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土工合成材料極簡史
發布者:產業用及無紡布展 | 發布日期:2019/11/8 17:03:17



  土工合成材料,是在土木工程中應用的合成材料的總稱。它以人工合成的聚合物,如塑料、化纖、合成橡膠等為原料,制成各種類型的產品,置于土體內部、表面或各層土體之間,發揮加強或保護土體的作用。此材料廣泛應用于水利、電力、公路、鐵路、建筑、海港、機場、采礦、軍工等工程的各個領域。
  
  土工合成材料的最早應用可追溯到上世紀30~40年代,但是土工材料的最早應用,距今已有數千年的歷史。據科學考證,遠在新石器時代,我們的祖先就利用茅草作為土的加筋材料。在河南發現的仰韶遺址,有很多簡陋住室的墻壁和屋頂就是利用草泥修筑的,距今約有五六千年歷史;在甘肅省玉門一帶,仍有用砂、礫石和紅柳或蘆葦壓疊而成的漢長城遺址。在國外, 遠在公元前3000年以前, 英國人曾在沼澤地帶用木排修筑道路;公元前2000至1000年,古巴比倫人曾把織物纖維摻在土中建造廟宇。到20世紀20~30年代,美國還試用棉織品加強路面;在第二次世界大戰中,英國曾在路基上鋪放梢輥和帆布,以便裝甲車通過。
  
  在獨立于人類文明的自然界,許多鳥類和昆蟲都本能地利用非土材料(草與樹枝等)加固泥土巢穴;樹木依靠龐大的根系吸收養料水分,同時也加固了賴以立足的地基。這些都是“以非土材料加固土體”原理的自然體現。
  
  近現代土工合成材料的發展, 是與合成材料——塑料、化纖、合成橡膠的發展分不開的。1870年,美國人W.John和I.S.Hyatt發明了“賽璐珞”,就是用硝化纖維加入樟腦增塑劑制成的一種塑料;1908年Leo Baekeland研制了酚醛塑料。20世紀30年代,聚氯乙烯、低密度聚乙烯,聚酰胺相繼出現在市場。到50年代,聚酯、高密度聚乙烯和聚丙烯相繼問世。隨著各種塑料的研制成功,不同類型的合成纖維也投入生產。自1913年在歐洲問世以來,至今合成纖維已有百余年歷史。
  
  合成材料開始應用于土工建筑上的確切年代,已很難考證,據推測,約在20世紀30年代末或40年代初。大量塑料防滲薄膜開始應用于灌溉工程,美國墾務局1953年在渠道上首先應用聚乙烯薄膜,1957年開始應用聚氯乙烯薄膜。塑料防滲薄膜的應用以后又發展到水閘、土石壩和其它一些建筑物,1959年意大利的Contra-da Sobeta 堆石壩使用聚異丁烯合成橡膠薄膜;1960年捷克的Dobsina堆石壩使用聚氯乙烯薄膜;1984 年西班牙的Poza de Los Ramos砌石壩,初期高度為97m,后增至134m,在上游壩面鋪放聚氯乙烯薄膜防滲。這些工程都是在土石壩中使用合成材料防滲薄膜的先例。
  
  合成纖維織物在土工中的應用開始于上世紀50年代末。一般認為,機織物于20世紀50年代首先在美國應用,非織造布的應用在70年代始于歐洲。
  
  1958年,美國人R.J.Barrett 在佛羅里達州首次將透水性聚氯乙烯纖維織物鋪設在護岸混凝土塊下,作為防沖刷保護層,一般認為是應用現代土工織物的開端,Barrett也因此被稱為“土工織物之父”。實際上,在1958年以前,以合成纖維織物作成的砂袋已經在荷蘭應用了。1957年,荷蘭用尼龍纖維織物制成充砂管袋,應用于護岸防沖和堵口工程。之后,合成纖維土工織物開始在美國、歐洲和日本逐漸推廣。
  
  1959年,在日本伊勢灣海岸,海堤和圍堤因臺風遭到災難性破壞。在海岸修復工程中,利用織物砂袋和合成材料片成功地修建了堤防;在修復圍堤沉排工程時,采用維綸編織布成功代替沉排。5年后檢查,未發現腐蝕現象,強度幾乎沒有下降。
  
  1962年前,所用的土工織物主要是機織物,大部分用于護岸防沖等工程。由于機織型土工織物的強度具有很大的方向性,而且價格較高,限制了它的發展。非織造織物的應用, 給土工織物帶來了新的生命。非織造布的纖維多方向或任意性排列,故強度沒有顯著的方向性;厚的織物不但可以用作濾層,還可以用作導水體,因此更適用于各種土建工程。1962年,美國杜邦公司開發紡粘法長纖維非織造布,以取代短纖維非織造布。從此,歐洲各國都以紡粘法生產長纖維非織造布,并用做道路、護岸等工程中的濾層和導水體。近20年來,由于紡粘法制造工藝的推廣,生產出大量的成本低、強度高的產品,使非織造土工織物的應用飛速地發展起來。
  
  1968年法國將針刺非織造布應用于道路工程,英國將熱粘非織造布應用于道路工程,前聯邦德國將短纖維制成的針刺非織造布用于渠道岸邊防護工程。
  
  20世紀70年代以后,在國外,織物的應用從馬路、鐵路路基工程逐步擴展到擋土墻、土壩等大型永久性工程。土工織物(geotextile)和土工膜(geomembrane)是J.P.Giroud和J.Perfetti于1977年首先提出來的。他們把透水的土工合成材料稱為土工織物,不透水的稱為土工膜,這兩個名詞被使用了許多年。后來,大量的以合成聚合物為原料的其他類型土工合成材料紛紛問世,已經超出了織物和膜的范疇。進入20世紀80年代,為了更好地滿足不同工程的需要,土工格柵、土工網和土工墊等新材料相繼出現,進一步加快了土工合成材料應用技術的發展。1983年J.E.Fluet建議使用土工合成材料(geosynthetics)來概括各種類型的有關材料,1994年在新加坡召開的“第五屆國際土工織物、土工膜及有關產品會議”上,大多數與會代表主張用 “土工合成材料”一詞,并將“國際土工織物學會”(International Geotextile Society 簡稱IGS)更名為“國際土工合成材料學會”(International Geosynthetics Society 仍簡稱IGS)。
  
  土工合成材料在我國的應用開始于20世紀60年代中期,當時在市場上已經出現很多種塑料和化纖產品。少數工程技術人員發現這些產品具有優良的工程特性,試用于土建工程,取得了一些成功的經驗,但未能及時推廣。在20世紀70年代,一種由扁絲纖維織成的編織物,即通常所稱的“化纖包裝袋”,開始應用于河道與涵閘工程,其原料多采用聚丙烯和聚乙烯。
  
  20世紀80年代開始,工程技術人員的思想日益解放,與世界各國的交流日益增多, 從國外引進了非織造土工織物、塑料排水帶、化纖模袋等新型材料,以及生產設備和技術資料,推動了我國土工織物的生產與應用。1981年,鐵路部門采用美國、英國的非織造布,首先用于路基層,解決了路基翻漿冒泥問題;1983年,江蘇省引進日本化纖模袋,用于航道護坡工程;河北省采用法國羅納普朗克公司生產的針刺非織造布,用于水庫過濾層。
  
  20世紀90年代以來,土工織物由于所具有的功能和特性以及在實際工程中的應用效果,引起全國各行各業的極大興趣。1998年夏秋,在長江、松花江和嫩江特大洪災的防汛搶險工作中,土工合成材料發揮了重要作用,引起政府重視,建筑部門把對土工織物的應用列入到設計規范中去,并制定了相關的國家標準,土工織物才真正得到重視和發展。目前,土工織物在水利水電建設部門應用范圍廣、應用量大,如三峽水電工程、秦山核電站、京杭大運河等工程。隨著理論研究的深入,測試技術、設計水平、施工方法的不斷提高,土工織物開始在一些大型工程、重點工程中得以應用,并獲得了較好的經濟效益和社會效益。


  
  
  
  另外,土工膜、土工網、土工格柵等從20世紀80年代開始也逐步邁開了發展的步伐。1983年,北京市開始采用編織布與塑料薄膜相結合的復合型結構型式,解決了十幾處已建中小型水利工程的滲漏問題,取得了成功的經驗,被推廣到其他省市;1986年河北省在亂木水庫利用0.8mm的聚氯乙烯土工膜處理了庫區臺地的滲漏;1989年水口水電站利用土工織物和1.0mm土工膜相結合的復合型土工合成材料修筑堆石圍堰的心墻。近十年來完成的或施工中的一些較大型工程, 多數采用單層的較厚的土工膜或復合型土工膜。
  
  隨著土工合成材料技術的不斷進步、產品質量的不斷提升、品種和應用領域的不斷拓展,以及基礎設施和其他工程的持續需求,可以預見,土工合成材料的發展前景依然可待,未來市場空間依然可期。



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