预测的孔隙大小特征针刺非织造土工织物进行单轴拉伸菌株

文摘

修改理论模型提出了预测非织造土工织物的孔隙大小特征在某些单轴拉伸压力,考虑平面外的区别泊松比和土工织物平面泊松比的。孔隙大小分布(psd)和O_95年受到不同程度的单轴拉伸压力在两个针刺非织造土工织物被干筛分试验研究。拉伸的纤维取向的变化对孔隙压力和相应的影响大小被图像分析评估。平面外的泊松比和土工织物平面泊松比的检查。比较了预测之间的原始的和修改的模型。结果表明,修改后的模型可以更准确地预测PSDs的下降率,O_95年阿,_98年比原来的一个。修正后的理论啊_95年和O_98年在某些菌株可以提供一个参考过滤设计在工程菌株。纤维使重定向到加载方向的增加导致定向参数与拉伸压力增加,导致孔隙大小的减少。理论PSDs定向参数的变化很敏感。

1。介绍

非织造土工织物被广泛用作过滤、排水材料在各个领域(1]。确保保留土壤没有影响渗透水的流动,土工织物的设计需要满足几个条件,包括保留、渗透率、和anticlogging功能,通常是基于特征孔隙大小之间的关系_95年或O_98年和土壤颗粒大小(1- - - - - -7]。的过滤应用土工织物通常受到拉伸压力并导致明显的非织造土工织物的孔隙大小和渗透率变化(8- - - - - -14]。然而,不牵强附会的孔隙大小通常测试和用于设计,导致失败的工程应用[8- - - - - -14]。因此,准确测定孔隙大小在一定拉伸压力过滤非织造土工织物的设计是至关重要的。

还有有限的理论模型来预测单轴拉伸应变的影响在土工织物的孔隙大小(13,14]。基于泊松多面体理论,可以预测一个半径分布的圆内接多边形,一系列的理论模型的孔隙大小分布(psd)不牵强附会的非织造非织造土工织物结构和建立了(15- - - - - -20.]。模型也被延长了单轴和双轴拉伸应变条件(13,21]。席尔瓦et al。22)已经开发出基于图像的测量技术非织造土工织物的孔隙大小分布取决于理论。此外,三维结构的吸收玻璃垫分离器建立了基于理论(23]。多种多孔介质曾在实验中证明这些模型的有效性,包括非织造heat-bonded土工织物,混合针刺非织造土工织物、非织造土工织物纺粘的,热粘合非织造布的结构,和玻璃垫(12,13,15- - - - - -23]。纤维取向分布是一个重要的参数模型中,需要估计图像分析(17- - - - - -20.]。由于显微镜通常关注的有限层纤维,在文献中使用的样本相对较薄,一般不到250 g / m²(13- - - - - -23]。如果样品比较厚,纤维在深层将模糊,无法评估光学显微镜。

PSDs的理论模型,非织造结构或土工布被假定为各向同性材料(13- - - - - -21),这意味着平面和出平面泊松比值作为相同的值。同时,定向参数K_α在不同级别的单轴拉伸菌株中没有给出文献[13- - - - - -21]。的紧张K_α从一个方程计算而不是使重定向纤维的统计工作13,17]。非织造土工织物和有限的实验进行了验证和改进理论模型。

当涉及到实验对单轴拉伸应变的影响非织造土工织物的孔隙大小或渗透率,结果仍不足(8- - - - - -14]。Fourie和Kuchena8]表明,拉伸应变会导致流量急剧减少通过soil-geotextile系统对针刺非织造土工织物。爱德华兹和宣11)报道,针刺土工布显示流量减少,而热定形非织造土工布经验增加,当让单轴拉伸载荷。吴三PSDs针刺土工织物进行测试和香港24)与单轴拉伸压力减少湿筛分测试。和吴等人的结果。10说明了孔隙大小和平均流速通过两个heat-bonded非织造土工织物随着单轴拉伸应变的增加而增加。似乎单轴应变导致的减少孔隙大小的针刺土工织物、非织造土工织物和heat-bonded观察相反的趋势。仍然需要更多的实验来验证结论(8- - - - - -14,24]。

因此,在这项研究中,现有的模型PSDs受单轴拉伸菌株已被修改,考虑平面之间的差异和出平面泊松比的土工织物。两个针刺非织造土工织物采用干筛分测试(ASTM D4751-16 (A)) (4估计单轴拉伸下的PSDs菌株。定向参数K_α在不同级别的单轴拉伸压力已经从图像分析获得的纤维重新定位。同时,平面和出平面泊松比的土工织物被估计。之间的比较进行了修改后的模型和原始模型的预测与实验结果。修改后的模型可以更准确地预测PSDs的递减趋势,和纠正O_95年和O_98年在某些菌株可作为设计的参考。

2。理论模型

2.1。最初的模型

根据一个不牵强附会的孔隙模型的拉瓦尔大声回答et al。12,13,17- - - - - -20.),PSDs的理论模型进行单轴拉伸压力显示如下。累积概率一个粒子的直径d通过非织造布的层以下方程所示(13,17- - - - - -20.]: 在哪里 在哪里是覆盖参数;是层数;是总纤维体积分数;单轴拉伸应变;是定向参数;是纤维的取向分布函数;和是纤维的取向角受到压力。纤维直径;是无纺布的泊松比。是最初的单位面积上的质量;是非织造布厚度;是纤维密度。参数解释的细节在文献[12,13,17- - - - - -20.]。

2.2。修改后的模型

在方程(4),单轴拉伸非织造土工布的行为作为一个平面应力问题。和出平面泊松比和平面泊松比作为相同的参数 。

根据之前的文献中实验结果和这一研究中,平面外的非织造土工织物的泊松比随似乎小于平面泊松比(13,18,24- - - - - -27]。拉瓦尔大声回答,Agrahari13)表明,机器方向的平面泊松比值介于2.38和3.81之间有两个热粘合非织造布。平面泊松比的关系和纵向应变是由拉瓦尔大声回答et al。18),平面泊松比可以增加从2.1到4.0,增加压力。非织造土工布的平面泊松比的考验Shukla et al。251.75)仍然从0到10%的压力。Kutay et al。26)报道,横向应变总是大于轴向应变的针刺非织造土工布,失败和泊松比等于2.1。在文献中,平面泊松比至少等于或大于1.0。

当涉及到平面外泊松比,胆量et al。27)测试出平面泊松比的两种针刺聚丙烯非织造NW1 NW2。两个平面外泊松比的两个土工织物介于0.21和0.37之间,当压力从0增加到10%。同时,非织造土工织物厚度的减少三个(称为GT1, GT2和g3)与单轴应变测试增加吴和香港24),如图1。减少的厚度拉伸压力大约是线性的。因此,在本研究中,实验数据是线性拟合,拟合的斜坡k用于计算出平面泊松比吗 ,显示如下: 在哪里是在厚度和压力面内单轴拉伸应变。是不牵强附会的土工布的厚度。和GT1, GT2,及至计算是0.17,0.36,和0.14,分别如图1,小于的平面泊松比文献[13,18,25,26]。

在这项研究中,方程(4)修改为以下方程: 在哪里是平面泊松比,它应该决定根据单轴拉伸应变的方向 。和总纤维体积分数是影响平面横向应变以及应变在土工织物的厚度。

因此,修改后的模型PSDs受单轴拉伸菌株结合方程(1)- (3),(5),(6)和(8)。

在土工织物的过滤标准,O_95年是一种常用的特征孔隙大小;它表明,95%的毛孔比大小(小1,4),而理论啊_95年从理论PSD不能读取能完美地适合实验的价值_95年在文献[13,17- - - - - -20.]。如果一个紧张的理论啊_95年需要使用的过滤设计某一工程应变下,理论和实验之间的差异_95年应当予以纠正。实验啊_95年之前的不牵强附会的土工布可以很容易地测试应用程序或由生产。因此,不牵强附会的实验和理论之间的差异_95年可以用来纠正这个错误的紧张理论啊_95年,只要降低率可以准确地预测。然后在单轴拉伸应变 ,的紧张啊_95年用于设计可以计算如下: 在哪里修正后的理论啊_95年的压力下 ,这可能是用于过滤设计标准,是实验啊_95年不牵强附会的的土工布样本,是啊_95年从理论读取PSD在应变0%,是啊_95年从应变下的理论PSD读取 。

3所示。实验的程序

3.1。材料

核实修改模型的合理性,采用干筛分试验测试PSDs的变化两个针刺非织造土工织物在单轴拉伸的压力之下。由于纤维取向需要估计的图像分析,相对较薄的样品了。土工织物被指定为NW100 NW200,表明两土工织物的质量单位面积约107 g / m²和225 g / m²。土工织物的细节描述在表使用1。

3.2。设备和程序

罗和Mylleville28)表明,菌株对土工织物的方向垂直于长轴的路堤可高达10%。Izadi et al。29日)指出,土工布的菌株由于冲击载荷在3.5 - -5%的范围。赢得了和金30.]提到,有6%应变的土工布土壤5米高的墙,和Schimelfenyg et al。31日)发现了一个应变大于7%经土工布和填补容器堤坝的方向。Fourie和艾迪斯(9)得出的结论是,大部分的减少应用程序下的过滤孔径已经发生的最小负荷。据文献记载的应变水平的小于10%,单轴拉伸菌株的3%,5%,10%的人选择学习压力孔隙大小的影响。测试过程如下:(1)一种万能拉力试验装置用于土工布紧张干筛分测试标本。拉伸加载时应用在机器方向测试。土工布标本拉伸时指定的应变,标本被夹了,如图2(一个)。夹子的内部直径200 mm,可安装在直径200毫米的筛子。不牵强附会的标本用于干燥的大小筛选测试见图2 (b)。然后,夹土工布的标本被削减的装置。网格划分的标本在测试之前作为一个指示器的拉伸应变和应变逆转后切割。(2)夹紧试样的显微图像是由显微镜。纤维是公认的手工纤维使用AutoCAD绘制直线^@呈现在图2 (c)。和统计工作是由计算的比例行10°方向角间隔对机器方向0°[12,13,17- - - - - -20.]。然后,定向参数K_α由方程(计算5)。超过120纤维参与每个图像的统计工作。(3)夹的厚度土工布标本2 kPa正常压力下测试厚度测试仪(ASTM D5199-12) [32),这是用来计算出平面的泊松比。的标准偏差在一定应变下的样品的厚度范围从3 - 23所示μm。土工布厚度的变化与拉伸菌株见图3。与方程(7)是用来给平面外的泊松比值NW100 NW200,分别是0.17和0.31。(4)应用商用防静电喷雾均匀土工布。和夹土工布是配备了一个锅和一个封面和固定在机械振动筛进行干筛分测试(ASTM D4751-16 (a)) (4]。球形玻璃珠大小从0.033毫米到0.425毫米不等被利用。(5)土工织物平面泊松比的测试机的图像分析的方向。大小的一个初始样本用于平面泊松比的测试见图2 (d)。土工布标本夹在创建一个100毫米×100毫米平方测试区域。60毫米×60毫米平方了标本。Giroud [33]提到,泊松比来自横向应变的中长标本往往是高估了。因此,线的平均横向应变AB,CD,英孚计算使用的标志广场平面泊松比为方程(10)- (12)。平面泊松比的标准差是0.003 NW100 NW200和0.05,分别为: 在哪里平均横向应变和吗是应变纵向扩展。和紧张的长度和初始长度的线吗 。同样适用于其他标志线。

4所示。结果

4.1。纤维取向

土工织物的机器方向设置为0°的统计数据,这也是在拉伸试验加载的方向。图4不牵强附会的说明了微观结构和紧张(10%)NW100标本。纤维的相对频率的直方图NW100和NW200指定压力图5。随着压力增加,随机分布的纤维使重定向到加载方向图4,同意NW100纤维的相对频率直方图,如图5。相对频率在0°从0.14增加到0.24 NW100和NW200从0.08到0.16,当压力增加从0%降至10%。NW100有增加趋势,纤维的相对频率0°,尤其是来自−20°20°。在图5(一个)纤维的相对频率为0°NW100有点比别人大,与其他方向的相对频率相对统一。同意的结论是,大多数面向非织造土工织物的优先(12,13]。NW200,纤维的相对频率不牵强附会的NW200相对比较统一的图5 (e)。增加应变从0%提高到10%,纤维的相对频率增加从0.09到0.12−10°角,从0.01到0.05 10°角,分别。

定向参数K_α被定义为债券之间的平均距离投影在平面方向(17- - - - - -20.]。的K_α在指定拉伸压力计算方程(5)的乘积的积分和相应的纤维的相对频率从−90°- 90°,表中给出2。的K_α两个样本的增加与单轴拉伸压力。当压力增加从0%提高到10%,K_α从0.63增加到0.76 NW100 NW200从0.63到0.72。

执行参数研究计算孔隙大小分布的不同的值K_α,如图6。当K_α从0.6到0.8增加33%应变下两个样本的0%,NW100 PSDs和NW200朝着小孔隙大小的方向。O_95年从理论读取PSDs减少从319年到238年μm×NW100和从223年到170年的34%μNW200 m×31%。越大K_α是,理论孔隙尺寸越小。理论孔隙大小的变化敏感K_α。因此,准确的测定K_α至关重要的预测孔隙大小拉伸压力之下。理论结果也赞同这种现象,纤维重新定位一个方向结果之间的狭窄空间中纤维和孔隙大小的减少。

4.2。孔隙大小分布

实验PSDs所绘制的累积频率孔隙大小和孔隙大小,呈现在图7。实验PSDs NW100和NW200朝着的方向小孔隙大小的压力日益增加,展示不同大小的减少毛孔。NW100 PSD曲线的形状和NW200不定期在不同菌株不同。根据土工织物的物理性质,从原始模型理论计算PSDs [12,13,18- - - - - -20.和修改模型,贴上“Theo-O”和“Theo-M”,分别在图7。两种理论PSDs减少与增加压力。修改的两个相邻的理论曲线之间的距离小于原来的一个模型。评估两个模型的预测精度是困难的,因为PSDs的形状的两个模型不能适应PSDs完全与实验活动。因此,孔隙大小O特征_95年确定从PSDs量化变化。

O_95年不是很容易受到静电的影响在干筛分的测试中,这可能导致PSDs的上升趋势领域的小孔和影响小尺度孔隙特征的结果(1,4]。因此,阿_95年从理论和实验PSDs读来比较两个模型的预测。理论和实验之间的差异_95年在0%应变是用来计算修正利用方程(9)。实验啊_95年和说明在图8。实验啊_95年值NW100和NW200下降的压力。的下降趋势_95年修改后的模型预测的同意更好的与实验O_95年比原来的模型。原始模型高估了NW100和NW200的下降率。这可能归因于这样一个事实:原始模型高估了平面外泊松比。

5。讨论

拉瓦尔大声回答,Agrahari13)验证他们的模型通过图像分析两个热粘合非织造布结构贴上TB1 TB2。TB1的物理性质和TB2列在下表中3。实验和理论PSDs的原始模型从半对数读取数据。当图的线性范围x设在,相邻之间的距离理论PSDs显然是更大的比实验结果,如图9(一个)和9 (c)。同时,实验PSDs紧张之间的距离和相应的理论不能被忽视的。O_98年值进行单轴拉伸菌株在文献中给出。如果理论啊_98年由方程(原始模型的修正9),与实验结果相比,理论O_98年下降的速度比实验结果与菌株增加,如图10,这是符合减少NW100和NW200的高估。此外,理论PSDs比实验的NW100, NW200 TB1, TB2。

平面外的泊松比值TB1和TB2并不认为在测试。TB1和TB2相对小的厚度,分别是0.44毫米和0.43毫米。薄样品的平面外的泊松比吴的文学和香港24和本研究都是0.17。如果出平面泊松比TB1 TB2假定为0.17,修改后的模型预测的理论PSDs给出数据9 (b)和9 (d)。和相应的修正_98年利用方程(9)如图10。之间的距离两个相邻修改理论PSDs接下来的实验结果比原模型图9。和修改后的模型可以更好地预测的下降率_98年在图10。

虽然平面外泊松比TB1 TB2认为,平面外的结果表明,考虑泊松比可能导致更准确的预测。预测的值_95年和O_98年不是非常准确的模型,而修改后的模型预测的下降率是可以接受的,,求的值_95年和O_98年可以纠正根据精确测量不牵强附会的值。然后阿_95年压力一定可以从修改后的预测模型,可用于过滤标准。在这项研究中,只有两个相对薄非织造土工织物测试来验证模型。额外的实验厚非织造土工织物的孔隙大小和其他测试方法测量需要验证的结论。此外,其他加载方向除了机器方向应该检查。

6。结论

在这项研究中,现有的非织造土工织物的孔隙大小分布模型进行单轴拉伸菌株已被修改,考虑出平面泊松比的影响。实验PSDs朝着的方向小孔隙大小的压力日益增加,表明孔隙大小的减少。实验PSDs的形状不定期与不同菌株。修改后的模型可以更准确地预测的O率下降_95年和O_98年。和原始模型可能高估了降低率和O的价值_95年和O_98年。修正后的阿_95年修改后的模型预测的根据指定的应变可以过滤设计提供参考。

随机分布的纤维使重定向到加载方向增加单轴拉伸应变。纤维的相对频率加载方向增加从0.14到0.24的NW100和NW200从0.08到0.16,当压力增加从0%降至10%。也有增加的趋势在加载方向纤维的相对频率。单轴拉伸应变越大,越大K_α,理论孔隙大小将越小,同意实验结果。理论PSD的变化敏感K_α。当K_α增加了33%,O_95年从理论PSDs减少读取NW200 NW100为34%和31%。

实验结果表明,平面外非织造土工织物的泊松比小于平面泊松比。的出平面泊松比的模型需要考虑土工织物。需要额外的实验来验证的结论。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(51708160)、中国奖学金委员会(CSC号201906125022),研究和创新基金会(2018),山东泰山学者专项基金、山东省自然科学基金,中国(ZR2015PE006),中央大学的基础研究基金(HIT.NSRIF.2017018),和科学研究基金会的哈尔滨工业大学威海(201423年达到(WH))。

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