土工合成材料在公路防排水中的应用公路学院公路灾害防治研究所 博士生导师 田伟平 教授 一、综述千百年来，在岩工程中，人们广泛采用的材料主要 是木、竹、土、石等天然材料以及一些金属材料，但它 们都有一些固有的缺陷，例如：性能单一，质量大,寿 命不长,价格昂贵等，故不能全面满足工程的特定需要 。同时天然材料毕竟数量有限，而且不少天然植物材料 如过分利用还会影响自然界的生态平衡，破坏人们赖以 生存的环境空间，例如大规模地砍伐森林树木，破坏地 表植被，会造成水土流失和荒漠化。有些金属材料虽然 性能良好，但容易锈蚀，且成本较高，从而限制了其应 用范围。随着近代化学工业的迅速发展，品种繁多的人工合成材料陆续问世。它们具有多种能满足工程需要的性能，可制成各种符合实用目的的产品，而且由于其质量轻、施工简易、运输方 便、价格低廉、料源丰富等优点，为岩土工程提供了一种崭新 的较为理想的材料，并由此带来一种实施简便和经济有效的技 术途径。鉴于这种人工合成材料的强大生命力，因此近几十年来在全世界范围内得到迅速的发展和广泛的使用。据不完全统计， 它们已在数十万项工程中得到成功的应用，取得了良好的经济 、社会和环境效益；在一些抗御自然灾害的斗争中，更显出其 快捷、有效、简便的特点。无怪乎这一项新材料和新技术被人 们誉为20世纪岩土工程中的一项技术革命。 1、土工合成材料的含义及其应用概况什么是土工合成材料？概括而言，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各种产品的统称。因为它们 主要用于岩土工程，故冠以“土工” 两字，称为“土工合成材料”，以区别于天然材料。土工合成材料在早期曾被称为“土工织物”(geotextile)和“土 工膜”(geomembrane)。随着工程需要，这类材料不断有新的品种出现，例如土工格栅、土工网和土工模袋等，原来的名称已不能 准确地涵盖全部产品，这样，在其后的一段时期内，把它们称之 为“土工织物、土工膜和相关产品(relatedproduct)”。显然，这样的名称不宜作为一种技术名词或学术名词。为此，1994年在新加 坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式确定这类材 料的名称为“土工合成材料”(geosynthetics)。土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它们 是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成 ，再进一步加工成纤维或合成材料片材，最后制成各种产品 。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PER) 、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等。聚乙烯是在1931年前后，首先由英国ICI公司研制成功 的，1939年成为商品在市场上出售，它是聚合物中分子结构 最简单的一种，可分为低分子量和高分子量两类。聚乙烯的 比重为0.92，耐酸碱，抗化学剂能力强，吸湿性低，低湿时 仍具柔性，电绝缘性极好。在1950年前后，又开发出了高密 度聚乙烯(HDPE)材料，其比重、机械强度、熔点和硬度等都 比低密度的为优。聚酰胺约在1935年研制成功，俗名为尼龙，其吸湿性较高，干燥时有一定绝缘性，机械性能好。 聚酯于1941年前后问世，它包括聚酯树脂、聚酯纤维和聚酯橡胶等。聚丙烯于1954年研制出来，1957年成为商品出售。它的比重为0.900.91，耐温范围-30140，耐化学剂性能较好，惰性强，价格低廉，是目前应用最多的原材料之一。此外，常用的原材料还有聚氯乙烯，它的比重为1.4，具有极好的化学稳定性，不燃烧，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。以上五种原材料的性能对比，如表所示。以上五种原材料的性能对比，如表所示。几种高分子聚合物性能对比几种高分子聚合物性能对比性 能高分子聚合物聚 酯聚酰胺聚丙烯聚乙烯聚氯乙烯单位质量高中低低高强 度高中低低低弹性模量高中低低低破坏应变中中高高高蛹 变 性低中高高抗紫外线高中中低高耐 碱 性低高高高高耐霉，耐虫中中中高高应当指出，材料的强度还与纤维的制作方法有关。在应应当指出，材料的强度还与纤维的制作方法有关。在应用土工合成材料时，其性能更受施工方法、应用环境和侧限用土工合成材料时，其性能更受施工方法、应用环境和侧限 压力大小的影响。压力大小的影响。土工合成材料的最早应用可追溯到本世纪二三十年代。土工合成材料的最早应用可追溯到本世纪二三十年代。19261926年美国南卡罗林拉州公路部门曾采用过在棉布上洒沥青年美国南卡罗林拉州公路部门曾采用过在棉布上洒沥青 而制成的材料，其形式类似于而制成的材料，其形式类似于土工膜。其后，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 渠道防渗也有较长历史。以近代人工聚合物为原料的土工织物的最早应用实例，是 50年代初的荷兰三角洲工程。据估计，用量超过了1000万m2， 大大促进了土工合成材料的工程应用。60年代，美国逐渐扩展扩展 了采用土工织物修建护坡下的垫层和反滤以及护岸等，并将土了采用土工织物修建护坡下的垫层和反滤以及护岸等，并将土 工织物铺在沥青路面中以防止路面反射裂缝。土工网于工织物铺在沥青路面中以防止路面反射裂缝。土工网于19681968年年 在日本开始应用，主要用在填土坡，帮助坡缘填土压实，以增在日本开始应用，主要用在填土坡，帮助坡缘填土压实，以增 大其强度和稳定性。与此同时，土工网也被用在软基上筑堤，大其强度和稳定性。与此同时，土工网也被用在软基上筑堤， 以后又发展为在堤底全面铺设。以后又发展为在堤底全面铺设。非织造土工合成材料技术可能于1967年在美国、法国、英 国开始应用，它是一种较厚的聚酯非织造土工织物，作为大坝 上游抛石护坡下的反滤层，或作为基土与其上覆盖的粗粒料之 间的隔离层。非织造织物的出现为土工织物的应用开辟了较广 阔的天地。二十世纪80年代后出现了排水带，路堤下用非织造织物作 加筋，以及土工织物加筋挡墙等应用实例。我国应用土工合成材料开始较晚，但发展速度很快。目前几 乎在各种类型的岩土工程、大量的水利与堤防工程、高速公路工 程中都得到应用。非织造土工织物用作反滤料的工程实例更多，塑料排水带早 在80年代初即在天津新港用于加固软基，目前排水带在高速公路 和机场工程已应用得十分广泛。混凝土模袋最早用于江苏南宫河 口岸，加筋土挡墙已修建不少。我国已能生产土工格栅，其工程需求量很大，预计会大大促 进加筋土技术的快速发展。聚苯乙烯板块在我国寒冷地区早已用 于工程防冻。近来土工格室、植被土工网垫等新技术也已大范围 应用。可以预见，我国的土工合成材料的应用程度、技术水平、以 及产品的质量和品种，在不远的将来必将迈上一个新台阶。2、 土工合成材料的种类我国GB5029098土工合成材料应用技术规范将土工合 成材料分为以下四大类：土工织物、土工膜、土工复合材料和 土工特种材料，它们又各分为数种。1）土工织物(geotextile)土工织物是一种透水性材料，按制造方法不同，可进一步 划分为图示的各种类型。单丝土工织物织造（有纺）非织造（无纺）编织多丝裂膜热粘合化学粘合机械粘合（针刺）单丝土工织物织造（有纺）非织造（无纺）编织多丝裂膜热粘合化学粘合机械粘合（针刺）(1)织造型土工织物(woven geotextile)这类产品又称有纺土工织物，是最早的土工织物产品。它的制造分两道工序：先将聚合物原料加工成丝或纱或带，再借 织机制成平面结构的布状产品。织造时常包括相互垂直的两组 平行丝。沿织机(长)方向的称经丝，横过织机(宽)方向的称纬 丝。这种织物看来简单，却有着不同的丝种和不同的织法。丝种包括单丝、多丝及二者的混合。单丝是单根丝，典型直 径约为0.5mm，它是将聚合物热熔后从模具中挤压出来的连续长 丝。在挤出同时或刚挤出后将丝拉伸，使其中的分子定向，以提 高丝的强度。多丝是由若干根单丝组成的；在制造高强土工织物 时常采用多丝。多丝也有用切割成的短丝(一般长l00mm)搓拧而 成的。早期的土工织物系由单丝织成， 后来发展为采用扁丝。扁丝是由 聚合物薄片经利刀切成的薄条， 其厚度比单丝薄得多，且在切片 前后都要牵引拉伸以提高其强 度。扁丝宽度约为3mm，是其厚 度的一二十倍。目前的大多数 编织土工织物是由扁丝织成， 而圆丝和扁丝结合织成的织物 有较高的渗透性。另一种特殊的扁丝叫裂膜丝(fabrillated yarn)，它是将一 根扁丝剖成许多根细丝，但仍连在一起。由裂膜丝织成的织物较 为密实，柔软而渗透性小。多丝和裂膜丝结合织成的编织物厚度 可达12mm，比扁丝织成的要厚。在织造时，由于梭子要不断地牵引纬丝从经丝的空间中穿过 ，故要求经丝强度比纬丝的高。采用不同的丝和纱以及不同的织 法，可以使织成的产品具有不同的特性。例如平纹织物有明显的 各向异性，其经、纬向的摩擦系数也不一样；圆丝织物的渗透性 一般比扁丝的要高，每厘米长的经丝间穿越的纬丝愈多，织物也 愈密愈强，渗透性则愈低。单丝的表面积较多丝的要小，其防止 生物淤堵的性能要好一些。聚丙烯的老化速度比聚酯和聚乙烯的 要快，等等。由此可见，可以借调整丝(纱)的材质、品种和织造方式等来 得到符合工程要求的强度、经纬强度比、摩擦系数、等效孔径和 耐久性等项指标。在工程实施中应根据具体要求来优选产品，铺设时要注意材 料的合理铺设方向。 (2)非织造型土工织物(nonwovengeotextile)这类产品又称无纺土工2织物。根据粘合方式的不同，非织 造型土工织物分为热粘合、化学粘合和机械粘合等三种。热粘合非织造型土工织物的制造，是将纤维在传送带上成网 ，让其通过两个反向转动的热辊之间热压，纤维网受到一定温度 后，部分纤维软化熔融，互相粘连，冷却后得到固化。该法主要 用于生产薄型土工织物，厚度一般为0.51.0mm。由于纤维是随 机分布的，织物中形成无数大小不一的开孔。再因为无经纬丝之 分，故其强度的各向异性不明显。纺粘法是粘合法中的一种，是将聚合物原料经过熔融、挤压 ，纺丝成网，纤维加固后形成的产品。这种织物厚度薄而强度高 ，渗透性大。由于制造流程短，产品质量好，品种规格多，成本 低，用途广，近年来在我国发展较快。化学粘合法土工织物，是通过不同工艺，将粘合剂均匀地 施加到纤维网中，待粘合剂固化，纤维之间便互相粘连，使网 得以加固，厚度可达3mm。常用的粘合剂有聚烯酯、聚酯乙烯等 。也可以在施加粘合剂前加以滚压，得到较薄的和孔径较小的 产品。这类产品在工程中的应用较少。 机械粘合法是以不同的机械工具将纤维网加固，应用最广 的是针刺法，还有用水刺法的。针刺法利用装在针刺机底板上 的许多截面为三角形或棱形且侧面有钩刺的针，由机器带动， 作上下往复运动，让网内的纤维 互相缠结，从而织网得以加固。 产品厚度一般在l.0mm以上， 孔隙率高，渗透性大，反滤排水 性能均佳，在工程中应用很广。水刺法是利用高压喷射水流 射入纤维网，使纤维互相缠结加 固。其产品较为柔软，主要用作 卫生用品，工程中尚未应用。2）土工膜(geomembrane)土工膜是一种基本不透水的材料。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 和加筋的区分。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造 。制造土工膜的聚合物有热塑塑料(如聚氯乙烯)、结晶热塑塑 料(如高密度聚乙烯)、热塑弹性体(如氯化聚乙烯)和橡胶(如氯 丁橡胶)等。工厂制造土工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。挤出 是将熔化的聚合物通过模具制成土工膜，厚0.254mm。压延则 是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜，厚0.252mm。加涂料 是将聚合物均匀涂在纸片上，待冷却后将土工膜揭下来而成。现场制造土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的粘滞聚合物 而成。沥青土工膜用的是沥青聚合物或合成橡胶。制造土工膜时还需要掺入一定量的添加剂，使在不改变材料基本特性的情况下，改善其某些性能和降低成本。 例如掺人碳黑可以提高抗日光紫外线能力，延缓老化；掺 人铅盐