堤防工程土工合成材料应用技术(2)

发表日期:2004-12-06 浏览人数: 作者:包承纲 主编 来源:水利工程网  评论
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第一节 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”(geo)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(related product)”。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-301400C,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1-1所示。

1-1

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

强度

弹性模量

破坏应变

蠕变性

 

抗紫外线

耐碱性

耐霉、耐虫

 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。1926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1000m2,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1968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。

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。

 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和大量的水利及堤防工程中都得到应用。1974年江苏省江都嘶马用织造型土工织物制成的软体排,结合混凝土块压重,进行长江护岸。稍后江都西闸和湖北省长江堤防也都采用了软体排。非织造土工织物用作反滤料的工程实例更多,云南麦子河水库用得最早。80年代中期,非织造土工织物在尾矿坝和灰堤等工程中得到应用。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,80年代末已成功应用于30多项工程。加筋土挡墙已修建不少。近年来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开始应用。根据不完全统计,迄今我们采用土工合成材料的工程已逾8000项。

  在1998年夏秋,在长江和松花江、嫩江特大洪灾的防汛抢险工作中,土工合成材料发挥了重要作用。国务院领导高瞻远瞩,在灾后多次批示和指示,工程界和制造厂商积极响应,展现了前所未有的应用土工合成材料热潮。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。

[责任编辑:yeguiren]

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