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      工程領(lǐng)域高分子土工合成材料的應(yīng)用與施工研究

      2023-01-04 10:24:25曹周員
      合成材料老化與應(yīng)用 2022年2期
      關(guān)鍵詞:土工布土工高分子

      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。

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