高性能土工復(fù)合排水材料的制備和應(yīng)用

李文杰 中國(guó)交通物資有限公司工程師

土工復(fù)合材料，又稱為土工合成材料，是以復(fù)合材料為原料制備的各種材料的總稱。相較于其他材料而言，土工復(fù)合材料的原料主要是高分子聚合物，通常由煤、石油、天然氣或者石灰石中提煉出來(lái)的化學(xué)物質(zhì)，通過(guò)進(jìn)一步加工而轉(zhuǎn)變成為纖維或者合成材料片材，最后制作成為各種產(chǎn)品。因具有反濾、排水、隔離、防滲、加筋等功能，土工復(fù)合材料多用于涉水類施工項(xiàng)目中。隨著海綿城市理念在城市建設(shè)中的應(yīng)用，根據(jù)海綿城市建設(shè)的需要制備高性能的土工復(fù)合材料，逐漸成為排水系統(tǒng)建設(shè)中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。在實(shí)際的材料制備和應(yīng)用過(guò)程中，更多地要根據(jù)排水施工的需要和要求進(jìn)行針對(duì)性的研究和實(shí)施，以確保材料性能符合排水需求。

1 土工復(fù)合排水材料的特點(diǎn)

土工復(fù)合排水材料之所以擁有廣闊的生產(chǎn)、應(yīng)用前景，主要在于其制備的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用的實(shí)用性?？傮w來(lái)看，高性能土工復(fù)合排水材料擁有以下特點(diǎn)：

1.1 制備原料可選擇性強(qiáng)

生產(chǎn)土工復(fù)合排水材料的主要原料是高分子聚合物，這些物質(zhì)可以從煤、石油、天然氣或者石灰石中提煉獲得，而煤、石油、天然氣、石灰石等能源的廣泛性使得生產(chǎn)土工復(fù)合排水材料的原料比較多，并且具有明顯的可替代性，這使得排水材料的生產(chǎn)比較靈活。

1.2 材料應(yīng)用范圍廣泛

作為一種排水材料，土工復(fù)合排水材料是建筑、橋梁、鐵路、公路等工程建設(shè)中的基礎(chǔ)性材料，這使得排水材料可以在很大的范圍內(nèi)得以使用。并且與傳統(tǒng)排水材料相比，土工復(fù)合排水材料的采購(gòu)成本和使用性能等方面均存在明顯的優(yōu)勢(shì)，成為眾多施工主體重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，材料具有廣泛應(yīng)用的內(nèi)在動(dòng)因。

1.3 應(yīng)用方式易操作

雖然土工復(fù)合排水材料是復(fù)合型材料，但是其復(fù)合性主要體現(xiàn)在材料結(jié)構(gòu)和制備方面，在實(shí)際使用中并沒(méi)有太大技術(shù)性要求。在材料使用過(guò)程中，施工主體只要按照常規(guī)的排水材料鋪設(shè)步驟和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋪設(shè)即可，降低了材料應(yīng)用的技術(shù)難度，使材料可以在短時(shí)間內(nèi)得到正確使用[1]。

2 高性能土工復(fù)合排水材料的制備方法

由于土工復(fù)合排水材料在生產(chǎn)成本、排水性能等方面較傳統(tǒng)材料有明顯的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的排水材料生產(chǎn)商和施工方傾向于采用新工藝制備、使用該類排水材料。結(jié)合相關(guān)資料來(lái)看，土工復(fù)合排水材料的制備方法主要有以下幾種：

2.1 以滌綸和低熔點(diǎn)纖維為原料

李新玥等通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出和驗(yàn)證了以滌綸和低熔點(diǎn)纖維為原料的高性能土工復(fù)合排水材料的制備方法[2]。其具體的制備方法如下：首先，以滌綸和低熔點(diǎn)纖維為原料，使用變量控制法生產(chǎn)出針刺復(fù)合土工布試樣；其次，以高密度聚乙烯（HDPE）和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）為主要原料，使用滾吸工藝生產(chǎn)出排水板；最后，以土工布試樣為濾膜，以排水板為板芯，通過(guò)熱熔黏合的方式制備出土工復(fù)合排水材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該土工復(fù)合排水材料不僅具有較高的拉伸強(qiáng)度，而且具有較高的通水量，能夠在排水系統(tǒng)建設(shè)和使用中發(fā)揮積極性作用。

2.2 以無(wú)紡布和聚丙烯為原料

張韜提出了以無(wú)紡布和聚丙烯為原料生產(chǎn)一種新型土工復(fù)合排水墊的方法[3]。該排水墊在結(jié)構(gòu)上由上下兩層無(wú)紡布包裹中央排水芯板組成，其中排水芯板以聚丙烯為原料，經(jīng)過(guò)特殊擠壓處理，最終呈現(xiàn)出“W”型的縱向全斷面連續(xù)排水通道。該復(fù)合排水材料的制備，不僅成本低，而且排水、反濾、防滲功能比較突出。一方面，上下兩層無(wú)紡布提高了材料的過(guò)濾性能，使材料在實(shí)際使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榇箢w粒物質(zhì)阻塞而導(dǎo)致排水通道堵塞，保證了排水的持續(xù)性；另一方面，連續(xù)且呈直線狀的排水芯板內(nèi)通道，使得多條排水通道相互獨(dú)立，提高了排水效率和效果。

2.3 以薄形土工織物和芯材為原料

閆廣雙提出了以薄形土織物和芯材為原料制備土工復(fù)合排水材料的方法[4]。其提出，土工復(fù)合排水材料是通過(guò)將由不同材料制成的不同形式的芯材包裹在薄形土工織物中，從而組成一種復(fù)合型排水材料。其中，薄形土工織物的制作主要由兩部分構(gòu)成：首先，將聚合物原料加工成為絲、短纖維、紗、條帶；其次，將加工出來(lái)的絲、短纖維、紗、條帶通過(guò)織造的方式加工成平面結(jié)構(gòu)的土工織物。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，這類土工復(fù)合材料除了具有過(guò)濾、排水、防滲的功能以外，還具有加筋功能，即該防水材料可以很好地控制土體，增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性，減少土體變形造成的排水功能弱化。

2.4 以聚氯乙烯、土工織物及聚合物纖維為原料

軟式透水管是一種復(fù)合型防水材料，其是通過(guò)在管道外覆聚氯乙烯或者其他材料保護(hù)彈簧鋼絲圈骨架，并以滲透性的土工織物和聚合物纖維編織物為管壁包裹材料，制作而成的土工復(fù)合管材。目前，使用比較多的是鋼塑軟式透水管，其以防銹的螺旋鋼線為內(nèi)襯骨架，在管材內(nèi)部設(shè)置無(wú)紡布內(nèi)襯，用于過(guò)濾水中的泥沙等雜質(zhì)。同時(shí)，在管材外部覆蓋有高強(qiáng)力的尼龍紗或滌綸紗，用于吸水。作為結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的復(fù)合排水材料，軟式透水管具有全方位的透水性能，可以迅速收集土中的水分。

2.5 以高分子聚合物、土工織物為原料

硬式透水管是以硬質(zhì)材料為主的復(fù)合排水材料，其排水芯材是由高分子聚合物或者其他材料制成的多孔管材，芯材的外部包裹有土工織物的濾層。例如，目前在道路施工中使用比較多的盲溝排水管，就是以高密度的聚乙烯為主要原料，通過(guò)使用抗氧化和抗酸堿腐蝕劑等物質(zhì)，在高溫下通過(guò)熱擠出機(jī)，經(jīng)環(huán)向均勻搖擺擠出后冷卻而成的具有均勻密集小孔的網(wǎng)狀管材。相較軟式透水管，硬式透水管的生產(chǎn)相對(duì)比較容易，而且可以預(yù)防二次滲漏，在排水、防水方面效果較好[5]。

3 高性能土工復(fù)合排水材料的應(yīng)用情況

排水材料作為工程項(xiàng)目施工過(guò)程中普遍使用的施工材料，其性能通常包括吸水性能和排水性能2 個(gè)方面。同時(shí)，考慮到排水材料對(duì)周圍土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，在排水材料制備和使用過(guò)程中，施工主體會(huì)盡可能選擇穩(wěn)定性好的土工復(fù)合排水材料。高性能土工復(fù)合排水材料的制備尚處于探索階段，其生產(chǎn)供應(yīng)僅僅局限在不同的區(qū)域。在不同的地區(qū)，土工復(fù)合排水材料的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也存在明顯的差異。具體來(lái)看，土工復(fù)合排水材料的應(yīng)用主要集中在公路等方面。

3.1 土工復(fù)合材料在公路施工中的應(yīng)用

土工復(fù)合材料在公路施工中的應(yīng)用主要是在路面鋪設(shè)過(guò)程中的使用。在實(shí)際排水材料鋪設(shè)過(guò)程中，施工人員應(yīng)在公路路面排水層、墊層及排水排氣層設(shè)置完畢后，按照工程建設(shè)的實(shí)際情況來(lái)使用相應(yīng)的排水材料。當(dāng)然，實(shí)際的排水材料使用要根據(jù)材料的情況來(lái)確定。以硬式透水管為例，鋪設(shè)時(shí)施工人員要按照自上而下滾鋪的方式進(jìn)行操作，并對(duì)卷材中心軸進(jìn)行焊接作業(yè)。同時(shí)，要利用鋼管和機(jī)動(dòng)車來(lái)提高平面鋪設(shè)的土工膜的穩(wěn)定性，使土工膜充分包裹管材。在有坡度的公路施工過(guò)程中，施工人員要盡可能地使用砌筑混凝土護(hù)坡或者塊石護(hù)坡的方式形成防滲土工膜，提高排水材料的穩(wěn)定性。

3.2 土工復(fù)合排水材料在水利工程中的應(yīng)用

高性能土工復(fù)合排水材料除了隔離性、過(guò)濾性、排水性和防滲性比較強(qiáng)以外，還具有明顯的加筋性能，這使得該類材料在水利工程中得到較為普遍的應(yīng)用。目前，土工復(fù)合排水材料在水利工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在4 個(gè)方面：（1）用于石壩、河堤等水利工程建設(shè)中，主要起到加固軟弱地基、隔離和過(guò)濾水土的作用；（2）用于邊坡維護(hù)方面，主要起到增強(qiáng)邊坡回填與開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性；（3）用于擋土墻的回填，主要起到加筋或錨固擋土墻的面板的作用；（4）用于水工建筑物保護(hù)，主要起到保護(hù)建筑物表面不受水流和波浪等因素破壞的護(hù)坡效果。

3.3 土工復(fù)合排水材料在鐵路工程中的應(yīng)用

土工復(fù)合排水材料的排水、滲水性能使得其成為鐵路工程施工中重點(diǎn)應(yīng)用的排水材料。目前，排水材料主要在鐵路的路基工程中應(yīng)用，體現(xiàn)為基床、邊坡、擋墻反濾層、地基、盲溝、泄水孔等部位的排水方面。其中，在基床方面，通常與一般性的防水材料同時(shí)使用，可以促使基床內(nèi)部下滲的水有效排出基床，保護(hù)基床的穩(wěn)定性；邊坡排水主要是用于排除邊坡中下滲的水；在擋墻反濾層方面，主要是將擋水墻墻背填料中下滲的水排出；地基排水是結(jié)合堆載預(yù)壓等形式將地基中的水排出；盲溝排水是用于收集、排出地基中的地下水；泄水孔是將電纜槽、擋土墻等部位的水引出。隨著我國(guó)鐵路工程項(xiàng)目施工數(shù)量和規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，土工復(fù)合排水材料以其較高的性能而成為鐵路工程使用中重點(diǎn)使用的排水、防水材料。

4 結(jié)語(yǔ)

土工復(fù)合材料作為成本比較低的排水材料，在各類工程項(xiàng)目施工中的應(yīng)用具有積極性的作用。雖然當(dāng)前關(guān)于土工復(fù)合材料制備的相關(guān)研究比較少，并且一些新的制備工藝尚處于研究開(kāi)發(fā)階段，但是，通過(guò)對(duì)土工復(fù)合排水材料制備和應(yīng)用的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，作為一種環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性價(jià)值比較高的材料，并且是施工中不可或缺的基礎(chǔ)性材料，土工復(fù)合排水材料具有廣闊的應(yīng)用空間范圍。當(dāng)然，在實(shí)際的材料制備與應(yīng)用研究和實(shí)踐中，相關(guān)主體尤其是施工主體要結(jié)合工程項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際情況，靈活選擇和使用相應(yīng)的排水材料，使排水材料與施工項(xiàng)目的排水要求相匹配。