高性能土工復合排水材料的制備和應用

李文杰 中國交通物資有限公司工程師

土工復合材料，又稱為土工合成材料，是以復合材料為原料制備的各種材料的總稱。相較于其他材料而言，土工復合材料的原料主要是高分子聚合物，通常由煤、石油、天然氣或者石灰石中提煉出來的化學物質，通過進一步加工而轉變成為纖維或者合成材料片材，最后制作成為各種產品。因具有反濾、排水、隔離、防滲、加筋等功能，土工復合材料多用于涉水類施工項目中。隨著海綿城市理念在城市建設中的應用，根據海綿城市建設的需要制備高性能的土工復合材料，逐漸成為排水系統建設中重點關注的問題。在實際的材料制備和應用過程中，更多地要根據排水施工的需要和要求進行針對性的研究和實施，以確保材料性能符合排水需求。

1 土工復合排水材料的特點

土工復合排水材料之所以擁有廣闊的生產、應用前景，主要在于其制備的經濟性和應用的實用性。總體來看，高性能土工復合排水材料擁有以下特點：

1.1 制備原料可選擇性強

生產土工復合排水材料的主要原料是高分子聚合物，這些物質可以從煤、石油、天然氣或者石灰石中提煉獲得，而煤、石油、天然氣、石灰石等能源的廣泛性使得生產土工復合排水材料的原料比較多，并且具有明顯的可替代性，這使得排水材料的生產比較靈活。

1.2 材料應用范圍廣泛

作為一種排水材料，土工復合排水材料是建筑、橋梁、鐵路、公路等工程建設中的基礎性材料，這使得排水材料可以在很大的范圍內得以使用。并且與傳統排水材料相比，土工復合排水材料的采購成本和使用性能等方面均存在明顯的優勢，成為眾多施工主體重點關注的內容，材料具有廣泛應用的內在動因。

1.3 應用方式易操作

雖然土工復合排水材料是復合型材料，但是其復合性主要體現在材料結構和制備方面，在實際使用中并沒有太大技術性要求。在材料使用過程中，施工主體只要按照常規的排水材料鋪設步驟和標準進行鋪設即可，降低了材料應用的技術難度，使材料可以在短時間內得到正確使用[1]。

2 高性能土工復合排水材料的制備方法

由于土工復合排水材料在生產成本、排水性能等方面較傳統材料有明顯的優勢，越來越多的排水材料生產商和施工方傾向于采用新工藝制備、使用該類排水材料。結合相關資料來看，土工復合排水材料的制備方法主要有以下幾種：

2.1 以滌綸和低熔點纖維為原料

李新玥等通過實驗提出和驗證了以滌綸和低熔點纖維為原料的高性能土工復合排水材料的制備方法[2]。其具體的制備方法如下：首先，以滌綸和低熔點纖維為原料，使用變量控制法生產出針刺復合土工布試樣；其次，以高密度聚乙烯（HDPE）和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）為主要原料，使用滾吸工藝生產出排水板；最后，以土工布試樣為濾膜，以排水板為板芯，通過熱熔黏合的方式制備出土工復合排水材料。通過實驗發現，該土工復合排水材料不僅具有較高的拉伸強度，而且具有較高的通水量，能夠在排水系統建設和使用中發揮積極性作用。

2.2 以無紡布和聚丙烯為原料

張韜提出了以無紡布和聚丙烯為原料生產一種新型土工復合排水墊的方法[3]。該排水墊在結構上由上下兩層無紡布包裹中央排水芯板組成，其中排水芯板以聚丙烯為原料，經過特殊擠壓處理，最終呈現出“W”型的縱向全斷面連續排水通道。該復合排水材料的制備，不僅成本低，而且排水、反濾、防滲功能比較突出。一方面，上下兩層無紡布提高了材料的過濾性能，使材料在實際使用過程中不會出現因為大顆粒物質阻塞而導致排水通道堵塞，保證了排水的持續性；另一方面，連續且呈直線狀的排水芯板內通道，使得多條排水通道相互獨立，提高了排水效率和效果。

2.3 以薄形土工織物和芯材為原料

閆廣雙提出了以薄形土織物和芯材為原料制備土工復合排水材料的方法[4]。其提出，土工復合排水材料是通過將由不同材料制成的不同形式的芯材包裹在薄形土工織物中，從而組成一種復合型排水材料。其中，薄形土工織物的制作主要由兩部分構成：首先，將聚合物原料加工成為絲、短纖維、紗、條帶；其次，將加工出來的絲、短纖維、紗、條帶通過織造的方式加工成平面結構的土工織物。通過實驗研究發現，這類土工復合材料除了具有過濾、排水、防滲的功能以外，還具有加筋功能，即該防水材料可以很好地控制土體，增強土體的穩定性，減少土體變形造成的排水功能弱化。

2.4 以聚氯乙烯、土工織物及聚合物纖維為原料

軟式透水管是一種復合型防水材料，其是通過在管道外覆聚氯乙烯或者其他材料保護彈簧鋼絲圈骨架，并以滲透性的土工織物和聚合物纖維編織物為管壁包裹材料，制作而成的土工復合管材。目前，使用比較多的是鋼塑軟式透水管，其以防銹的螺旋鋼線為內襯骨架，在管材內部設置無紡布內襯，用于過濾水中的泥沙等雜質。同時，在管材外部覆蓋有高強力的尼龍紗或滌綸紗，用于吸水。作為結構相對復雜的復合排水材料，軟式透水管具有全方位的透水性能，可以迅速收集土中的水分。

2.5 以高分子聚合物、土工織物為原料

硬式透水管是以硬質材料為主的復合排水材料，其排水芯材是由高分子聚合物或者其他材料制成的多孔管材，芯材的外部包裹有土工織物的濾層。例如，目前在道路施工中使用比較多的盲溝排水管，就是以高密度的聚乙烯為主要原料，通過使用抗氧化和抗酸堿腐蝕劑等物質，在高溫下通過熱擠出機，經環向均勻搖擺擠出后冷卻而成的具有均勻密集小孔的網狀管材。相較軟式透水管，硬式透水管的生產相對比較容易，而且可以預防二次滲漏，在排水、防水方面效果較好[5]。

3 高性能土工復合排水材料的應用情況

排水材料作為工程項目施工過程中普遍使用的施工材料，其性能通常包括吸水性能和排水性能2 個方面。同時，考慮到排水材料對周圍土體結構穩定性的影響，在排水材料制備和使用過程中，施工主體會盡可能選擇穩定性好的土工復合排水材料。高性能土工復合排水材料的制備尚處于探索階段，其生產供應僅僅局限在不同的區域。在不同的地區，土工復合排水材料的應用范圍和領域也存在明顯的差異。具體來看，土工復合排水材料的應用主要集中在公路等方面。

3.1 土工復合材料在公路施工中的應用

土工復合材料在公路施工中的應用主要是在路面鋪設過程中的使用。在實際排水材料鋪設過程中，施工人員應在公路路面排水層、墊層及排水排氣層設置完畢后，按照工程建設的實際情況來使用相應的排水材料。當然，實際的排水材料使用要根據材料的情況來確定。以硬式透水管為例，鋪設時施工人員要按照自上而下滾鋪的方式進行操作，并對卷材中心軸進行焊接作業。同時，要利用鋼管和機動車來提高平面鋪設的土工膜的穩定性，使土工膜充分包裹管材。在有坡度的公路施工過程中，施工人員要盡可能地使用砌筑混凝土護坡或者塊石護坡的方式形成防滲土工膜，提高排水材料的穩定性。

3.2 土工復合排水材料在水利工程中的應用

高性能土工復合排水材料除了隔離性、過濾性、排水性和防滲性比較強以外，還具有明顯的加筋性能，這使得該類材料在水利工程中得到較為普遍的應用。目前，土工復合排水材料在水利工程中的應用主要體現在4 個方面：（1）用于石壩、河堤等水利工程建設中，主要起到加固軟弱地基、隔離和過濾水土的作用；（2）用于邊坡維護方面，主要起到增強邊坡回填與開挖過程中的穩定性；（3）用于擋土墻的回填，主要起到加筋或錨固擋土墻的面板的作用；（4）用于水工建筑物保護，主要起到保護建筑物表面不受水流和波浪等因素破壞的護坡效果。

3.3 土工復合排水材料在鐵路工程中的應用

土工復合排水材料的排水、滲水性能使得其成為鐵路工程施工中重點應用的排水材料。目前，排水材料主要在鐵路的路基工程中應用，體現為基床、邊坡、擋墻反濾層、地基、盲溝、泄水孔等部位的排水方面。其中，在基床方面，通常與一般性的防水材料同時使用，可以促使基床內部下滲的水有效排出基床，保護基床的穩定性；邊坡排水主要是用于排除邊坡中下滲的水；在擋墻反濾層方面，主要是將擋水墻墻背填料中下滲的水排出；地基排水是結合堆載預壓等形式將地基中的水排出；盲溝排水是用于收集、排出地基中的地下水；泄水孔是將電纜槽、擋土墻等部位的水引出。隨著我國鐵路工程項目施工數量和規模的持續擴大，土工復合排水材料以其較高的性能而成為鐵路工程使用中重點使用的排水、防水材料。

4 結語

土工復合材料作為成本比較低的排水材料，在各類工程項目施工中的應用具有積極性的作用。雖然當前關于土工復合材料制備的相關研究比較少，并且一些新的制備工藝尚處于研究開發階段，但是，通過對土工復合排水材料制備和應用的相關研究可以發現，作為一種環保性和經濟性價值比較高的材料，并且是施工中不可或缺的基礎性材料，土工復合排水材料具有廣闊的應用空間范圍。當然，在實際的材料制備與應用研究和實踐中，相關主體尤其是施工主體要結合工程項目建設的實際情況，靈活選擇和使用相應的排水材料，使排水材料與施工項目的排水要求相匹配。