第二节 土工合成材料的种类

　我国GB50290—98《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。现择要介绍如下。

　一、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1-1所示的各种类型。

图1-1 土工织物分类

　　(一) 织造型土工织物(woven geotextile)

成的短丝(一般长100mm)搓拧而成的。

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。

　(二) 非织造型土工织物(non-woven geotextile)

这类产品又称无纺土工织物。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O.5～1.0mm。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1mm以上，孔隙率高，渗透性大，反滤排水性能均佳，在水利工程中应用很广。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，

二、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0.25～4mm。压延则是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜，厚0.25～2mm。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。例如掺入碳黑可以提高抗日光紫外线能力，延缓老化；掺人铅盐、钡、钙等衍生物以提高材料的抗热、抗光照稳定性；掺人滑石等润滑剂以改善材料可操作性；掺入杀菌剂可防止细菌破坏等。对于沥青类土工膜，其主要的掺人材料是一些填料或纤维。填料可为细矿粉，它能增加膜的强度且降低其成本；加入纤维，也是为提高膜的强度。

三、土工复合材料(geocomposite)

　　土工复合材料是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的制品。这类制品将各组合料的特性相结合，以满足工程的特定需要。不同的工程有不同的综合功能要求，故土工复合材料的品种繁多，可以说土工复合材料是当前和今后一段时期发展的大方向。

　(一) 复合土工膜(composite geomembrane)

复合土工膜是将土工膜和土工织物（包括织造和非织造型）复合在一起的产品。应用较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量一般为200～600g/m²。复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法，一是将织物和膜共同压成；另外也可在织物上涂抹聚合物以形成二层（俗称一布一膜）、三层（二布一膜）、五层（三布二膜）的复合土工膜。

　复合土工膜有许多优点，例如：以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；以非织造型织物复合，不仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。

　(二) 塑料排水带(prefabricafed strip drain）

都采用了强力粘结剂粘合牢固。目前市场出售的管径分别为50.1mm、80.4mm和98.3mm，相应的通水量(坡降i＝1/250)为45.7cm³/s、162.7cm³/s、311.4cm³/s。

　软式排水管兼有硬水管的耐压与耐久性能，又有软水管的柔性和轻便特点，过滤性强，排水性好，可用于各种排水工程中。

　(四) 其他复合排水材料

现在已生产出各种型式芯材和外包滤膜的复合排水材料。芯材有平板上立管柱的，有做成各种奶头形的，有土工网的，还有用塑料丝缠成的网状体的等等(图1-8)，它们均具有较大的排水能力，可按工程需要选用。

图1-8 复合排水材料

　四、土工特种材料

土木特殊材料是为工程特定需要而生产的产品，品种多，现选择几种主要产品说明如下。

(一) 土工格栅(geogrid)

土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔，然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔的板材，如图1-9。加热拉伸是让材料中的高分子定向排列，以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。按拉伸方向不同，格栅分为单向拉伸(孔近矩形)和双向拉伸(孔近方形)两种。前者在拉伸方向上有较高强度，后者在两个拉伸方向上皆有较高强度。

　土工格栅因其高强度和低延伸率而成为加筋的好材料，例如英国奈特龙(Netlon)公司生产的坦萨(TENSAR)SR2(单向)的纵、横向抗拉强度分别为80kN/m和13kN/m，延伸率分别为9％和15％(常温下)。土工格栅埋在土内，与周围土之间不仅有摩擦作用，而且由于土石料嵌入其开孔中，还有较高的咬合力，它与土的摩擦系数可以高达0.8～1.0。

土工格栅的品种和规格很多，目前开发的新品种有用加筋带纵横相连而成的(图1-10)，也有用高强合成材料丝纵横连接而成的，等等。

　(二) 土工网(geonet)

　土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料，应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差异。一般而言，土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高，以英国NETLON系列为例，其抗拉强度仅为2～8kN/m，延伸率一般达到20％以上。

这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。一般说来，它只有在受力水平不高的场合，才能用于加筋。

　　(三) 土工模袋(fabriform)

　土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料，袋内充填混凝土或水泥砂浆，凝固后形成整体混凝土板，可用作护坡。这种袋体代替了混凝土的浇注模板，故而得名。模袋上下两层之间用一定长度的尼龙绳来保持其间隔，可以控制填充时的厚度。浇注在现场用高压泵进行。混凝土或砂浆注入模袋后，多余水量可从织物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使强度增高。

　按加工工艺的不同，可将模袋分为两类，即机织模袋和简易模袋。前者是由工厂生产的定型产品，而后者是用手工缝制而成。

　机织模袋按其有无排水点和充填后成型的形状分成许多种。我国现行的机织模袋有下列五种，其形状、规格与用途见表1-2

1．有过滤点模袋(FP)

　过滤点将上下两片织物连在一起，滤点处不让泵液进入，它可供排除土坡渗水，消除孔隙水压力。这类模袋充填砂浆。

　2．薄型无过滤点模袋(NF)

　这类模袋只有接缝排水，充填料用砂浆，适用于无水位骤降和无防渗要求的护坡。

　3．厚型无过滤点模袋(CX)

　充填细砂混凝土，厚度大，用于重型防护工程，如海湾、码头护岸。

　　4．铰链型模袋(RB)

　这类模袋充填砂浆凝固后，形成许多独立而又以尼龙绳相联的块体，块与块间能自由转动，排水通畅，适用于有较大不均匀沉降和地形变化大的坡面或地基防冲。

　5．框架型模袋(NB)

　　这类模袋充填砂浆后形成方形或长方形格子，格中可种植花草，既可护坡，又美化环境。

　此外，近年来美国HYDROTEX公司还生产一种称为AB型的模袋，其中插有钢筋，为铰链式，强度高，适用于海岸防护。

(四) 土工格室(geocell)

　　土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。典型的条带厚1.2mm、宽100mm，每隔300mm进行焊接。闭合和张开时的形状如图1-11。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。

　　(五) 土工管(geotex tube)、土工包(geocontainer)

　土工管、土工包是用经防老化处理的高强土工织物制成的大型管袋及包裹体，可有效地护岸和用于崩岸抢险，或利用其堆筑堤防，解决疏浚弃土的放置难题。

　　土工包是将大面积高强度的土工织物摊铺在可开底的空驳船内，充填200～800m³料物，将织物包裹闭合，运到一定部位，沉至预定位置。在国外，该技术大量用于环保。

　　(六) 聚苯乙烯板块(EPS)

　聚苯乙烯板块称泡沫塑料，是由聚苯乙烯聚合物为原料，加入发泡剂制成的。它的主要特点是质量极轻、导热系数低、吸水率小，但也有一定抗压强度。其单位体积质量仅20.4～40.8kg/m³，为砂和混凝土的1/50～1/100，属超轻型材料；导热系数为λp＝0.03～0.038kcal／mH·℃，吸水率仅为O.15～0.20g/100cm³。由于其质轻，可用它代替土料，填筑桥端的引堤，解决桥头跳车问题。其导热系数低，故在寒冷地带，可用该材料板块防止结构物冻害，例如在挡墙背面或闸底板下，放置泡沫塑料以防止冻胀等。

　　(七) 土工合成材料粘土垫层(Geosynthetic Clay Liner简称GCL)

土工合成材料粘土垫层是由两层或多层土工织物(或土工膜)中间夹一层膨润土粉末(或其他低渗透性材料)以针刺(缝合或粘接)而成的一种复合材料。它与压实粘土垫层相比，具有体积小、质量轻、具柔性、密封性良好、抗剪强度较高、施工简便、适应不均匀沉降等优点，可以代替一般的粘土密封层，用于水利或土木工程中的防渗或密封设计。国外大量用于废料坑的底部防渗衬砌和顶部封盖。产品的具体规格和用途可参见第六章第三节。