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土工合成材料极简史
发布者:产业用及无纺布展 | 发布日期:2019/11/8 17:03:17



  土工合成材料,是在土木工程中应用的合成材料的总称。它以人工合成的聚合物,如塑料、化纤、合成橡胶等为原料,制成各种类型的产品,置于土体内部、表面或各层土体之间,发挥加强或保护土体的作用。此材料广泛应用于水利、电力、公路、铁路、建筑、海港、机场、采矿、军工等工程的各个领域。
  
  土工合成材料的最早应用可追溯到上世纪30~40年代,但是土工材料的最早应用,距今已有数千年的历史。据科学考证,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,有很多简陋住室的墙壁和屋顶就是利用草泥修筑的,距今约有五六千年历史;在甘肃省玉门一带,仍有用砂、砾石和红柳或芦苇压叠而成的汉长城遗址。在国外, 远在公元前3000年以前, 英国人曾在沼泽地带用木排修筑道路;公元前2000至1000年,古巴比伦人曾把织物纤维掺在土中建造庙宇。到20世纪20~30年代,美国还试用棉织品加强路面;在第二次世界大战中,英国曾在路基上铺放梢辊和帆布,以便装甲车通过。
  
  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(草与树枝等)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足的地基。这些都是“以非土材料加固土体”原理的自然体现。
  
  近现代土工合成材料的发展, 是与合成材料——塑料、化纤、合成橡胶的发展分不开的。1870年,美国人W.John和I.S.Hyatt发明了“赛璐珞”,就是用硝化纤维加入樟脑增塑剂制成的一种塑料;1908年Leo Baekeland研制了酚醛塑料。20世纪30年代,聚氯乙烯、低密度聚乙烯,聚酰胺相继出现在市场。到50年代,聚酯、高密度聚乙烯和聚丙烯相继问世。随着各种塑料的研制成功,不同类型的合成纤维也投入生产。自1913年在欧洲问世以来,至今合成纤维已有百余年历史。
  
  合成材料开始应用于土工建筑上的确切年代,已很难考证,据推测,约在20世纪30年代末或40年代初。大量塑料防渗薄膜开始应用于灌溉工程,美国垦务局1953年在渠道上首先应用聚乙烯薄膜,1957年开始应用聚氯乙烯薄膜。塑料防渗薄膜的应用以后又发展到水闸、土石坝和其它一些建筑物,1959年意大利的Contra-da Sobeta 堆石坝使用聚异丁烯合成橡胶薄膜;1960年捷克的Dobsina堆石坝使用聚氯乙烯薄膜;1984 年西班牙的Poza de Los Ramos砌石坝,初期高度为97m,后增至134m,在上游坝面铺放聚氯乙烯薄膜防渗。这些工程都是在土石坝中使用合成材料防渗薄膜的先例。
  
  合成纤维织物在土工中的应用开始于上世纪50年代末。一般认为,机织物于20世纪50年代首先在美国应用,非织造布的应用在70年代始于欧洲。
  
  1958年,美国人R.J.Barrett 在佛罗里达州首次将透水性聚氯乙烯纤维织物铺设在护岸混凝土块下,作为防冲刷保护层,一般认为是应用现代土工织物的开端,Barrett也因此被称为“土工织物之父”。实际上,在1958年以前,以合成纤维织物作成的砂袋已经在荷兰应用了。1957年,荷兰用尼龙纤维织物制成充砂管袋,应用于护岸防冲和堵口工程。之后,合成纤维土工织物开始在美国、欧洲和日本逐渐推广。
  
  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。
  
  1962年前,所用的土工织物主要是机织物,大部分用于护岸防冲等工程。由于机织型土工织物的强度具有很大的方向性,而且价格较高,限制了它的发展。非织造织物的应用, 给土工织物带来了新的生命。非织造布的纤维多方向或任意性排列,故强度没有显著的方向性;厚的织物不但可以用作滤层,还可以用作导水体,因此更适用于各种土建工程。1962年,美国杜邦公司开发纺粘法长纤维非织造布,以取代短纤维非织造布。从此,欧洲各国都以纺粘法生产长纤维非织造布,并用做道路、护岸等工程中的滤层和导水体。近20年来,由于纺粘法制造工艺的推广,生产出大量的成本低、强度高的产品,使非织造土工织物的应用飞速地发展起来。
  
  1968年法国将针刺非织造布应用于道路工程,英国将热粘非织造布应用于道路工程,前联邦德国将短纤维制成的针刺非织造布用于渠道岸边防护工程。
  
  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(geotextile)和土工膜(geomembrane)是J.P.Giroud和J.Perfetti于1977年首先提出来的。他们把透水的土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。后来,大量的以合成聚合物为原料的其他类型土工合成材料纷纷问世,已经超出了织物和膜的范畴。进入20世纪80年代,为了更好地满足不同工程的需要,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(geosynthetics)来概括各种类型的有关材料,1994年在新加坡召开的“第五届国际土工织物、土工膜及有关产品会议”上,大多数与会代表主张用 “土工合成材料”一词,并将“国际土工织物学会”(International Geotextile Society 简称IGS)更名为“国际土工合成材料学会”(International Geosynthetics Society 仍简称IGS)。
  
  土工合成材料在我国的应用开始于20世纪60年代中期,当时在市场上已经出现很多种塑料和化纤产品。少数工程技术人员发现这些产品具有优良的工程特性,试用于土建工程,取得了一些成功的经验,但未能及时推广。在20世纪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,其原料多采用聚丙烯和聚乙烯。
  
  20世纪80年代开始,工程技术人员的思想日益解放,与世界各国的交流日益增多, 从国外引进了非织造土工织物、塑料排水带、化纤模袋等新型材料,以及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、英国的非织造布,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非织造布,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。1998年夏秋,在长江、松花江和嫩江特大洪灾的防汛抢险工作中,土工合成材料发挥了重要作用,引起政府重视,建筑部门把对土工织物的应用列入到设计规范中去,并制定了相关的国家标准,土工织物才真正得到重视和发展。目前,土工织物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。


  
  
  
  另外,土工膜、土工网、土工格栅等从20世纪80年代开始也逐步迈开了发展的步伐。1983年,北京市开始采用编织布与塑料薄膜相结合的复合型结构型式,解决了十几处已建中小型水利工程的渗漏问题,取得了成功的经验,被推广到其他省市;1986年河北省在乱木水库利用0.8mm的聚氯乙烯土工膜处理了库区台地的渗漏;1989年水口水电站利用土工织物和1.0mm土工膜相结合的复合型土工合成材料修筑堆石围堰的心墙。近十年来完成的或施工中的一些较大型工程, 多数采用单层的较厚的土工膜或复合型土工膜。
  
  随着土工合成材料技术的不断进步、产品质量的不断提升、品种和应用领域的不断拓展,以及基础设施和其他工程的持续需求,可以预见,土工合成材料的发展前景依然可待,未来市场空间依然可期。