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<土工合成材料在我国的应用>
  土工合成材料在我国的应用和发展
土工合成材料,又称“土工布”、“土工织物”,它是以合成纤维、塑料、合成橡胶等为原料制成的不同种类产品,使用过程中具有分离、加固、排水、过滤、防护、防渗六大基本功能。国外在三十年代就开始了使用,迄今其产品从单一纺织品发展到其它合成材料及其复合材料。现在土工合成材料已被称作与钢材、水泥、木材齐名的"第四种工程材料",并广泛的应用于岩土、水利及土木工程等领域中。

1土工合成材料的种类及应用

土工合成材料种类很多,一般按功能及生产方法分为四大类,即土工织物、土工膜、土工复合材料、土工特种材料。下面概述几种土工合成材料的特点及应用。

1.1机织土工布

是我国使用最早的一种土工布。现我国使用较多的机织布材料有长丝机织布和扁丝机织布两种,材料以聚丙烯为主,单位重量一般为100~300克/平方米。它的应用以制作反滤布的土工模袋为多。机织土工布具有强度高、延伸率低的特点,广泛使用在水利工程中,用做防汛抢险、土坡地基加固、坝体加筋、各种防冲工程及堤坝的软基处理等。其缺点是过滤性和水平渗透性差,孔隙易变形,孔隙率低,最小孔径在0.05~0.08mm,难以阻隔<0.05mm以下的微细土壤颗粒;当机织布局部破损或纤维断裂时,易造成纱线绽开或脱落,出现的孔洞难以补救,因而应用受到一定的限制。

1.2经编土工布

用经编机生产经编土工布的方法较少单独采用,经常与其他方法联合使用,如将经编布与非织造布交织形成纤网型缝编土工布,也可与纸带一起编织成可降解的经编土工布。经编土工布主要应用于排水沟、水坝或烟筒过滤,无中间层的海岸保护,阻截自流水压,加固垂直地面、倾斜面和堤岸基层等。

1.3非织造土工布

非织造土工布的出现比织造土工布晚,其生产方法主要有纺粘法和针刺法两种,其中针刺法在我国所占比例较大。采用的原料以涤纶为主,其次是丙纶和维纶,单位重量为100~800克/平方米。非织造土工布具有较大的延伸率,能适应较大的变形,可以根据需要制成适当大小的孔隙,并在水平与垂直方向均具有较好渗透力。因此,非织造土工布的发展速度很快,并已成为土工布的主要组成部分。现已广泛应用于解决路基沉陷及翻浆冒泥问题,用于土石坝的排水系统、地下排水管道、软弱地基加固,各种堤岸的护坡垫肩等工程的滤层。此外,还可用于土加筋材料,使软基加固或修筑轻型挡土墙,同时,还能降低路堤下的孔隙水压。

1.4土工格栅

我国以聚乙烯材料为主的塑料土工格栅居多,它是将高聚物薄膜经有规律的刺孔、加热,然后在一个方向拉伸,使高聚物中大分子链沿拉伸方向取向,并获得单轴向格栅。也可继续在另一方向拉伸,得到双轴向土工格栅,使两个方向都有较高强度,土工格栅主要应用于软土基础加固及护坡、护堤等工程中。

1.5复合土工布

复合土工布是由两种或两种以上不同功能、不同种类的土工布及其他材料复合而成,复合材料可以是纺粘或针刺型非织造布、机织布、聚乙烯薄膜、塑料网、塑料管等。其生产方法主要有以下两种:(1)机械方法:采用针刺复合和缝编工艺技术;(2)热熔粘合法:采用超声波粘合及热轧粘合技术。复合土工布在我国应用较多的是复合土工膜和塑料排水管,可应用于软地基和地基下具有坑洼的路基,堤岸的增强,路边排水,桥座和挡土墙下排水,蓄水池、废物处理池的密封层,传统沙石层排水系统的替代等。复合土工布在原有单层材料基础上使其性能得到很大改善,如层压后的土工布力学性能得到很大提高,机织布与非织造布经针刺复合后的过滤性能得到改善等。

2国内土工合成材料应用现状及存在问题

2.1应用现状

土工合成材料在我国的发展较晚,大约在60年代中期开始,机织土工布应用于河道及涵闸工程。80年代初,非织造布始在铁路工程和水利工程上试用,截止到1986年,我国累计土工布总产量约100万平方米。进入90年代,土工布应用发展更快,1992年机织土工布耗用量达9000多万平方米。1998年发生特大洪水,编织布用量已超过1亿平方米/年。非织造土工布1995年耗用量达到6500万平方米,至今其使用量也已超过1亿平方米/年。目前,土工布在我国应用规模较大、效果较好的有以下几方面:

(1)水利工程建设方面。江苏省采用土工布对沿江沿海堤坝进行加固,这些航道、河道护坡成功地经受了1998年的特大洪水侵袭的考验;河北省黄壁庄水库下游减压进井冒浑水,采用土工布封堵后,在1998年特大洪水冲击下没有出现险情;天津北塘水库使用土工布后,工程质量明显提高;我国最大的水运工程长江深水航道疏浚工程,在工程设计中决定试用土工布构筑导堤,经试验段测试,取得了其他材料难以达到的良好效果。另外,上海陈行水库工程、江苏太仓中远国际城等工程也均采用了土工布。

(2)公路建设方面。我国公路建设使用土工布现还局限于高速和等级公路,使用规模较大的工程有东北锦大公路、浙江杭甬高速公路、广州环城高深汕高速西段、上海沪宁高速公路等。

(3)铁路建设方面。我国铁道部门从1981年开始采用土工布处理路基损坏及其他问题,如用在京九铁路建设中的地基处理与边坡加固、京广铁路翻浆冒泥的整治、上海地铁二号线龙东路西段工程等。

(4)环境保护方面。土工布在环境工程方面的应用比例还不很大,但在垃圾场及废水排放治理等工程中的应用会越来越多。至今,我国土工布在环保方面应用较多的是在贮尾矿和灰坝的处理,如上海外高桥电厂、嘉兴电厂、上海石洞口电厂的灰坝、铜山尾库矿等工程中。

2.2存在问题

土工合成材料在我国从试验、生产、试用到大工程应用,已有近20年历史,虽然在应用上已有一定的广度,但和我国基础设施的巨大规模相比应用比例较低。(1)工艺与技术装备方面。我国现有非织造布生产设备除部分为国产针刺加工设备外,多为引进。在这些引进设备中,仍以针刺短纤土工布的生产为主,纺粘、化学粘合、热粘合设备工艺仅占很少部分,而在这部分中还有一些是为生产地毯、服装、装饰布、人造革、化肥袋等设计的,与专门生产土工布的设备存在着一定程度的区别。

机织编织土工布的生产能力完全可以满足我国"九五"期间各项工程的要求,但缺少抢险抗滑用材料的编织设备和多轴向编织机。

复合土工布生产设备国内现已具备4m宽以下的生产能力,6m宽以上的生产设备在国内尚属空白,无法满足工程的需要。

(2)产品结构方面。主要表现在原料单一,产品品种单一。我国土工布所选用的原料主要是涤纶、丙纶、维纶及少量的锦纶。同时由于生产设备的限制造成了以短纤非织造土工布及丙纶编织布为主导的单一产品结构。国际上原料的选用除涤纶、丙纶外,还有锦纶、黄麻、特种纤维,有的甚至织入钢丝等,产品品种除短纤针刺产品外,高强度土工格栅、土工片、纺粘法长丝针刺产品品种及复合土工布的品种也很多。由于实际工程中对土工布的功能及品种有着不同的要求,因而单一的产品结构阻碍了土工布应用的扩大及工程质量的提高。

(3)产品检测体系方面。最近,我国已相继发布了土工布产品国际标准及土工布产品的使用规范,但在产品质量的实验方法、考核指标内容以及土工布与土相互作用性能实验等方面还缺乏统一的标准,而国外则成立有土工布专业委员会,来对此进行规范化处理,因其具有相当的权威性而得到各自国家的认可。因此,在我国加快一系列检测体系标准制定的步伐,将更有助于土工布在我国的生产和推广应用。

(4)应用与设计方面。由于土工布涉及到岩土、水利、土木、纺织、塑料等诸多领域,而一种行业的设计人员缺乏其他行业的专业知识和实际经验,一些工程单位对土工布的特性不是真正了解,不清楚这一能够部分取代传统沙石料的新型材料,再加上在施工过程中偏重于一次性投资的降低等因素,造成了我国土工产品低水平重复严重及各种工程应用量偏低的局面。

3发展趋势

国内土工布的发展将由以纺织技术生产为主的形式转向以适应各种实际工程需要为目的进行生产,产品总的发展趋势向系列型、复合型、综合型发展。复合土工布是这几年国外大公司竞相开发的产品,其产品包括排水管与土工布复合,机织布与非织造布复合,大流量排水板与土工布复合等许多新型复合材料。我国在这方面则处于起步阶段,现有的复合产品为复合土工膜、针刺机织布和非织造布复合土工布、非织造布复合结构的排水管,并且,还都处于试制和试用阶段。因此,复合土工布在我国的生产和应用极具开发前景。据统计,在"九五"期间,我国将新建公路30万km,其中高等级公路1.45万km;在铁路建设中,每年预计要修复1000km翻浆路段。1998年长江、松花江的一场特大洪灾后,国家又增加了资金投入基础设施建设,这其中包括长江堤防的修复和加固、三峡工程、黄河治理、小浪底工程、南水北调、长江口深水航道等巨型工程,这些工程建设都需要大量土工布。现在,我国土工布已经有5项产品标准和20项试验方法标准,土工布的使用规范也已正式颁布,这对生产、推广和使用土工布提供了条件和机遇。

4几点建议

4.1由于土工合成材料是一种新型岩土工程材料,且应用时一次投入成本较大,应用部门在不了解这种材料的条件下偏重于使用成本较低、后期维护费用大的砂石、沥青等材料。因此,建议水利、交通、建筑、纺织等方面联合成立土工合成材料协会,大力宣传土工合成材料在工程建设中的使用方法、效果及经济合理性,并制定土工合成材料应用的强制性国家标准与技术规范,使工程部门从不得不用到自愿采用。

4.2加大土工合成产品协作开发的力度。土工合成材料涉及到建筑、水利、纺织等多领域,各行业之间应保持经常性的信息沟通,使产品的设计与开发为不同的行业、不同的工程条件服务。因此,建议科研部门、企业及工程单位组成科研、生产、应用体系,形成工程部门需要什么科研部门研制什么,再由企业投入生产,形成全新的产品开发系统。

4.3做好引进设备的消化、吸收及开发创新工作。我国现有引进设备中有一些不适合土工产品的生产。因此,对这部分设备在进行改善的基础上,应再填平补齐,建议政府部门应在这方面给予一定的技改及技术创新倾斜政策,以充分发挥现有设备的潜力及企业的积极性。

4.4进一步加大土工合成材料的销售力度。除了政府部门、行业协会之间的宣传、推广之外,建议在国内建立起土工合成材料销售网格,在网络上可以查到国内土工材料生产的定点企业、产品标准、所能生产产品种类、应用范围等,使应用部门可以放心、清楚的购买产品。这不但能扩大土工材料的知名度,增加其在国内市场的占有份额,而且,最终将能在国内形成几种土工产品系列名牌。

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