土工合成材料产品类型

6.2.2　土工合成材料产品类型

土工合成材料根据产品功能和加工工艺制的不同，总体可分为四大类型，即土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料。分述如下：

1）土工织物（Geotextile）

土工织物是一种透水性材料，按制造方法不同可进一步划分为有纺型土工织物和无纺型土工织物。

（1）有纺型土工织物（Woven geotextile）。

有纺型土工织物是由相互正交纤维织成，与通常的棉毛织品相似。其特点是孔径均匀，沿经纬线方向的强度大，而斜交方向强度低，拉断的延伸率较低。按其织造方法可分为纺织型、机织型、针织型三大类。

（2）无纺型土工织物（Nonwoven geotextile）

无纺型土工织物中纤维（连续长丝）的排列是不规则的，与通常的毛毯相似。无纺型土工织物亦有称作为“无纺布”，制造时是先将聚合物原料经过熔融挤压、喷丝、直接平铺成网，然后使网丝联结制成土工织物。联结的方法有热压、针刺和化学黏结等不同处理方法。

热压方法是将纤维加热的同时施加压力，使之部分融化，从而黏结在一起。

针刺机械处理方法是用特制的带有刺状的针，经上下往返穿刺纤维薄层，使纤维彼此缠绕起来。这种成型的土工织物较厚，通常为2～5mm。这类土工织物的土工纤维抗拉强度各向一致，与有纺型相比，抗拉强度略低，延伸率较大，孔径不是很均匀。

化学黏结处理法是制造时在纤维薄层中加入某些化学物质，使之黏结在一起。

2）土工膜（Geomembrane）

土工膜是在各种塑料、橡胶或土工纤维上喷涂防水材料而制成的各种不透水膜。根据原材料不同，可分为聚合物和沥青两大类。为满足不同强度和变形需要，又有不加筋和加筋的区分。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。

制造土工膜的聚合物有热塑塑料（如聚氯乙烯）、结晶热塑塑料（如高密度聚乙烯）、热塑弹性体（如氯化聚乙烯）和橡胶（如氯丁橡胶）等。

工厂制造土工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。挤出是将熔化的聚合物通过模具制成土工膜，厚0.25～4mm。压延则是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜，厚0.25～2mm。加涂料是将聚合物均匀涂在纸片上，待冷却后将土工膜揭下来而成。

现场制造土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的黏滞聚合物而成。沥青土工膜用的是沥青聚合物或合成橡胶。

制造土工膜时还需要掺入一定量的添加剂，在不改变材料基本特性的情况下，改善其某些性能和降低成本。例如掺入炭黑可以提高抗日光紫外线能力，延缓老化；掺入铅盐、钡、钙等衍生物以提高材料的抗热、抗光照稳定性；掺入滑石等润滑剂以改善材料可操作性；掺入杀菌剂可防止细菌破坏等。对于沥青类土工膜，其主要的掺入材料是一些填料或纤维。填料可为细矿粉，它能增加膜的强度且降低其成本；加入纤维，也是为提高膜的强度。

3）土工复合材料（Geocomposite）

土工复合材料是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的制品。如复合土工膜、排水板、土工垫块等。这类制品将各组合料的特性相结合，以满足工程的特定需要。不同的工程有不同的综合功能要求，故土工复合材料的品种繁多，土工复合材料是当前和今后一段时期发展的大方向。

（1）复合土工膜（Composite Geomembrane）

常规应用的复合土工膜有一布一膜、二布一膜或三布二膜等。复合用无纺布一般比较薄，主要起保护膜的作用。另外，也有的用较厚型无纺布复合，起双重作用，膜的一面防渗，而无纺布一面则起排水作用。

（2）土工塑料排水带（Prefabricated Drain）

一种复合型的土工聚合物，由芯板和透水滤布两部分组成。芯板多为成型的硬塑料薄板，具有瓦楞形或多十字形，主要原料为聚氯乙烯或聚丙烯。透水滤布多为薄型无纺织物，主要原料为涤纶或丙纶。滤布包在芯板外面，在芯板与滤布间形成纵向排水沟槽。

（3）土工垫（Geomat）

土工垫具有突出的三维结构，是由半刚性单丝纤维熔接而成。图6.43为土工垫的一种类型，这类土工垫是将一块波浪状细土工聚合物网片以一定的间隔与另一块平整的细网片熔接在一起形成一种三维结构，其表面形状与纽扣紧固的沙发相似。土工垫通常由黑色聚乙烯制成，其厚度为15～20mm。

图6.43　用轻质网格熔接形成的土工垫

（4）软式排水管

软式排水管又称为渗水软管，是由高强钢丝圈作为支撑体，以及具有反滤、透水及保护作用的管壁包裹材料两部分构成的。高强钢丝由钢线经磷酸防锈处理，外包一层PVC材料，使其与空气及水隔绝，避免氧化生锈。包裹材料有三层，内层为透水层，由高强特多龙纱或尼龙纱作为经纱，特殊材料为纬纱制成；中层为非织造土工织物过滤层；外层为与内层材料相同的覆盖层。为确保软式排水管的复合整体性，支撑体和管壁外裹材料间，以及外裹各层之间都采用了强力黏结剂粘牢固。软式排水管兼有硬水管的耐压与耐久性能，又有软水管的柔性和轻便特点，过滤性强，排水性好，可用于各种排水工程中。

4）土工特种材料

土木特种材料是为工程特定需要而生产的产品，品种多，现选择几种主要产品说明如下：

（1）土工格栅（Geogrid）

土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔，然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔的板材（图6.44）。孔格尺寸为10～100mm的圆形、椭圆形、方形或长方形格栅。加热拉伸是让材料中的高分子定向排列，以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。按拉伸方向不同，格栅分为单向拉伸（孔近矩形）和双向拉伸（孔近方形）两种。前者在拉伸方向上有较高强度，后者在两个拉伸方向上皆有较高强度。

图6.44　双轴格栅的加工程序

土工格栅因其高强度和低延伸率而成为加筋的好材料。土工格栅埋在土内，与周围土之间不仅有摩擦作用，而且由于土石料嵌入其开孔中，还有较高的咬合力，它与土的摩擦系数可以高达0.8～1.0。

（2）土工网（Geonet）

土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料，应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差异。一般而言，土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高。

这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。一般说来，它只有在受力水平不高的场合，才能用于加筋。

（3）土工格室（Geocell）

土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。典型的条带厚1.2mm、宽100mm，每隔300mm进行焊接。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。

（4）聚苯乙烯板块（EPS）

聚苯乙烯板块称泡沫塑料，是以聚苯乙烯聚合物为原料，加入发泡剂制成的。它的主要特点是质量极轻、导热系数低、吸水率小，但也有一定抗压强度。其单位体积质量仅20.4～40.8kg／m³，为砂和混凝土的1／50～1／100，属超轻型材料；导热系数为λ_p＝0.034～0.044W／（m·K），吸水率仅为0.15～0.20g／100cm³。由于其质轻，可用它代替土料，填筑桥端的引堤，解决桥头跳车问题。其导热系数低，故在寒冷地带，可用该材料板块防止结构物冻害，例如在挡墙背面或闸底板下，放置泡沫塑料以防止冻胀等。