针刺非织造土工布透水性测试方法

排水、过滤是土工织物的主要功能之一。作为滤层材料必须具备两个条件 :一是必须有良好的透水性能 ,当水流通过滤层后 ,水的流量不减少 ;二是必须有较多的孔隙 ,其孔径又比较小 ,以阻止土体内土颗粒的大量流失 ,防止产生土体破坏现象。因此土工织物的渗透系数和孔径大小是评定土工织物的重要指标[2 ] 。
目前开发的涤纶短纤针刺土工布 ,不仅有良好的透水、透气性能 ,而且有较小的孔径 ,孔径的大小根据土的颗粒情况可以在制作时加以调整 ,因此当水流垂直织物平面方向流过时 ,可使大部分土颗粒不被水流带走 ,起到滤层作用。由于应用于不同的工程 ,对土工布的渗透性、排水性要求也各不相同 ,而透水性测试是复杂和费时的 ,相对透水性来说 ,土工布的透气性测定 ,其方法简单 ,测试方便。因为土工织物的透水性和透气性都与织物的孔隙率或紧密程度、孔径分布、厚度有关 ,如能以透气性测定代替透水性的测定 ,从织物透气性的实验值计算得到织物透水性数值 ,则可以大大节省实验时间 ,简化实验程序。同时 ,目前有关土工织物的渗透性测试的方法有单层织物或多层织物两种 ,两者间的测试结果是否相同也是人们关心的问题。本文就上述两个方面进行了实验探讨 ,为以后的测试和生产厂对产品透水性能的预测提供参考。

1 　实验
111 　实样规格
本文所用的针刺涤纶短纤非织造土工布试样均取自上海工业用呢厂。
112 　实验方法
11211 　透水性试验
土工布的透水性实质是在织物两边存在水压差的条件下 ,水流通过织物空隙的现象。当水力梯度不大时 ,可认为水流垂直通过土工织物呈层流状态和服从达西定律。垂直渗透测试仪是用来测定土工织物在层流状态下的透水性指标 :透水率和垂直渗透系数。垂直渗透系数是渗流的水力梯度等于 1 时的渗透流速 ,透水率则是水位差等于 1 时的渗透流速[3 ] 。
11212 　透气性实验
透气性实验是在 YG461 型织物中压透气仪上进行的 ,透气的实质就是在织物两边存在一定压力差的条件下 ,空气从压力较高的一边通过土工布 ,流向压力较低的一边的过程。根据流体的连续性原理与伯努利原理 ,并考虑实际气体的粘滞性与可压缩性 ,可导出流体的流量方程式 ,从而得到透过试样的空气流量。透过试样的空气流量与气孔直径的平方成正比 ,在织物两侧压力差一定条件下 ,织物透气量与空气室中气孔前后的静压差有关。而气孔直径可根据非织造布透气性的大小而选用。本实验中试样直径为 70 mm ,选用了 3 种不同的孔径[4 ] 。
11213 　测试仪器测试土工布厚度的仪器为 YG(B) 141D 型织物厚度仪 ,压脚面积为 1 000 mm2,砝码为 200 cN ,压 30 s。

2 　实验结果与分析讨论
五种不同规格针刺非织造土工布试样的透气量和透水性的实测结果列于表 2。211 　织物的透水性与透气性间关系表 2 中五种针刺非织造土工布的透水率和透气量的实测结果如图 1 所示。
由图 1 可知 ,土工织物的透气量增大 ,透水率也随之增大 ,且随着透气量的增加 ,透水率的增加速率降低。织物的透气性取决于织物中空隙的大小和数量 ,而空隙的大小和数量又将取决于纤维性状、生产工艺、织物厚度及后整理方法等因素。织物中的纤维越细 ,空气透过的阻力越大 ,透气量越小。大多数异形纤维制成的织物透气性比圆形纤维好。织物越厚 ,透气性越小。而织物的透水率也与织物结构、材料性能和织物的厚度有关[3 ] 。
根据表 2 实测数据 ,透水率 ( y) 和透气量 ( x)间的关系可用下列回归方程表示 :y = - 1. 713659 E - 6 x2+ 6. 537327 E- 3 x - 3. 144929 (1)方程 ( 1) 的残差平方和 Se为0 . 2048 ,σ3 为0. 2613 ,较三次方方程的拟合程度好。选取针刺密度为 450 针/ m2 的 400 g/ m2 和 250 g/ m2 的针刺土工布进行了验证 ,得到其透气量分别是 1 367L/ (m2·s) 、2 132 L/ (m2·s) ,代入方程(1) 得到理论上透水率分别为 2. 589 1/ s、3. 003 1/ s ,实际得到的透水率分别为 2. 42 1/ s、2. 818 1/ s ,两者相对都比较接近 ,误差都在 6 %左右。
土工织物透气量与垂直渗透系数间的关系如图 2 所示。
由图 2 可以看出 , 土工织物垂直渗透系数随着透气量的增加而增加 ,两者间成一次线性关系。根据表 2 实测数据进行拟合得到的回归方程为 :y = 4. 99619 E - 4 x - 0. 0715 (2)
　　相关系数为 0. 99592 ,对于 n = 5 ,α= 0. 01 ,查表 知临界相关系数为 r0. 01 = 0 . 95873 , 因 R =0. 99592 > r0. 01 ,表明在α= 0. 01 的显著水平条件下 ,线性回归效果显著 ,拟合程度较好。选取针刺密度为 450 针/ m2 的 400 g/ m2 和 250 g/ m2 的针刺土工布进行了验证 ,得到其透气量分别是 1 367L/ (m2·s) 、2 132 L/ (m2·s) ,代入方程 (2) 得到理论上垂直渗透系数分别为 0. 6115 cm/ s、0. 994cm/ s ,实际得到的垂直渗透系数分别为0. 673 cm/ s、1. 063 cm/ s , 误差分别为 10 %、7 %左右。
由垂直渗透系数和透水率的定义可知 ,前者应与土工织物厚度无关 ,是表示织物中单位水力梯度下的流速 ;而后者是织物在单位水力差时的渗流流速 ,与织物厚度有关 。
虽然透气量 Q 与垂直渗透系数 Kn 有较好的线性关系 ,但从物理意义上说 ,由方程 (2) 来预测Kn 是不合理的 ,因织物的厚度对垂直渗透系数的计算影响很大。为此 ,当用透气量预测土工织物透水性时 ,应用方程 (1) 算出透水率 ,然后乘以织物厚度得到垂直渗透系数较为合理。
212 织物孔隙率与垂直渗透系数间的关系织物孔隙率是织物结构特征的重要参数之一 ,当在纤维纤度一定的情况下 ,织物的垂直渗透系数与织物的孔隙率将存在一定的理论关系。表1 中五种针刺非织造土工布的孔隙率与其垂直渗透系数实测值间的关系如图 3 所示。由图 3 可以看出 ,织物的垂直渗透系数 ( y)随着织物孔隙率 ( x) 的增加而增加 ,可拟合得到下列线性回归方程 :y = 9. 3173 x - 8. 0645 (3)
　　相关系数 R = 0. 9504 ,在显著性水平α= 0. 05下 , r0. 05 = 0. 8783 , R > r0. 05表示垂直渗透系数( y)
与土工织物的孔隙率 ( x) 成较显著线性关系 ,实验表明土工织物的孔隙率对其垂直渗透系数影响很显著。影响织物的孔隙率主要有针刺密度、针刺深度 ,以及纤维纤度和织物的厚度。在针刺非织造土工布定量和纤维纤度一定的条件下 ,可以改变针刺密度和针刺深度以满足土工织物垂直渗透系数的性能要求。
垂直渗透系数是用于反滤、排水土工织物的重要性能指标。在施工设计中要求土工织物的垂直渗透系数和土层的渗透系数相匹配 ,由于一般土工布生产厂不具备垂直渗透系数的测试设备或不便于测试 ,因此 ,本文研究结果可以给生产厂为预测土工织物的透水性指标提供一种方法[5 ] 。
213 　土工织物层数与垂直渗透系数间关系为了研究土工织物的测试层数与垂直渗透系数之间的关系 ,应用表 1 中 2 号试样测定了不同层数试样的垂直渗透系数 ,其结果如图 4 所示。由图 4 可知 ,垂直渗透系数随着层数的增加而不断降低 ,表明织物的垂直渗透系数的实测值与层数有关。理论上织物的垂直渗透系数 Kn 与厚度δ无关 ,δ增大 ,土工织物上下面测压管水位差 Δh 也增大 ,根据公式 :
　　可以看出 ,在一定的条件下 ,织物的垂直渗透系数是恒定的。当厚度增大时 ,在相同的条件下 ,压力差 Δh 增大。当在单位厚度织物中的水位差一定时 ,织物中的渗流流速应保持不变 ,即垂直渗透系数应为与织物厚度无关的表示材料渗透性能的物理量。但是由于织物在无压的状态下自由地叠合在一起 ,层与层之间可能存在间隙 ,形成界面 ,水流经过界面时 ,不像织物内部那样畅通 ,出现流速减慢、流量减少 ,从而出现界面能量损耗 ,层数越多 ,能量损耗越大。当其他条件不变的情况下 ,流速越小 ,流量越小 ,测得的垂直渗透系数就越小。
单层试样测试的优点是符合实际情况 ,但测定时因水位差小 ,测读时常不易准确 ;多层试样测试时可使水位差增大 ,减少因测读水位差不准引起的误差 ,但对非织造土工布 ,多层试样测试所得到的垂直渗透系数将会偏小。

3 　结论
通过对针刺非织造土工织物的透气性、孔隙率与透水率、垂直渗透系数间关系的实验研究 ,得到以下几点结论 :
(1) 非织造土工布的透水率随着透气性的增加而增加 ,两者呈二次方线性关系 ,因此可以测定织物透气量来预测其透水率 ,进而计算织物的垂直渗透系数。
(2) 土工织物的孔隙率与其垂直渗透系数具有近似的线性相关 ,在纤维线密度一定条件下 ,可以由土工织物的孔隙率近似判别土工织物的垂直渗透系数。
(3) 多层叠合非织造土工布试样所测得的垂直渗透系数较单层测试值偏小。

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