氣體穿過濾布到達水中產(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孔隙的百分數(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，它是影響土工布滲透性等水力性能的重要因素[13]。
目前，在各標準中，關于等效孔徑、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)部孔隙結構，因此此法只適合于規(guī)則的織物，且測試結果具有一定的隨機性，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，負壓排水法用水作為測孔介質方便無污染，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，影響結果的準確性;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、孔徑測試標準
目前，國內(nèi)外已有的孔徑測試的標準、試驗方法及適用范圍如表2所示。
國內(nèi)關于孔徑測試的方法標準一共有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)品標準采用最多的也為篩分法，各產(chǎn)品標準采用的方法標準情況如表3所示。國內(nèi)產(chǎn)品標準采用最多的為GB/T14799—2005《土工布及其有關產(chǎn)品有效孔徑的測定干篩法》，其次是濕篩法GB/T17634—1998《土工布及其有關產(chǎn)品有效孔徑的測定濕篩法》，主要在國標中采用。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》中應用的方法均為標準自帶方法，試驗方法為干篩法，基本原理與GB/T14799—2005相同。
四、結論
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特性中的一項重要指標，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果與其所選用的測試方法密切相關。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一步推動土工布在工程建設中的應用具有非常重要的意義。