土木合成材料在市政工程中的應(yīng)用

劉筑縈

(貴陽觀山湖投資(集團)有限公司，貴州貴陽 550081)

土木合成材料是一類新型合成材料的總稱,主要是將人工合成的聚合物作為原材料的產(chǎn)品。從1960 年開始,土木合成材料中的塑料薄膜開始在我國作為防滲材料在灌溉渠道方面應(yīng)用。在1980 年后,土木合成材料的使用范圍開始逐漸擴大到幾乎所有的建筑工程中。近年來,由于市政工程項目在進行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)路面或護坡塌陷、管口或連接處漏水或脫開、管道淤泥堵塞等眾多問題,因此就會造成后期的維修,不僅延長建設(shè)工程的時間,還會耗費大量人力和財力。探究其原因:一是由于在以砂石為基礎(chǔ)的地基條件下,采用柔性接口就會導(dǎo)致后期沉降不均勻引起管接口漏水的現(xiàn)象,并且降雨時期也會對地基有所擾動；二是由于以普通材料為基礎(chǔ)的護坡材料不能有效防止水土流失,且不能生長植物等。因此,在市政工程后期就會出現(xiàn)沉降不均勻或者塌陷等問題,加強對人工合成的土木材料廣泛發(fā)展和應(yīng)用可以為市政工程中出現(xiàn)的常見問題提供新的解決途徑。

1 土木合成材料分類

土木合成材料以天然或人工聚合物為基礎(chǔ),與土體放置在一起對整體結(jié)構(gòu)起到加強和保護的作用。目前。土木合成材料在多個工程領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛,大體上可以分為土木復(fù)合材料、土木發(fā)泡材料、土木織物材料和其他土木合成材料等。表1 對當前國內(nèi)外應(yīng)用較多的土木合成材料進行介紹,為其在實際市政工程應(yīng)用上提供參考和建議。

表1 土木合成材料分類Table 1 Classification of civil synthetic materials

續(xù)表1

2 土木合成材料在道路防護結(jié)構(gòu)中的作用

2.1 土基加筋加固

在市政工程中,土木合成材料常常被用在加筋土層的墊層,達到加固的效果,尤其是在道路的軟土地基部分,加筋墊層使用非常常見。

在市政工程施工過程中,對路基的處理是具有一定難度的,增加加筋墊層不僅可以將土層中的力分布均勻,還可以增加地基基地的整體性,同時能在一定程度上對填料層厚度進行減少。這樣,可以對整個路基的側(cè)向變形產(chǎn)生約束力,增強土層的剛度和承載能力,提高路基穩(wěn)定性,并且減小不均勻沉降的現(xiàn)象發(fā)生。

加筋墊層的使用在增強基底穩(wěn)定性的同時,還能增強地基像側(cè)面滑動或擠出的穩(wěn)定以及從軟土下層到硬土頂層的滑動穩(wěn)定性[1]。

2.2 路面裂縫防治

在市政工程中經(jīng)常會選擇土木合成材料對老舊的瀝青材質(zhì)路面或者老舊水泥路面加鋪底層,在新建道路過程中也對瀝青底部進行加鋪,這樣可以減緩老舊路面對加鋪層的裂縫反射條件[2]。在一定條件下采用如玻纖網(wǎng)或土工織物可以有效增大市政工程對路面改建時的抗拉強度和最大負荷延伸率。其中使用玻纖網(wǎng)材料的尺寸也有一定要求,在鋪設(shè)時的最大粒徑采取的數(shù)值為瀝青面層材料的0.5～1 倍左右[3]。

市政工程施工過程中用土木合成材料對路面裂縫防止的過程中,要先通過外觀和彎沉值對路面裂縫進行測定,然后再規(guī)劃出使用材料的鋪設(shè)方案[4]。在施工過程中,要保證路面清潔平整,因為土木合成材料需要鋪設(shè)和固定,所以需要嚴格按照規(guī)范和設(shè)計要求進行加鋪[5]。這樣不僅可以在養(yǎng)護期保證材料的使用期限,延緩收縮和開裂的時間,還可以阻止裂縫反射到路基表面[6]。

2.3 堤岸坡面防護

在市政施工過程中,最重要的一方面還包括在生態(tài)工程中的保護作用。目前,隨著“海綿城市”的理念逐漸發(fā)展,在工程建設(shè)當中也占有一席之地[7-8]。因此,在海綿城市建設(shè)過程中,對城市內(nèi)澇問題的合理解決是目前的重中之重。在一些具備“海綿城市”建設(shè)條件的地域,對護坡的建設(shè)和保護不僅可以保護生物多樣性,還可以保護生態(tài)完整性,同時防止水土流失,保證堤岸坡面的穩(wěn)定性。

格賓護岸是一種目前較為新穎的柔性護坡結(jié)構(gòu)材料,它的組成結(jié)構(gòu)是將核心鋅銅絲線變成具有六角形狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),同時在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中填充石料。這種材料具有很多優(yōu)點,例如增加的石料可以使材料表面的粗糙程度加大,有效減弱波浪,減緩沖刷,保護堤岸；具有六角形狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有大孔隙,透水性能優(yōu)異,可以進行物質(zhì)和能量交換；在保護坡面后,覆土層和水面都可以種植植物,起到綠化的作用；賓格護岸中填充的石料還可以選擇一些具有凈水功能的填料,可以降解水中的污染物質(zhì),凈化水質(zhì)；最后,這種土木合成材料不僅環(huán)保,而且穩(wěn)定、防凍、持久性好,可以在南北方堤岸環(huán)境下同時使用[9]。

2.4 提高排水功能

在市政工程中,不能被忽略的一點就是城市排水系統(tǒng)的建設(shè)。土木合成材料對排水系統(tǒng)的作用是因為其中的土木織物可以對水體有一定的收集和輸送的作用。土木織物由于具有織物的特點,因此是一種優(yōu)異的透水性材料,有良好的排水能力,所以在排水系統(tǒng)的施工建設(shè)過程中,經(jīng)常會被與其他類型的元素相結(jié)合使用,例如與排水芯或者穿孔管等等。用于排水系統(tǒng)的土木合成材料的用途相當廣泛,例如城市排水系統(tǒng)、擋土墻的排水和水利建設(shè)中的土石壩排水等。

2.5 增強環(huán)保防滲

由于當前垃圾填埋場的使用不規(guī)范等等,往往會有很多氣體和垃圾滲濾液的流動和揮發(fā),影響土壤和地下水。因此,在土木合成材料中的復(fù)合土工膜就可以用來應(yīng)對此類情況的發(fā)生,它主要被用來防滲。防滲膜一般的組成是由土工織物和土木膜復(fù)合形成的,這種材料不僅可以在垃圾填埋場中提供防滲的效果,同時還抗拉伸和撕裂,物理性能較為優(yōu)異,在施工中不僅可以用于溫熱地區(qū),高寒地區(qū)也可以使用,所以不僅是市政工程中垃圾填埋場的表面可以被使用,還可以應(yīng)用于污水處理廠、礦場、煤堆場等等。

3 土木合成材料在生態(tài)建設(shè)中的作用

3.1 吸附降解有機物

一些天然材料和人工合成材料(包括土木合成材料,如塑料盒纖維等)的使用,由于其比表面積大,因此微生物會比較容易在這種材料上聚集和生長從而形成生物膜結(jié)構(gòu),這種生物膜具有吸附和降解水中有機污染物的作用。在這種材料當中,如仿生的植物型填料(如圖1所示)主要是根據(jù)仿生學(xué)機理,模擬比表面積大的人工彈性材料作為水中植物,采用軟件模擬河道情況,將人工彈性水生植物放置于河道當中,這樣河水中的細菌可以作為微生物的來源,從而在植物表面形成生物膜,氧化并凈化河道中的水質(zhì)。

圖1 生物浮島Fig.1 Biological floating island

3.2 形成凈化體系

目前一種新型的結(jié)合體技術(shù)應(yīng)用較多,它是將綠化與漂浮聯(lián)合到一起使用,被稱為生物浮島。如圖2 所示。這種生物浮島的浮體通常使用的材料為發(fā)泡聚苯乙烯,同時在表面上涂覆聚氨酯涂層,在這種材料上面可以種植植物[10]。在市政建設(shè)中還有一類應(yīng)用廣泛的工程就是形成完好的生態(tài)系統(tǒng)。例如,利用生態(tài)浮島這種新型土木合成材料,在浮島表面種植植物,為鳥類等動物提供生活和繁衍后代的場所,在浮島下部的植物根系組織還可以為水下各種生物、微生物提供合適的生活環(huán)境,形成一種穩(wěn)定的動植物共生體結(jié)構(gòu),對凈化水體有著至關(guān)重要的作用[10]。

圖2 仿生植物填料示意圖Fig.2 Schematic diagram of biomimetic plant filler

3.3 提供生物連通

保證和提高生態(tài)系統(tǒng)的連通性在市政工程建設(shè)中也是重中之重,也是當前工程中需要解決的問題之一。因此,一種具有彈性的組合型材料被研究出來,也就是碎石聚氨酯,這種新型材料是將碎石與聚氨酯攪拌均勻,因為聚氨酯是一種具有粘性的材料,可以將碎石黏在一起。因此,碎石聚氨酯粘性大、彈性好,同時碎石之間的空隙還使得材料具有透水和透氣的功能,使得材料可以在水路和基礎(chǔ)路面上應(yīng)用,維持生態(tài)系統(tǒng)的連通,提高生態(tài)穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

土木合成材料可以作為防護措施,防止水土流失,保護堤岸和路面。

(1)在土基中添加土木合成材料,可以增強土基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和硬度,不僅可以為后續(xù)的市政工程施工打下堅實的基礎(chǔ),還可以減緩裂縫的產(chǎn)生,增加了路面的使用時間和安全性。

(2)這類材料具有空隙結(jié)構(gòu),具有優(yōu)異的透水性,不僅可以保證堤岸內(nèi)外部的水分和養(yǎng)分的交換,還對植物的生長、水體的凈化有良好作用,保證了生態(tài)結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。

土木合成材料在市政工程中不僅可以單獨使用,還可以與其他種類的材料配合使用,可以對路面加筋加固、保護堤岸、減弱路面裂縫等作用,同時還可以作為排水體在明渠、暗渠等情況下使用。土木合成材料在市政工程中的廣泛使用,具有節(jié)約資金、縮短工程周期和對建筑施工保證安全的重大意義。