土工膜的應用現狀及未來發展趨勢研究

耿樟帥

（中交廣州水運工程設計研究院有限公司，廣東 廣州 510220）

0 引言

土工膜作為一種發展近百年的防滲材料，積累了大量的工程經驗。其具有延展性強、適應變形能力高、耐腐蝕、耐低溫、抗凍性能好等優點［1］。土工膜按發展順序可分為：現有土工膜、改良型土工膜和新型土工膜。

現有土工膜基于熱固化反應，可分為常規土工膜和復合土工膜，兩種土工膜均在工廠中預制而成，再通過車輛運輸至施工現場，進行人工拼接、安裝，常用的拼接方法有熱熔焊接法、膠黏法。現有土工膜的缺點是制作及施工復雜、造價高、耗時高，且易發生穿透破壞和接縫破壞。

改良型土工膜常通過細釘對現有土工膜加肋，加肋材料與現有土工膜材料一致，能顯著提高界面剪切強度等性能。但改良型土工膜僅在現有土工膜的基礎上進行改造，依舊需要在工廠中預制而成，再通過車輛運輸至現場，進行人工拼接、安裝。改良型土工膜僅改良了現有土工膜的某些性能，現有土工膜的缺點依舊保留。

新型土工膜一般指光固化土工膜，它結合了目前材料領域、化學領域一種更先進的材料制造方法，即將不飽和單體、光引發劑和碳黑粉3種原材料按一定比例混合均勻，再通過特定波長的紫外光照射，即可生成大面積的光固化土工膜。光固化土工膜擁有施工快速簡單、安全無污染等優點，且避免了接縫破壞，是目前的研究熱點。

土工膜作為一種防滲性能優良的材料，常用于垃圾填埋場、尾礦儲存場、渠道、堤壩、地鐵等工程。

1 現有土工膜

1.1 現有土工膜的種類

現有土工膜分為常規土工膜和復合土工膜。

1.1.1 常規土工膜

聚合物、瀝青和合成橡膠是常規土工膜的主要原材料，其中又以聚合物為主。聚合物土工膜的生產方式有3種，分別是吹塑法、壓延法和擠壓法。

常規土工膜按聚合物種類劃分，可主要分為聚氯乙烯（PVC）土工膜、聚乙烯（PE）土工膜和高密度聚乙烯（HDPE）土工膜，它們的物理力學指標如表1所示。

表1 常規土工膜的物理力學指標

由表1可知，PVC土工膜的密度、熔點和抗拉強度在三者之中最大。優點是在施工期間和運行期間，土工膜能承受更大的拉應力，更不易損壞，且能更好地適應極端高溫工況；缺點是每片土工膜之間的焊接困難，且由于密度過大，相同體積的土工膜需要更多的車輛運輸，這會導致造價上升及效率下降。

HDPE土工膜的密度、熔點在三者之中最低，抗拉強度中等，斷裂伸長率最高。優點是由于密度低，運輸所產生的費用下降且效率提升；斷裂伸長率高說明HDPE土工膜的塑形優良，抗沖擊性能好；熔點低表明每片土工膜之間的焊接容易。缺點是熔點最低，不能用于極端高溫工況。另外，HDPE是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有耐化學品的特性，當廢料場含有不確定的化學成分時，可優先選用HDPE土工膜。

PE土工膜在三者之中，密度低，熔點、斷裂伸長率中等，抗拉強度最低。優點是PE土工膜易運輸，所產生的費用低且工作效率高，熔點中等代表了每片土工膜焊接容易且能適應極端溫度工況，斷裂伸長率中等代表了PE土工膜擁有良好的塑形，有一定的抗沖擊性能。缺點是抗拉強度最低，PE土工膜在施工期和運行期間，所能承受的拉應力有限，容易發生破壞。

1.1.2 復合土工膜

復合土工膜是在常規土工膜的基礎上通過一些特定的制造方法，將土工織物附著在常規土工膜上，形成復合形式的土工膜。復合土工膜制造方法有流延和壓延。常用的復合土工膜有一布一膜和兩布一膜。

由于土工織物的加入，復合土工膜比常規土工膜擁有更高的抗拉強度，且土工織物作為土工膜的保護層，可以大大增強土工膜的防破壞能力，另外，復合土工膜的界面剪切性能也優于常規土工膜。對于較厚的土工織物，復合土工膜還具備沿織物平面方向在其內部傳輸水和氣的能力。

1.2 土工膜的常用添加劑

在土工膜制作的過程中，除了主要的聚合物原材料，還常常添加一定比例的其他原料，以求提高土工膜的某項性能，這類其他原料稱之為添加劑。

土工膜常用的添加劑有碳黑粉、增塑劑、增強劑和穩定劑，其中最常用的添加劑是碳黑粉。土工膜作為一種聚合物材料，常用于野外工地，而紫外線的照射會加速土工膜的老化，降低土工膜的耐久性，使土工膜在運營期間遭受破壞，失去防滲性能。碳黑粉作為添加劑，擁有吸收紫外光的能力。經過研究，可知2%質量分數的碳黑粉可以使土工膜抗老化能力提高30倍。

1.3 土工膜在工程中的應用

土工膜作為一種防滲性能優良的薄膜材料，常用于垃圾填埋場、尾礦儲存場、渠道、堤壩、地鐵等工程。下文以垃圾填埋場、油庫為案例，講述土工膜在工程中的應用。

1.3.1 垃圾填埋場防滲

隨著我國人民生活條件的不斷改善以及城市的不斷更新，產生的廢棄物日益增多。據統計，廢棄物的存量已超過2.82×1010t，且每年還以8%～15%的速度激增，位居世界前列［2］。這些廢棄物一般存儲于垃圾填埋場，隨著時間的推移，這些廢棄物會發生降解，產生大量的有毒氣體和滲濾液。美國有關部門根據調查，已判定這些氣體和滲濾液會導致或誘發癌癥，甚至引起基因變異［1］。為防止有毒氣體和滲濾液的泄露，垃圾填埋場通常采用土工膜進行防滲。對于這種化學成分多樣的廢棄物，采用高密度聚乙烯（HDPE）土工膜較為合適。

1.3.2 油庫防滲

油田、石油煉油廠和油庫的儲油罐往往儲有幾千萬升的石油和工業液體。因為大部分是碳氫化合物，這些工業液體往往具有很強的化學腐蝕性，如果產生滲漏，會對周圍的土體產生巨大的影響。通過建立油庫的防滲層，可以有效阻擋由于油罐滲漏或破裂對土體造成的污染，采用高密度聚乙烯（HDPE）土工膜較為合適。

2 土工膜未來的發展趨勢

土工膜十分輕薄，厚度常為0.75～3.50 mm，易發生穿透破壞，且土工膜在連接處存在應力集中，也易發生接縫破壞。為此，各國先后頒布了各種規范來指導土工膜的施工、運行和檢測，但在工程實踐過程中，土工膜的穿透破壞和接縫破壞始終頻繁發生，防不勝防［1］。Rowe等［3］詳細檢查了一個建成14年的蓄水池的下墊土工膜，發現土工膜的破損點高達2 074處；Duston［4-5］報道了鹽湖城附近的一個垃圾填埋場，由于土工膜的穿透破壞導致低輻射物質的泄露，造成不可挽回的損失。土工膜易破壞的特點自始至終都是科研和工程實踐的核心難點［3，6］。近年來，科研工作者們開始對土工膜進行改良，甚至是從原材料出發，創造性能更好、施工更方便的新型土工膜，這是土工膜未來的發展趨勢。

下面分別敘述改良型土工膜和新型土工膜的最新研究進展。

2.1 改良型土工膜

土工膜的界面剪切性能較低，在與其他材料、土體接觸時，易發生滑移，從而導致防滲系統出現薄弱點，防滲性能失效。為此，高俊麗等［7］在常規土工膜的基礎上，通過細釘將一些肋塊固定在常規土工膜表面，形成一種非滿布單層加肋土工膜。所述肋塊材料與土工膜材料一致。

相比于常規土工膜，加肋土工膜除了依靠界面摩擦力限制土體的變形，還有加肋部分抗力所引起的承載阻力（即咬合力）和加肋部分側邊的摩擦力（即側摩阻力），是一個三維立體結構，提高了界面的摩擦系數［7］。

最終試驗表明，加肋土工膜相比于現有土工膜，在提高界面抗剪強度的同時，依舊保持了較好的抗拉裂性能，是一種成功的改良型土工膜。

2.2 新型土工膜

工程在運行期間，現有土工膜易發生穿透破壞和接縫破壞，導致整個防滲系統的性能下降甚至失效。鑒于此，耿樟帥［1］提出了利用光固化鏈式反應，以實現現場噴射、固化，來形成具備優越力學性能的連續土工膜。其基本思想是：把不飽和單體、光引發劑和碳黑粉混合，形成可被一定波長的光激發鏈式反應的單體混合液。施工時，把混合液噴射于土墊層上，同時用一定波長的光照射去激發鏈式反應，短時間內可固化，形成連續的土工膜。這種新型土工膜的優點有：無接縫問題、安全無環境污染、施工便捷、容易控制、能耗低、材料具有長期的穩定性。

此項研究還在進行中，目前已獲得這種新型土工膜的滲透性能、抗拉強度及界面剪切性能指標，表現優良。常規土工膜已使用了近百年，雖然有諸多改進，但基本上還是建立在熱固化原理的基礎上。現階段，化學和材料領域取得了一系列成果，給巖土工程提供了一個全面革新土工合成材料的機遇。有關光固化土工膜，還待后續研究以及更多的工程應用、檢驗。

3 結語

本文圍繞土工膜，敘述了現有土工膜及土工膜未來的發展趨勢。建議科研工作者和工程師們結合目前化學、材料的最新研究成果，研制出滲透性能更好、抗拉性能更強的新型材料土工膜。