结构性压花土工膜的物理特性

土工膜
在过去的20年中,固体废物填埋场最终覆盖系统的边坡失效已得到充分记录,过去三年内发生了许多值得注意的事。尽管已知的岩土工程故障原因和已知的避免斜坡故障的设计方法都发生了滑动故障。许多此类故障发生在与土工合成材料的界面处,较为突出的是土工膜土工织物界面或土工膜土壤界面。80年代的早期故障促使制造商开发并提供具有“纹理”表面的替代土工膜,该表面增加了摩擦特性,从而增加了防止滑动故障的安全系数。然而,事实证明,通过吹膜共挤工艺(HDPE和LLDPE)制造的常见类型的“纹理”在表面摩擦值和片材质量(粗糙高度不一致、纹理表面和交叉辊摩擦值)。结构化或压花HDPE和LLDPE土工膜已提供给土木工程界和垃圾填埋场所有者和设计师超过10年。它们在封闭设计中的使用一直在稳步增加,尤其是在过去五年中,因为业主和设计师发现并要求这种类型的土工膜具有始终如一的高质量纹理和/或结构化特征,这是由于其独特的制造工艺结合了平面模具挤压和压花。
HDPE和LLDPE的表面纹理方法,以下段落将简要描述和讨论北美目前使用的两种主要表面纹理方法。
结构化(压花)土工膜纹理,在土工膜的平模制造过程中,热挤压聚合物片材在两个反向旋转的热压辊之间运行,热压辊包含均匀的结构模具形状,以形成模制或“压花”结构或纹理表面,这是土工膜的一个组成部分片而不影响芯厚度。这种方法已经使用了20多年,旨在克服共挤工艺中常见的不均匀性、可变面积覆盖、可变峰谷、可变厚度和机械性能降低等问题。结构化的一个主要优点是能够在上下土工膜片材表面上形成非常不同的表面纹理,从而定制特定的应用(即顶部排水和底部侵蚀性摩擦表面)。
共挤土工膜质地,在吹膜共挤过程中,熔融聚合物通过周长达10米的同心环模头挤出两层或三层。外模和内模用于生产层,这些层可以通过引入并允许氮气逸出来“纹理化”或粗糙化。纹理是通过挤出机的剪切作用打破发泡剂(氮气)膨胀时冷却形成的气泡而形成的。众所周知,这个过程在不同制造商之间是高度可变的,甚至在单个卷内或跨卷宽度也是如此。
尽管纹理无法分离或剥离,但由于引入了表面上没有的峰谷或表面缺陷,板材的关键机械特性(即拉伸应力、应变、撕裂和多轴响应)大大降低一张光滑的床单。此外,核心厚度的不均匀性甚至用于确定厚度的方法一直存在疑问,并且经常是验收测试中的争论。
设计考虑的比较特性,除了上面讨论的表面纹理方法的明显差异和卷与卷之间或卷内在共挤纹理土工膜上的明显不一致之外,在纹理土工膜的设计和最终选择过程中还应检查以下考虑因素。
机械性能降低的可能性,必须考虑由于共挤等变形工艺导致所需板材厚度的机械性能降低,特别是从长期来看,由于沉降或局部沉降会发生应力增加,并且还会影响平面外(多轴)响应作为压力下的接缝强度。
由于引入由共挤出过程引起的凹口或缺陷,对环境应力开裂的敏感性再次增加,因此也会发生降低的拉伸强度和在负载下断裂的应变。使用平模挤压工艺,土工膜的机械拉伸、伸长率和其他性能更接近光滑板材的值,并且不会因卷材而异,因为在制造过程中不会引入缺陷或厚度变化。
剪切面的相互作用,根据项目设计要求(即陡坡、地震响应、施工和服务荷载),必须考虑峰顶和大位移(峰后)界面强度。由于土工织物纤维撕裂、拉出和剪切取向,共挤纹理土工膜相对于土工织物表现出较大的峰后强度损失。除了土工织物纤维/纹理相互作用之外,纹理本身可能会梳理(叠加),从而导致峰值后剪切强度大大降低。但压花表面纹理在垃圾填埋场封闭设计中常见的较低法向应力下表现出更高的界面剪切强度和更低的峰后强度损失。
土工织物表面的可施工性一些设计需要将带纹理的土工膜直接放置在土工合成粘土衬垫(GCL)上,或者将土工网复合材料或土工布直接放置在带纹理的土工膜表面上。这需要将非织造土工布与纹理表面连接起来。粘附到共挤纹理表面在现场放置过程中通常会出现问题,需要非常小心定位或使用衬纸。
另一方面,压花土工膜表面可以轻松定位土工织物和土工复合材料。“钩环”现象的量化一直是广泛测试的主题,特别是测试剪切过程中对界面剪切和纹理表面的影响。
通过压花制造的具有纹理表面的土工膜提供一致的质量均匀的纹理,这将提供必要的界面剪切强度,而不会产生共挤吹膜制造过程的不利影响。此外,关于CQA现场测试和实验室一致性测试,结构化或压花纹理土工膜将提供从卷到卷和跨卷宽度的一致值,从而提供必要的设计可靠性。
质量测量,为了正确确定吹膜共挤纹理的质量和规格一致性,必须使用两种机械测试方法进行多个位置的离散测量测量纹理土工膜芯厚度的测试方法,使用深度计测量纹理土工膜的粗糙度。
由于表面不均匀,必须对整个卷宽上的许多离散位置进行测试,并用最大值和最小值取平均值。测试技术人员主要根据观察调整测量位置,试图获得最低的核心厚度和最高的凹凸高度。“这两种方法都被证明是有问题的,并导致了制造商和指定者之间的许多冲突”。
大规模直剪性能测试,对于土工膜、土工织物和土工膜、土壤组合,必须使用项目特定的土工合成材料、场地特定的土壤材料、预期的载荷条件、水分、密度条件等来确定接触面的界面强度,特别是界面摩擦强度。大多数情况下,这些表面摩擦测定由经验丰富的人员在经认可的土工合成材料实验室使用大型直剪箱进行,通过直接剪切确定土壤和土工合成材料或土工合成材料和土工合成材料摩擦系数的标准测试。
该测试已成为设计过程以及确定建筑材料质量计划的重要组成部分。表面纹理的一致性在这方面极为重要,并且在一个辊内或辊与辊之间不得发生显着变化。事实上,这对于共挤纹理来说是个问题,与现场实际安装的样品相比,可能只对制造商提供的样品进行一次测试,并且由于低于预期的剪切强度而导致失败。如果现场实际接收的材料的纹理表面有问题,建议对现场接收的卷材进行性能测试,以验证必要的界面剪切性能。