土工复合材料

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1、土工合成材料摘要：土工合成材料是土木工程应用的合成材料的总称。作为一种土木工程材 料，它是以人工合成的聚合物为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表 面或各种土体之间，发挥加强或保护土体的作用。本文介绍土工合成材料的发展 史和现代土工合成材料的种类、用途及其所起到的作用。关键词：原始土工材料、现代土工材料、土工复合合成材料、土工特殊材料、土 工布。引言：在土工合成材料加筋土工程中，土工合成材料与填料的界面作用特性是最 重要的技术指标，因此利用拉拔试验研究土工合成材料与填料的界面作用特性是 非常必要的。文章采用两种国产土工合成材料为加筋材料，用砂、石屑和粉质黏 土为填料，通过拉拔试验比较在不

2、同填土性质、填土密实度、筋材上覆压力及筋 材表面粗糙度等情况下土工合成材料与填料的界面特性，从而得出一些有益的结 论。古代的原始土工材料据科学考证，数千年前的人类就利用芦苇加筋黏土建造房屋，三千多年前， 英国人曾在沼泽地带用木排修建道路。在我国。远在新石器时代，我们 的祖先就利用茅草作为土的加筋材料。在河南发现的仰韶遗址距今五六千 年，有很多简陋住屋的墙壁和屋顶就是利用草泥修建的。公元前两千至公 元前一千年，古巴比伦人曾把织物纤维掺在土中修建庙宇。实际上，在独立于人类文明的自然界，许多鸟类和昆虫都本能地利用非土 材料（草与树枝）加固泥土巢穴；树木依靠庞大的根系吸收养料水分，同 时也加固了赖以立

3、足的地基。这些都是“以非土材料加固土体”原理的自 然体现。现代的土工合成材料在现代，1930年美国北卡罗来纳州首次使用棉纺织品加固路基土。在第二 次世界大战中，英国曾在路基上铺放梢辊和帆布，供装甲车通行；荷兰曾 大量利用柳枝、梢料加固堤坝，防止冲刷。合成纤维自1913年在欧洲问世以来，至今已有百年历史，但合成材料用于土木工程却开始于20世纪50年代末。当时，美国人R. J. Barrett在佛罗里达州首次将透水性合成纤 维有纺织物铺设在护岸混凝土块下，作为防冲刷保护层，因而他被称为土工织物之父。1957年荷兰首先用尼龙纤维有纺织物制成充砂管袋，应用于护岸防冲和堵口工程。1958年在美国佛罗里达

4、州大西洋海岸防护工程中，聚氯乙烯有纺织物被置 于土与石块之间，作为海岸防冲刷。经过 27年的观察，其状态仍然良好。 1985年，前联邦德国采用合成纤维制成有纺织物砂袋，修筑防波堤。1959年在日本伊势湾海岸，海堤和围堤因台风遭到灾难性破坏。在海岸修 复工程中，利用有纺织物砂袋和合成材料片成功地修建了堤防；在修复围 堤沉排工程时，采用维纶编织布成功代替沉排。5年后检查，未发现腐蚀现 象，强度几乎没有下降。1960年荷兰采用尼龙有纺织物充砂垫层，防止海岸淘刷。1962年美国杜邦公司开发纺粘法长纤维无纺布，以取代短纤维无纺布。从 此，欧洲各国都以纺粘法生产长纤维无纺布，并用做道路、护岸等工程中 的滤

5、层和导水体。1963年土工织物正式应用于日本国营铁道的土建工程中。1967年在海岸保护工程中，丹麦采用透水或不透水砂袋，用水力充填法冲 人海滩砂形成充砂长管袋，保护海岸。1968年法国将针刺无纺布应用于道路工程，英国将热粘无纺布应用于道路 工程，前联邦德国将短纤维制成的针刺无纺布用于渠道岸边防护工程。一般认为，有纺织物于20世纪50年代首先在美国应用，无纺织物的应用 在70年代始于欧洲。20世纪70年代以后，在国外，织物的应用从马路、铁路路基工程逐步扩展 到挡土墙、土坝等大型永久性工程。土工织物和土工膜（是1977年 J. P. Giroud与J. Perfetti首先提出来的。他们把透水的土

6、工合成材料 称为土工织物，不透水的称为土工膜。这两个名词被使用了许多年。 近十几年来大量的以合成聚合物为原料的其他类型的土工合成材料的纷纷 问世，已经超出了 织物和膜的范畴。进入80年代，土工格栅、土工网 和土工垫等新材料相继出现，进一步加快了土工合成材料应用技术的发展。 1983年J. E. Fluet建议使用土工合成材料一词来概括各种类型的材料， 现在这一名词已被人们所接受。与世界先进国家相比，土工合成材料在我国的应用大约晚了十几年。在20世纪60年代中期，我国才开始将塑料薄膜用于渠道防渗工程。在70年代,一种由扁丝纤维织成的编织物，即通常所称的化纤包装袋，开始应用于 河道与涵闸工程，其原

7、料多采用聚丙烯和聚乙烯，具有易于生产、成本低、 强度较高和延伸率小等优点。20世纪80年代开始，从国外引进的许多生产设备和技术资料推动了我国土 工织物的生产与应用。1981年，铁路部门采用美国、英国的无纺织物，首 先用于路基层，解决了路基翻浆冒泥问题。1983年，江苏省引进日本化纤 模袋，用于航道护坡工程；河北省采用法国罗纳普朗克公司生产的针刺无 纺布，用于水库过滤层。20世纪90年代以来，土工织物由于所具有的功能和特性以及在实际工程中 的应用效果，引起全国各行各业的极大兴趣。尤其是在水利水电建设部门 应用范围广、应用量大，如三峡水电工程、秦山核电站、京杭大运河等工 程。随着理论研究的深入，测

8、试技术、设计水平、施工方法的不断提高，土工织物开始在一些大型工程、重点工程中得以应用，并获得了较好的经 济效益和社会效益。我国土工织物的生产和应用发展速度很快，特别是针刺无纺织物的生产和 使用量近年来大幅度增长，但尚缺少统一的测试方法和完善的设计理论。 当前，除引进外资和国外先进技术外，更重要的是应密切结合我国的土质 条件和工程特点，努力开发、研制我国急需的产品，不断提高质量性能和 降低成本，总结设计、施工经验，大力推广应用，同时加强织物作用机理 方面的研究，逐步统一技术标准，使这一新的建筑材料在工程建设中发挥 更大的作用。土工合成材料的种类（一）土工织物土工织物的制造过程是首先把聚合物原料加

9、工成丝、短纤维、纱或条 带，然后再制成平面结构的土工织物。土工织物按制造方法可分为有纺（织 造）土工织物和无纺（非织造）土工织物。有纺土工织物由两组平行的呈 正交或斜交的经线和纬线交织而成。无纺土工织物是把纤维作定向的或随 意的排列，再经过加工而成。按照联结纤维的方法不同，可分为化学（粘 结剂）联结、热力联结和机械联结三种联结方式。土工织物突出的优点是重量轻，整体连续性好（可做成较大面积的整 体），施工方便，抗拉较高，耐腐蚀和抗微生物侵蚀性好。缺点是未经特 殊处理，抗紫外线能力低，如暴露在外，受紫外线直接照射容易老化，但 如不直接暴露，则抗老化及耐久性能仍较高。（二）土工膜土工膜一般可分为沥青

10、和聚合物（合成高聚物）两大类。含沥青的土 工膜目前主要为复合型的（含编织型或无纺型的土工织物），沥青作为浸 润粘结剂。聚合物土工膜又根据不同的主材料分为塑性土工膜、弹性土工 膜和组合型土工膜。大量工程实践表明，土工膜的不透水性很好，弹性和适应变形的能力 很强，能适用于不同的施工条件和工作应力，具有良好的耐老化能力，处 于水下和土中的土工膜的耐久性尤为突出。土工膜具有突出的防渗和防水 性能。（三）土工格栅土工格栅是一种主要的土工合成材料，与其他土工合成材料相比，它 具有独特的性能与功效。土工格栅常用作加筋土结构的筋材或复合材料的 筋材等。土工格栅分为玻璃纤维类和聚酯纤维类两种类型。（1）塑料类此

11、类土工格栅是经过拉伸形成的具有方形或矩形的聚合物 网材，按其 制造时拉伸方向的不同可分为单向拉伸和双向拉伸两 种。它是在经挤压制 出的聚合物板材（原料多为聚丙烯或高密度聚乙烯）上冲孔，然后在加热条件下施行定向拉伸。单 向拉伸格栅只沿板材长度方向拉伸制成，而双向 拉伸 格栅则是继续将单向拉伸的格栅再在与其长度垂直的方向拉伸制成。由于土工格栅在制造中聚合物的高分子会随加热延伸过程而重新排列 定向，加强了分子链间的联结力，达到了 提 高 其强度的目的。其延伸率 只有原板材的10%15%。如果在土工格栅中加入炭黑等抗老化材料， 可使其具有较好的耐酸、耐碱、耐腐蚀和抗老化等耐久性能。（2）玻璃纤维类此类

12、土工格栅是以高强度玻璃纤维为材质，有时配合自粘感压胶和表 面沥青浸渍处理，使格栅和沥青路面紧密结合成一体。由于土石料在土工 格栅网格内互锁力增高，它们之间的摩擦系数显著增大（可达0 81.0）, 土工格栅埋入土中的抗拔力，由于格栅与土体间的摩擦咬合力较强 而显著增大，因此它是一种很好的加筋材料。同时土工格栅是一种质量轻，具有一定柔性的平面网材，易于现场裁 剪和连接，也可重叠搭接，施工简便，不需要特殊的施工机械和专业技术 人员。（四）土工特种材料1、土工膜袋土工膜袋是一种由双层聚合化纤织物制成的连续（或单独）袋状材料， 利用高压泵把混凝土或砂浆灌入膜袋中，形成板状或其他形状结构，常用 于护坡或其

13、他地基处理工程。膜袋根据其材质和加工工艺的不同，分为机 制和简易膜袋两大类。机制膜袋按其有无反滤排水点和充胀后的形状又可 分为反滤排水点膜袋、无反滤排水点膜袋、无排水点混凝土膜袋、铰链块 型膜2、土工网土工网是由合成材料条带、粗股条编织或合成树脂压制的具有较大孔 眼、刚度较大的平面。土工格室示意图结构或三维结构的网状土工合成材 料。用于软基加固垫层、坡面防护、植草以及用作制造组合土工材料的基 材。3、土工网垫和土工格室土工网垫和土工格室都是用合成材料特制的三维结构。前者多为长丝 结合而成的三维透水聚合物网垫，后者是由土工织物、土工格栅或土工膜、 条带聚合物构成的蜂窝状或网格状三维结构，常用作防

14、冲蚀和保土工程， 刚度大、侧限能力高的土工格室多用于地基加筋垫层、路基基床或道床中。4、聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）聚苯乙烯泡沫塑料（即 EPS）是近年来发展起来的超轻型土工合成 材料。它是在聚苯乙烯中添加发泡剂，用所规定的密度预先进行发泡，再 把发泡的颗粒放在筒仓中干燥后填充到模具内加热形成的EPS具有质 量轻、耐热、抗压性能好、吸水率低、自立性好等优点，常用作铁路路基的填料。（五）土工复合材料土工织物、土工膜、土工格栅和某些特种土工合成材料，将其两种或 两种以上的材料互相组合起来就成为土工复合材料。土工复合材料可将不 同材料的性质结合起来，更好地满足具体工程的需要，能起到多种功能的 作用。如

15、复合土工膜，就是将土工膜和土工织物按一定要求制成的一种土 工织物组合物。其中，土工膜主要用来防渗，土工织物起加筋、排水和增 加土工膜与土面之间的摩擦力的作用。又如土工复合排水材料，它是以无 纺土工织物和土工网、土工膜或不同形状的土工合成材料芯材组成的排水 材料，用于软基排水固结处理、路基纵横排水、建筑地下排水管道、集水 井、支挡建筑物的墙后排水、隧道排水、堤坝排水设施等。路基工程中常 用的塑料排水板就是一种土工复合排水材料。国外大量用于道路的土工复合材料是玻纤聚酯防裂布和经编复合增强 防裂布。能延长道路的使用寿命，从而极大地降低修复与养护的成本。 长远经济利益来考虑，是国内应该积极采用和提倡土工复合材料。土工布的分类按制造方法，可以分为机织土工布、针织（主要为经编）土工布和非 织造土工布短纤维针刺土工布短纤维针刺土工布是采用聚酯或丙纶短纤维经梳理或网针剌固结而 成。该产品具有优越的透水性、过滤性、耐用性、可广泛用于铁路、公路、 运动馆、堤坝、水工建筑、遂洞、沿海滩涂、围垦、环保等工程。