工程領(lǐng)域高分子土工合成材料的應(yīng)用與施工研究

曹周員

（西安醫(yī)學(xué)院，陜西西安 710068）

高分子土工合成材料應(yīng)用歷史較短，但依舊在巖土工程中起到重要建設(shè)作用。高分子土工材料作為多功能性材料，在工程應(yīng)用中，通常由一種功能進(jìn)行主導(dǎo)，由其他功能進(jìn)行輔助。高分子聚合物土工合成材料拉伸強(qiáng)度、整體性以及延伸性均較高，由此材料制備成的土工材料具有六大功能，分別是：反濾、排水、防護(hù)、加筋、隔離以及防滲。衍生產(chǎn)品在一定周期內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)得到肯定，并完成從單一產(chǎn)品到其他合成材料及復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變，并廣泛應(yīng)用于水利水電、民用及工業(yè)建筑、環(huán)保領(lǐng)域、公路建設(shè)等項(xiàng)目中。

1 土工材料的種類

土工合成材料與常規(guī)鋼材、水泥材料及其他金屬材料在工程應(yīng)用上存在差異，高分子聚合物土工合成材料通過(guò)壓制或拉伸工藝制備成各種樣式的建筑材料，例如膜片、帶狀、網(wǎng)狀等，受工程領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)影響，土工材料的形態(tài)設(shè)計(jì)也越發(fā)多樣化，工程領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)際類別存在較多表述方法，基于《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，大致可以得出土工合成材料的主要種類有以下六種：土工網(wǎng)、玻璃纖維網(wǎng)、土工帶、土工格柵、土工墊、土工膜袋。根據(jù)基礎(chǔ)材料對(duì)土工合成材料展開分類的依據(jù)不僅包括外觀形狀，還有工程性能特征。同時(shí)，基于參與制備的高分子聚合物基材的不同特性，也可以對(duì)土工材料展開進(jìn)一步分類［1］。

2 高分子土工合成材料功能與應(yīng)用

2.1 土工材料的功能分析

土工合成材料不僅具備比重小、抗腐蝕、連貫性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)特征，還具備滲濾性高、孔隙直徑尺寸小以及表面柔和等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與其他組織的有效結(jié)合。

土工合成材料的實(shí)際應(yīng)用功能主要包含六點(diǎn)：第一，材料本身具備濾層功能，可以實(shí)現(xiàn)透水透氣，強(qiáng)化土顆粒穩(wěn)固性；第二，材料在巖土工程中，具有排水功能，能夠代替砂墊層進(jìn)行疏水與排水；第三，材料能夠在不同組織之間起到隔離功能，以此保證組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)掏空與混雜的問(wèn)題；第四，材料通過(guò)特殊工藝制備，可達(dá)成防滲效果，有效避免建筑內(nèi)部受到路表水與地下水侵蝕滲漏的負(fù)面影響；第五，材料具備加筋功能，能夠優(yōu)化土地表面或路面的受力狀態(tài)，強(qiáng)化地基與路基的承載性；第六，材料具備防護(hù)功能，可有效提高土體承受力，減少土體被水流沖擊的影響［2］。

土工合成材料及其衍生制品在優(yōu)勢(shì)特性的加持下，被廣泛應(yīng)用于各種工程建筑項(xiàng)目，以土工織物為例，由于土工織物具備優(yōu)良透氣性與透水性，能夠在水流垂直流過(guò)織物表面的空隙時(shí)，減少土顆粒的流失，保證土體完整性?；诖?，土工織物材料被集中應(yīng)用于反濾層。將一定重量的土工布放在土壤上，土壤中的水可以集中在織物組織內(nèi)部的孔隙中，并且可以沿著織物平面形成排水通道，將水從織物中排出。具有一定抗拉強(qiáng)度的土工布也可用作路基底部，通過(guò)土工布建立隔離層；粉煤灰路堤底部的建造同樣需要采用土工膜或復(fù)合土工膜，土工膜能夠截?cái)嗟叵滤拿?xì)上升，以此排滲出路堤上方的水。此外，土工合成材料可以應(yīng)用于水池、填埋場(chǎng)、地下建筑等場(chǎng)地中，起到預(yù)防各類液體泄漏的作用。

2.2 土工材料應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 土工織物

（1）防裂。土工織物中玻璃纖維合成橡膠板的應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，能夠保證瀝青道路完整、不裂縫。但是此類材料在現(xiàn)代化應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)了自身不平坦、應(yīng)力擴(kuò)散作用小、舊路面貼合效果差等缺點(diǎn)。因此，當(dāng)代土工織物應(yīng)用中，將采取單位面積質(zhì)量較小的針刺無(wú)紡布、紙基復(fù)合布以及新舊路基接茬鋪設(shè)方法展開創(chuàng)新性土工合成織物的防裂處理辦法［3］。

（2）反濾。在九十年代初期，我國(guó)通過(guò)實(shí)踐建設(shè)研究發(fā)現(xiàn)，土工織物在建筑工程項(xiàng)目中起到良好的反濾效果，并堅(jiān)持以此材料作為擋墻工程中盲溝的反濾層。隨著土工織物建筑效果實(shí)踐應(yīng)用得到認(rèn)可，我國(guó)進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，強(qiáng)化土工織物的反濾作用，加深了土工織物用于反濾層的應(yīng)用。

2.2.2 土工網(wǎng)與土工格柵

土工合成材料中的土工網(wǎng)，主要用于加強(qiáng)軟土地基道路的固化，保證低填方路基獲得良好穩(wěn)定性支撐，創(chuàng)建安全可靠的路面。當(dāng)處于填方較高的情況下，土工網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用會(huì)被影響，其抗拉強(qiáng)度將會(huì)受限。因此，土工網(wǎng)加固材料的設(shè)計(jì)與研究開始逐漸轉(zhuǎn)向土工格柵。在以往公路填方路段建設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)軟基進(jìn)行加固處理，為保證加固效果，會(huì)通過(guò)使用雙向拉筋格柵進(jìn)行基底加筋。由于舊路面不具備重做深層加固處理的條件，也不可以大量廢棄，同時(shí)，在軟土基的基礎(chǔ)上更易出現(xiàn)裂縫。因此，使用雙向格柵更符合公路改造的建設(shè)要求。最佳方案便是：首先將已破損的路面進(jìn)行挖出，之后在挖除后的路基層面上加設(shè)土工格柵，最后再補(bǔ)強(qiáng)層。近年來(lái)，為盡快控制橋頭不均勻沉降的問(wèn)題，土工格柵應(yīng)用程度越來(lái)越深［4］。

2.2.3 塑料土工帶

土工合成材料中的塑料土工帶最初應(yīng)用在加筋擋土墻工程項(xiàng)目中，在細(xì)粒土浸水路堤的基礎(chǔ)上，獲得良好的使用效果。基于此，逐漸將塑料土工帶應(yīng)用于多項(xiàng)橋頭填方與立交工程項(xiàng)目中。塑料土工帶在工程建筑領(lǐng)域中的意義在于：其能夠妥善解決地基尚未加固完全、出現(xiàn)工后沉降的問(wèn)題，并能保證在處理過(guò)后保持正常使用狀態(tài)。

2.2.4 復(fù)合土工布

復(fù)合土工布主要用于不透水隔離層中，包括各項(xiàng)構(gòu)造物基礎(chǔ)治理項(xiàng)目，例如防水工程、堤壩、人工湖泊以及路基防水防滲工程。但是，復(fù)合土工布的實(shí)際尺寸直接決定了其在工程中的具體適應(yīng)能力。例如，當(dāng)高分子聚合物土工布的厚度達(dá)到1.5mm時(shí)，就能保證土工布不被回填材料所產(chǎn)生的土壓力與粗顆粒物頂破。

2.2.5 土工排水管

土工排水管屬于地上或地下軟式排水設(shè)施，在較大型工程項(xiàng)目中，會(huì)將管徑為5cm的土工排水管作為盲溝管，管徑5cm的土工排水管能夠有效代替管徑為20cm的無(wú)砂水泥管，同時(shí)，土工排水管還具備易彎曲、不易碎、施工便捷的優(yōu)勢(shì)特征，能夠?yàn)楣こ添?xiàng)目帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)效益［5］。

3 土工合成材料施工發(fā)展方向

3.1 綜合性能

隨著當(dāng)前科技水平的不斷提升，土工合成材料的創(chuàng)新研究與應(yīng)用也在不斷擴(kuò)展和深入，同時(shí)也對(duì)其功能與施工技術(shù)提出更高要求。例如：針對(duì)高寒地區(qū)的路基工程，會(huì)要求高分子聚合物土工合成材料具備良好抗凍脹功能；針對(duì)地震多發(fā)地區(qū)及高速公路的建設(shè)項(xiàng)目，會(huì)要求土工合成材料具備相應(yīng)的抗震與抗蠕變功能；針對(duì)水利工程中的排水固沙項(xiàng)目，會(huì)要求土工合成材料具備防堵性與透水性；針對(duì)液體防滲項(xiàng)目，會(huì)要求材料能夠在焊接過(guò)程中具備耐高溫性，并做到無(wú)縫焊接；針對(duì)植被修復(fù)項(xiàng)目，會(huì)要求材料在一定周期內(nèi)完成自然降解，為植物創(chuàng)造良好生長(zhǎng)環(huán)境。此外，針對(duì)土工合成材料的實(shí)際施工條件，要求其具備耐腐蝕、耐老化、耐高溫等功能［6］。

結(jié)合上述功能性要求，將對(duì)土工合成材料展開案例式說(shuō)明。部分土工合成材料在初始功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)改善相應(yīng)制備工藝實(shí)現(xiàn)材料物理機(jī)械性、耐穿刺性等功能的提高，此外，在維持原有力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，降低材料用量，促進(jìn)了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升。以俄羅斯Machina—TST公司設(shè)計(jì)研發(fā)的土工合成材料INTERTEX為例，此材料通過(guò)玻璃纖維與玄武巖粗砂進(jìn)行強(qiáng)化增固，屬于針刺土工復(fù)合材料。這一土工合成材料能夠優(yōu)化路基彈性模量，將應(yīng)力進(jìn)行分散轉(zhuǎn)移，避免出現(xiàn)反射裂紋的情況，有效延長(zhǎng)道路壽命。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)得出，使用該土工合成材料能夠延長(zhǎng)路面裂縫出現(xiàn)時(shí)間，同時(shí)使瀝青硬度提高1.4倍。

當(dāng)施工環(huán)境相對(duì)較差時(shí)，會(huì)對(duì)土工合成材料進(jìn)行針對(duì)性功能強(qiáng)化，例如通過(guò)增強(qiáng)材料抗紫外線、抗寒冷以及抗高溫的性能，來(lái)幫助材料突破環(huán)境限制。針對(duì)低溫凍害問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)出專門用于隔熱排水的土工合成材料，該材料的基材為聚苯乙烯泡沫板，并在泡沫板的基礎(chǔ)上縫合導(dǎo)水纖維，以此保證材料在季節(jié)性凍土路基中的應(yīng)用，在排除多余水平的同時(shí)，還可有效防止低溫凍害。

除改進(jìn)土工合成材料本身性能外，部分研究人員通過(guò)優(yōu)化材料加工與制備工藝，實(shí)現(xiàn)了高分子聚合物土工合成材料綜合性能的提高。以土工格柵為例，通過(guò)高韌性PET紗線與土工格柵的結(jié)合，能夠創(chuàng)建出穩(wěn)定性更高的互鎖結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)保證土工格柵在土壤受力的情況下，依舊保持良好力學(xué)穩(wěn)定性。此外，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)土工格柵進(jìn)行耐化學(xué)、耐紫外線以及耐微生物性能的改進(jìn)，就使得該材料同時(shí)具備了加固與耐久的兩種功能，能夠在不穩(wěn)定工程項(xiàng)目中起到重要支撐［7］。

3.2 綠色化

綠色可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前工程領(lǐng)域的主流趨勢(shì)之一，在高分子聚合物土工合成材料的綠色化探索與研究正完成著由口號(hào)升為實(shí)踐的目標(biāo)。從一定角度出發(fā)，土工合成材料，尤其在高分子聚合物的結(jié)合下，也屬于綠色工程。相較于傳統(tǒng)建筑材料，土工合成材料的應(yīng)用不僅能夠減少碳排放、節(jié)約材料資源，還能夠提升工程耐久性，并同步實(shí)現(xiàn)了美化環(huán)境的要求。以加筋土工合成材料為例，天然植物纖維材料在工程領(lǐng)域加固項(xiàng)目中的應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，土工合成材料加筋土擋墻比鋼筋混凝土墻更具發(fā)展空間。同時(shí)，土工合成材料自身存在的間隙還保證了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，可以直接作用于植被綠化、坡面修復(fù)等項(xiàng)目，賦予工程一定的環(huán)保意義［8］。

高分子聚合物融合土工合成材料，一方面可以推進(jìn)工程領(lǐng)域的綠色可持續(xù)屬性，另一方面可以突出土工合成材料已有的綠色環(huán)保屬性與標(biāo)志。針對(duì)土工合成材料的綠色化研究、制備以及施工過(guò)程，需要著重強(qiáng)調(diào)材料本身的天然性與可降解性，且在使用過(guò)程中經(jīng)受各種破壞因素的作用而能保持其耐久性能。高分子聚合物與土工合成材料的融合大體分為兩個(gè)角度，一是土工合成材料本身符合回收再利用與資源可再生，二是符合可生物降解。從工程領(lǐng)域的需求出發(fā)，材料耐久性與可降解性存在一定沖突，基于此，只有在特定工程中，例如坡面植被修復(fù)，才會(huì)要求土工合成材料具備可降解性能。通過(guò)回收材料進(jìn)行土工合成材料制備與加工，這一方式代表材料的循環(huán)應(yīng)用符合綠色發(fā)展理念。

想要實(shí)現(xiàn)土工合成材料綠色化全過(guò)程，首先需要從源頭出發(fā)，通過(guò)天然材料進(jìn)行土工合成材料的制備。例如玄武巖纖維，此材料具備良好穩(wěn)定性與絕緣性，其在加工過(guò)程中不會(huì)造成較大環(huán)境污染,且廢棄產(chǎn)品還可以直接投入生態(tài)環(huán)境中。此外，可生物降解的天然纖維材料也是土工合成材料綠色化發(fā)展的主要應(yīng)用物質(zhì)，例如麻、椰殼等，此類材料能夠滿足坡面保護(hù)、植被修復(fù)等特殊化工程項(xiàng)目［9］。

3.3 智能化

在工程建造過(guò)程中，通常會(huì)受到土壤發(fā)生位移與變形的不可控問(wèn)題影響，這一問(wèn)題也是當(dāng)前巖土工程中面臨的安全隱患之一。因此，針對(duì)土工合成材料的研究開始向智能化方向發(fā)展，以土工布為例，其研究與發(fā)展方向?yàn)閷?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息傳輸技術(shù)與土工布的有機(jī)融合。當(dāng)土工布具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息傳輸功能后，即可通過(guò)接收監(jiān)測(cè)機(jī)傳回的機(jī)械形變數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、孔隙壓力數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)等信息，來(lái)判斷巖石結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀況，以保證對(duì)巖石位置與結(jié)構(gòu)的安全性預(yù)判。通常情況下，智能化土工布可分為兩類，一類是將常規(guī)土工織物與傳感器進(jìn)行結(jié)合，從而使常規(guī)土工織物具備智能化傳感功能；另一類是將常規(guī)土工織物與機(jī)敏材料進(jìn)行雜糅復(fù)合，從而生成智能化土工布。其中，由于光纖與纖維物質(zhì)形態(tài)相近，且便于加工，所以，會(huì)以光纖為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕d體，成為智能化土工布的內(nèi)置傳感器。

智能化土工布在使用機(jī)敏材料時(shí)，會(huì)將具有導(dǎo)電性的特殊材料以涂層、層壓的方式與土工布進(jìn)行融合，特殊材料包括石墨烯、碳納米管等，此類機(jī)敏材料能夠有效提高土工布的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性。之后，檢測(cè)人員即可通過(guò)電阻變化情況來(lái)判斷材料的實(shí)際變化情況。與內(nèi)置傳感器的制備工藝相比，機(jī)敏材料與土工織物的結(jié)合可以進(jìn)一步降低智能化土工布的生產(chǎn)成本。智能化土工布在工程領(lǐng)域中提供了健康監(jiān)測(cè)作用，能夠切實(shí)保證工程的安全性與健康性，包括邊坡變形監(jiān)測(cè)、垃圾填埋場(chǎng)和尾礦等滲濾液監(jiān)測(cè)［10］。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，隨著科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展，土工合成材料或?qū)⒃谌蛴瓉?lái)大范圍、多樣式應(yīng)用。歐美國(guó)家在土工合成材料領(lǐng)域領(lǐng)先于其他國(guó)家，擁有高端的市場(chǎng)與先進(jìn)的技術(shù)，而我國(guó)等發(fā)展中國(guó)家的土工合成材料市場(chǎng)是由基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施才推動(dòng)發(fā)展的。我國(guó)應(yīng)吸取采納歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)與理念，多與外界溝通；在技術(shù)創(chuàng)新與研究上，應(yīng)明確土工合成材料的發(fā)展方向，專心鉆研、不斷創(chuàng)新核心技術(shù)。同時(shí)，市場(chǎng)上應(yīng)創(chuàng)立完整的產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)其發(fā)展速度，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。此外，在與其他國(guó)家相互探討學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)信息資源與技術(shù)的共享，在國(guó)際市場(chǎng)中打響我國(guó)品牌，促進(jìn)土工合成材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。