土工合成材料的工程应用

1土工合成材料的工程应用第一节概述土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的新型建筑材料，已广泛应用于水利、公路、铁路、港口、建筑等工程的各个领域。目前，国内外通常采用聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维及聚乙烯醇纤维等原料制造土工合成材料，形成了八大系列产品，如：土工织物、土工膜、土工网、土工格栅、土工席垫、土工格室、土工复合材料及相关产品等。其中土工膜是土工合成材料中应用最早也是最广泛的一种系列产品，土工膜为相对不透水的聚合物薄片，在岩土和土木工程中用于防渗和气体的输送；土工复合材料为用两种以上土工合成材料经人工组合的复合体，用于排水、截水及加筋等。土工膜最早应用可追溯到上世纪二三十年代，人们曾采用聚氯乙烯PVC土工膜作为游泳池的防渗材料；50年代初，美国垦务局采用PVC土工膜作防渗衬砌；前苏联以聚乙烯膜进行渠道防渗。我国对土工膜的研究和应用起步虽较晚，但发展很快。60年代中期，塑料薄膜用于渠道防渗，较早的工程有河南人民胜利渠、陕西人民引渭渠、北京东北旺灌区和山西的几处灌区，主要原料是聚氯乙烯，个别是聚乙烯，以后推广到水库、水闸和蓄水池等工程。70年代中后期利用聚丙烯编织布进行防渗护底处理，1979～1980年宁夏石嘴山市修建了一座容积为25万m3的蓄水池，采用厚度为0.1mm的聚氯乙烯薄膜防渗。1984年陕西西骆峪水库采用三层厚0.06mm的聚乙烯薄膜作防渗。随着高分子化学工业的发展，自20世纪以来相继出现了聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等各种纤维，这些合成材料具有强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀、不会发霉、不怕虫蛀及吸湿性小等特点，用于工程又具有施工简便、易保证质量、施工进度快、造价低等优点，故被人们所重视，应用也日益广泛。目前，国内外堤坝渗流控制中所应用的土工合成材料，主要是透水的土工织物和相对不透水的土工薄膜两大类。本章主要讲述土工膜及其应用，其他类型的土工合成材料在此不再赘述。一、土工膜的种类及性能1．土工膜的种类土工膜是一种由高聚合物制成的透水性极小的土工合成材料。根据原材料不同，可分为聚合物和沥青两大类。为满足不同强度和变形需要，又有不加筋和加筋的区别。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。国内外制造土工膜的基本材料大致可分为如下几种：（1）热塑性材料：如聚氯乙烯（PVC）、耐油聚氯乙烯（PVC-OR）等；（2）结晶热塑性材料：如低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）等；（3）弹性材料：如二烯一异丁烯橡胶（IIR）、氯丁橡胶（CR）、环氧丙烷橡胶（CV）等；（4）热塑性弹性材料：如氯化聚乙烯（CPE）、氯磺聚乙烯（CSPE）、氯化聚乙烯熔合物（CPE-A）等；（5）沥青和树脂：如沥青、煤焦油沥青、改性沥青、环氧树脂和丙烯树脂等。这几种主要材料的性能如表10-1所示表10-1几种土工膜基本材料性能材料性能氯化聚乙烯CPE高密度聚乙烯HDPE聚氯乙烯PVC氯磺聚乙烯CSPE（Hypalon）耐油聚氯乙烯PVC-OR力学特性顶破强度好很好很好好很好撕裂强度好很好很好好很好伸长率很好很好很好很好很好耐磨性好很好好好--热力特性（低温柔性）好好较差很好较差尺寸稳定性好好很好差很好最低现场施工温度（℃）-12-18-1055渗透系数（m/s）10-14--7×10-153.6×10-1410-14极限铺设边坡1：2垂直1：11：11：12现场拼接溶剂很好好很好很好很好热力差--差好差粘结剂好--好好好最低现场粘结温度（℃）-710-7-75相对造价中等高低高中等制造土工膜时还需要渗入一定量的添加剂，在不改变材料基本特性的情况下，改善其基本力学性能、抗环境影响性能和降低成本。沥青类薄膜常用的添加料主要有填料和纤维，有时掺入一定的弹性物质。填料加细粒矿粉，常用的有石灰粉、滑石粉、云母、粉煤灰、石墨等。掺量为沥青与矿粉总重的60%以内，一般为30%。添料的作用在于增加膜的劲度，还可降低成本；纤维一般用石棉或玻璃丝，其作用是增加膜的强度。弹性物质常采用再生橡胶等，掺量一般为5%～15%，其作用是改善膜的物理性质或增强抗裂能力。聚合物类薄膜的添加料有填料、纤维、改性剂、增塑剂、炭墨、抗氧化剂、稳定剂、杀菌剂。填料为上述各种矿粉。常用的纤维有玻璃丝、聚脂或尼龙短纤维等。这两种掺料的作用与沥青类相同，其他掺料各有不同的作用。改性剂是在膜的制作过程中使混合料硬化或软化；增塑剂用于增加膜的柔性；炭黑增加膜的抗紫外线和臭氧等的老化作用，并在制作过程中使混合物保持稳定；杀菌剂用于防止菌类微生物对聚合物薄膜的侵蚀。土工膜的类型大体可分为如下几类：（1）现场制成的非加筋土工薄膜现场非加筋土工薄膜即是在工地防渗面现场（土体或混凝土表面）喷涂一层热的或冷的粘性材料，常用材料是沥青、沥青和弹性材料混合物及其他聚合物（如聚氨基甲酸脂）。这种土工薄膜的主要优点是不存在拼接的问题，价格低，但厚度较厚，约3～7.5mm。（2）现场制成的加筋土工薄膜现场加筋土工薄膜是在现场将一层织物先铺设在需要施工的防渗面上，然后在织物上喷涂一层热的或冷的粘性材料，使透水性很低的粘性材料浸渍在织物的表层，以形成整体性的防渗薄膜。所用的粘性材料与上述第一种土工薄膜相同。起加筋作用的织物，早期主要为玻璃纤维布，现大多使用针刺无纺土工织物。这种土工薄膜的典型厚度为3～7.5mm。（3）工厂预制非加筋土工薄膜预制非加筋土工薄膜使用聚合物、弹性体以及低分子材料通过滚压和挤压工艺制成，是一种没有任何织物加筋的均质薄膜。其典型厚度为0.25～4mm（挤压工艺）和0.25～2mm（滚压工艺）。（4）工厂预制复合土工膜预制复合土工膜是将土工织物通过滚压或喷涂使表面浸渍或粘合一层聚合物薄膜，应用较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量一般为200～600g/m2。复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法，一是将织物和膜共同压成；另外根据工程的质量也可在织物上涂抹聚合物以形成二层（俗称一布一膜）、三层（二布一膜）、五层（三布二膜）的复合土工膜。复合工膜有许多优点，以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；以非织造型织物复合，不仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。2．土工膜的性能土工膜被广泛应用于水利和岩土工程的各个领域。不同的工程对材料有不同的功能要求，并以此选择不同类型和不同种类的土工膜。土工膜的一般性能包括物理、力学、化学、热学和耐久性能等。在工程应用中更重视其防水（渗透性及透气性）、抗变形的能力及耐久性。大量工程实践表明，土工膜有很好的不透水性；有很好的弹性和适应变形的能力，能承受不同的施工条件和工作应力；有良好的耐老化能力，处于水下、土中的土工膜的耐久性尤为突出。总之，可以认为土工膜具有十分突出的防渗和防水性能。土工膜的特性随其类别、制作方法、产品类型的不同而变化较大。（1）物理性能指标①单位面积质量，系1m2土工膜的质量，称为土工膜的基本质量，单位为g/m2。它是土工膜的一个重要指标。土工膜的单价与单位面积质量大致成正比，其力学强度随质量增大而提高。因此，在选择产品时单位面积质量是必须考虑的技术和经济指标。②厚度，指土工膜在2kPa法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为mm。土工膜3厚度随所作用的法向压力而变，规定2kPa压力表示土工膜在自然状态无压条件下的厚度。（2）力学性能指标，针对土工膜在设计和施工中所受荷载性质不同，其力学强度指标分为下列几种：抗拉强度、握持强度、撕裂强度、胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度等。在前3项强度试验中，试样均为单向受力，其纵向和横向强度需分别测定；而后4项强度的试验都表示土工膜抵抗外部冲击荷载的能力，其共同特点是试样均为圆形，用环形夹具将试样夹制住，承受轴对称荷载，纵横双向同时受力。在上述众多力学指标中，最基本的是抗拉强度。①抗拉强度和延伸率，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表示土工膜在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，其对应抗拉强度的应变为土工膜的延伸率，用百分数（%）表示。抗拉强度是力学性能中的重要指标，用于产品质量控制。聚合物土工膜拉断时的极限延伸率可达到150%～900%。加筋土工膜的最大抗拉强度高达10～30KN/m。②握持强度，是反映土工膜在挟持情况下分散集中荷载的能力，经常用作土工膜的质量控制。试验时仅1/3试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土工膜对集中荷载的扩散范围越大，则握持强度越高，单位为N。③撕裂强度，是土工膜沿某一裂口或切口蔓延过程中的最大拉力，单位为N。④胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度，这四个强度都表示土工膜抵抗外部冲击荷载的能力。其差别是试验时试样尺寸、加荷方式不同，胀破强度单位为kPa,其它3项强度单位为N。水力胀破试验是确定土工膜平铺在孔洞上的抗拉强度，以模拟实际情况。圆球顶破试验是量测土工膜的局部顶破强度，是土工膜的基本特性指标之一。CBR试验是模拟土工膜铺设在软基和密实的粗粒料间，土工膜所能承受的应力。水力刺破试验是量测土工膜支承在带有尖锐棱角的支承物上时的刺破强度。各试验示意图见图10-1所示。图10-1顶破类试验示意图（单位：mm）(a)胀破试验；(b)CBR顶破试验；(c)圆球顶破试验；(d)刺破试验。除抗拉强度外，其它各力学强度指标并不直接用于设计，它们主要是作为参考指标，根据工程实际情况，便于对产品进行比较和选择。（3）水力性能指标，主要为渗透系数或抗渗强度，是土工膜很重要的水力特性指标，反映土工膜的抗渗透能力。其渗透系数或抗渗强度通过抗渗强度试验确定。（4）土工膜与介质面相互作用性能指标，即土或混凝土面—土工膜界面的摩擦系数，土工膜埋在土中，通过土—土工膜界面摩擦力传递土中应力，形成连续稳定的应力场；土工膜铺设在混凝土或沥青面板上联合防渗，两种介质间通过胶结粘合在一起，共同承担防渗作用，通过界面摩擦力抗衡内部孔隙水应力，防止滑坡形成稳定的复合坝面体。需通过试验方法确定土工膜与界面间的摩擦系数。（5）土工膜的耐久性指标，影响聚合物土工膜耐久性的因素包括：热、光、氧、臭氧、湿气、大气中的二氧化氮和二氧化硫、溶剂、低温、酶和细菌、应力和应变等。土工膜的破坏可能由于：反聚合作用和分子断裂使聚合物分解，从而使聚合物物理性能衰化和发生软化；失去增塑剂和辅助成分，导致聚合物硬化变脆；薄膜遇液体发生膨胀或溶解而发生强度的衰减，渗透性增大；接缝不良或拉开。聚合物土工膜一般不会因温度而分解，只有工业废水池中衬护聚合物薄膜会因氧化温升而起分解作用。许多聚合物对紫外线很敏感，会使聚合物分解（加炭黑后可增强抵抗紫外线分解的能力）。臭氧破坏不饱和主链，当聚合物薄膜的拉应变达15～25%时，容易受臭氧作用而开裂。在长期应力或反复应力作用下，有的聚合物会因蠕变或疲劳而变薄、破裂。聚合物一般能抵抗生物分解，但增塑剂或其他单体成分会在湿空气中产生生物分解，而变软或发脆。交联型聚合物有很好的抵抗化学分解的能力；结晶型聚合物成分简单，含增塑剂和填充4料很少，不会因增塑剂容易丧失而很快老化。PVC是热塑型的，老化快。丁基橡胶薄膜是由异丁烯和小比例的异戊二烯聚合而成的，它主要具有烷族的性质，允许硫化处理，是紧序高分子，具有很好的抗氧化、化学、紫外线等侵害的性质（但容易被臭氧破坏）。土工膜耐久性指标主要有耐磨、抗紫外线、抗生物、抗大气环境等多种指标，但大多没有可遵循的规范、规程，一般根据工程实际情况，按工程经验来选取。当土工膜铺设于渠道边坡和渠底时，上面应覆盖土厚25～30cm，当土工膜铺设于混凝土或沥青混凝土面板上时，上面应设置10～20cm厚的防护层。二、土工膜在水利防渗工程中的应用土工薄膜是由高分子聚合物制成的透水性甚小的材料，渗透系数一般为10-11～10-12cm/s，这样低的透水性是一种颇为理想的防渗材料。其在水利防渗工程中可应用于以下几个方面：（1）堤坝的防渗斜墙或垂直防渗心墙。（2）透水地基上堤坝的水平防渗铺盖和垂直防