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，通常由一種功能進行主導(dǎo)，由其他功能進行輔助。高分子聚合物土工合成材料拉伸強度、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、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)展趨勢影響，土工材料的形態(tài)設(shè)計也越發(fā)多樣化，工程領(lǐng)域內(nèi)的實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，基于參與制備的高分子聚合物基材的不同特性，也可以對土工材料展開進一步分類［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、連貫性強等優(yōu)勢特征，還具備滲濾性高、孔隙直徑尺寸小以及表面柔和等優(yōu)點，可以實現(xiàn)與其他組織的有效結(jié)合。

土工合成材料的實際應(yīng)用功能主要包含六點：第一，材料本身具備濾層功能，可以實現(xiàn)透水透氣，強化土顆粒穩(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)部不會出現(xiàn)掏空與混雜的問題；第四，材料通過特殊工藝制備，可達成防滲效果，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)，強化地基與路基的承載性；第六，材料具備防護功能，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)勢特性的加持下，被廣泛應(yīng)用于各種工程建筑項目，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織物表面的空隙時，減少土顆粒的流失，保證土體完整性?；诖耍凉た椢锊牧媳患袘?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。具有一定抗拉強度的土工布也可用作路基底部，通過土工布建立隔離層；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，土工膜能夠截斷地下水的毛細上升，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、地下建筑等場地中，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)用時間較長，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)用過程中，出現(xiàn)了自身不平坦、應(yīng)力擴散作用小、舊路面貼合效果差等缺點。因此，當代土工織物應(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，我國通過實踐建設(shè)研究發(fā)現(xiàn)，土工織物在建筑工程項目中起到良好的反濾效果，并堅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踐應(yīng)用得到認可，我國進一步結(jié)合實際工程項目，強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。當處于填方較高的情況下，土工網(wǎng)的實際應(yīng)用會被影響，其抗拉強度將會受限。因此，土工網(wǎng)加固材料的設(shè)計與研究開始逐漸轉(zhuǎn)向土工格柵。在以往公路填方路段建設(shè)過程中，需要對軟基進行加固處理，為保證加固效果，會通過使用雙向拉筋格柵進行基底加筋。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，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，最后再補強層。近年來，為盡快控制橋頭不均勻沉降的問題，土工格柵應(yīng)用程度越來越深［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目中，在細粒土浸水路堤的基礎(chǔ)上，獲得良好的使用效果?；诖?，逐漸將塑料土工帶應(yīng)用于多項橋頭填方與立交工程項目中。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)工后沉降的問題，并能保證在處理過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，包括各項構(gòu)造物基礎(chǔ)治理項目，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)合土工布的實際尺寸直接決定了其在工程中的具體適應(yīng)能力。例如，當高分子聚合物土工布的厚度達到1.5mm時，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，在較大型工程項目中，會將管徑為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的無砂水泥管，同時，土工排水管還具備易彎曲、不易碎、施工便捷的優(yōu)勢特征，能夠為工程項目帶來較大經(jīng)濟效益［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)用也在不斷擴展和深入，同時也對其功能與施工技術(shù)提出更高要求。例如：針對高寒地區(qū)的路基工程，會要求高分子聚合物土工合成材料具備良好抗凍脹功能；針對地震多發(fā)地區(qū)及高速公路的建設(shè)項目，會要求土工合成材料具備相應(yīng)的抗震與抗蠕變功能；針對水利工程中的排水固沙項目，會要求土工合成材料具備防堵性與透水性；針對液體防滲項目，會要求材料能夠在焊接過程中具備耐高溫性，并做到無縫焊接；針對植被修復(fù)項目，會要求材料在一定周期內(nèi)完成自然降解，為植物創(chuàng)造良好生長環(huán)境。此外，針對土工合成材料的實際施工條件，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，將對土工合成材料展開案例式說明。部分土工合成材料在初始功能的基礎(chǔ)上，通過改善相應(yīng)制備工藝實現(xiàn)材料物理機械性、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，促進了企業(yè)經(jīng)濟效益的提升。以俄羅斯Machina—TST公司設(shè)計研發(fā)的土工合成材料INTERTEX為例，此材料通過玻璃纖維與玄武巖粗砂進行強化增固，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)力進行分散轉(zhuǎn)移，避免出現(xiàn)反射裂紋的情況，有效延長道路壽命。經(jīng)實踐檢驗得出，使用該土工合成材料能夠延長路面裂縫出現(xiàn)時間，同時使瀝青硬度提高1.4倍。

當施工環(huán)境相對較差時，會對土工合成材料進行針對性功能強化，例如通過增強材料抗紫外線、抗寒冷以及抗高溫的性能，來幫助材料突破環(huán)境限制。針對低溫凍害問題，設(shè)計研發(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，還可有效防止低溫凍害。

除改進土工合成材料本身性能外，部分研究人員通過優(yōu)化材料加工與制備工藝，實現(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，對土工格柵進行耐化學(xué)、耐紫外線以及耐微生物性能的改進，就使得該材料同時具備了加固與耐久的兩種功能，能夠在不穩(wěn)定工程項目中起到重要支撐［7］。

3.2 綠色化

綠色可持續(xù)發(fā)展是當前工程領(lǐng)域的主流趨勢之一，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升為實踐的目標。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)域加固項目中的應(yīng)用歷史較長，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，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)保屬性與標志。針對土工合成材料的綠色化研究、制備以及施工過程，需要著重強調(diào)材料本身的天然性與可降解性，且在使用過程中經(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)，才會要求土工合成材料具備可降解性能。通過回收材料進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。

想要實現(xiàn)土工合成材料綠色化全過程，首先需要從源頭出發(fā)，通過天然材料進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，其在加工過程中不會造成較大環(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、植被修復(fù)等特殊化工程項目［9］。

3.3 智能化

在工程建造過程中，通常會受到土壤發(fā)生位移與變形的不可控問題影響，這一問題也是當前巖土工程中面臨的安全隱患之一。因此，針對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)展方向為實時監(jiān)測、信息傳輸技術(shù)與土工布的有機融合。當土工布具備實時監(jiān)測與信息傳輸功能后，即可通過接收監(jiān)測機傳回的機械形變數(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，來判斷巖石結(jié)構(gòu)的實時狀況，以保證對巖石位置與結(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)土工織物與機敏材料進行雜糅復(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敏材料時，會將具有導(dǎo)電性的特殊材料以涂層、層壓的方式與土工布進行融合，特殊材料包括石墨烯、碳納米管等，此類機敏材料能夠有效提高土工布的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性。之后，檢測人員即可通過電阻變化情況來判斷材料的實際變化情況。與內(nèi)置傳感器的制備工藝相比，機敏材料與土工織物的結(jié)合可以進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)測作用，能夠切實保證工程的安全性與健康性，包括邊坡變形監(jiān)測、垃圾填埋場和尾礦等滲濾液監(jiān)測［10］。

4 結(jié)語

綜上，隨著科技進步與社會發(fā)展，土工合成材料或?qū)⒃谌蛴瓉泶蠓秶?、多樣式?yīng)用。歐美國家在土工合成材料領(lǐng)域領(lǐng)先于其他國家，擁有高端的市場與先進的技術(shù)，而我國等發(fā)展中國家的土工合成材料市場是由基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施才推動發(fā)展的。我國應(yīng)吸取采納歐美等發(fā)達國家的先進技術(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，市場上應(yīng)創(chuàng)立完整的產(chǎn)業(yè)鏈，促進其發(fā)展速度，擴大應(yīng)用范圍。此外，在與其他國家相互探討學(xué)習時，應(yīng)加強信息資源與技術(shù)的共享，在國際市場中打響我國品牌，促進土工合成材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。