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浅析土工合成材料在道路桥梁工程中的应用

    

一、概述
什么是土工合成材料,概括而言,土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的各种产品的统称。因为它们主要用于岩土
工程,故冠以“土工”两字,称为“土工合成材料”,以区别于天然材料。土工合成材料在早期曾被称为“土工织物”和“土工膜”。随着工程需要,这类材料不断有新的品种出现,例如土工格栅、土工网和土工模袋等,原来的名称已不能准确地涵盖全部产品,这样,在其后的一段时期内,把它们称之为“土工织物、土工膜和相关产品”。显然,这样的名称不宜作为一种技术名词或学术名词。为此,1994年在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上,正式确定这类材料的名称为“土工合成材料”。
土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成,再进一步加工成纤维或合成材料片材,最后制成各种产品。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PER)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等。聚乙烯是在1931年前后,首先由英国ICI公司研制成功的,1939年成为商品在市场上出售,它是聚合物中分子结构最简单的一种,可分为低分子量和高分子量两类。聚乙烯的比重为0.92,耐酸碱,抗化学剂能力强,吸湿性低,低湿时仍具柔性,电绝缘性极好。在1950年前后,又开发出了高密度聚乙烯(HDPE)材料,其比重、机械强度、熔点和硬度等都比低密度的为优。聚酰胺约在1935年研制成功,俗名为尼龙,其吸湿性较高,干燥时有一定绝缘性、机械性能好。此外,常用的原材料还有聚氯乙烯,它的比重为1.4,具有
极好的化学稳定性,不燃烧,可用于制造透明薄膜、管道、板材等。
二、土木合成材料的功能
(1)隔离作用
将土工合成材料放在两种不同的材料之间或同一材料不同粒经之间以及土体表面与上部建筑结构之间,使其隔离开来。当受外部荷载作用
时,虽然材料受力相互挤压,但由于土工合成材料在中间隔开,不使其互相混杂或流失,保持材料的整体结构和功能。土工合成材料隔离作用己广泛应用于铁路、公路路基、土石坝工程、软土基础处理以及河道整治工程。
(2)防护作用
土工合成材料可以起到分散应力的作用。也可由一种物体传递到另一物体,使应力分解,防止土体受外力作用破坏,从而起到对材料的防护
作用。土工合成材料的防护作用分两种情况: 一是表面防护,即将土工合成材料放置于土体表面,保护土体不受外力影响、破坏: 二是内部接触面保护,即将土工合成材料置于两种材料之间,当一种材料受集中应力作用时,而不使另一种材料破坏。
(3)滤层作用
滤层作用是土工织物的主要功能,被广泛地应用于水利、铁路、公路、建筑等各项工程中,特别是水利工程中用作堤、坝基础或边坡反滤层已极为普遍。在沙石料紧缺地区,用土工合成材料做反滤层,更显示出它的优越性。因此通过把土工织物置于土体表面或相邻土层之间,土中水分可以通过织物排同时织物可阻止土颗粒流失,以免造成土体失稳(管涌),可代替砂、砾石等反滤层。
(4)排水作用
土工合成材料是良好的透水材料,无论是材料法向或水平向均具有较好的排水能力,能够将土体内的水集聚到织物内部,形成排水通道,排
出土体。土工合成材料现己广泛应用于土坝、路基、挡土墙建筑以及软土基排水固结等方面。它与工程中的其他排水结构充分配合,形成完善的排水体系,排除地下水、地表水和结构中的多余水份。
(5)加筋作用
土工合成材料有较高的抗拉强度,将土工合成材料埋在土体中或路面结构适当位置,可以分布土体或路面结构应力、传递拉应力、限制其侧
向位移,增强它与土体或路结构层材料之间的摩阻力,使土或路面结构层――土工成材料复合体的强度提高,从而约束土体或路面结构层的形,并抑制或减少土体的不均匀沉降,提高土体或路面结构层的稳定性具有加筋功能。
(6)防渗作用
土工膜和复合型土工合成材料,可以作为各种工程的防渗材料。土工合成材料用于某一项工程会发挥主次作用,如公路的碎石基层与地基
之间铺放织物,一般说,“隔离”是主要的,“滤层”和“加筋”是次要的,“排水”是不甚重要的设计者合考虑,如选用光滑的土工膜来隔离,则可能引起路基中孔隙水压力升高,造成路基失稳。弱地基上修路,加筋可能起控制作用。
土工合成材料的耐久性和防护保养
土工合成材料的原材料是高分子聚合物。这种物质是链节结构,它对氧化(老化)十分敏感,容易发生降解反应和交换反应,导致材料破坏。为此,土工合成材料的使用寿命自然引起工程人员的高度关注。氧化包括热和温度引起的热氧化,以及阳光中紫外线产生的光氧化。其中光氧化的破坏作用很强,因为紫外线具有很大能量,能切断聚合物的分子链,或引发光氧化反应。各种原材料抗紫外线的能力以聚丙烯和聚酰胺最差,聚酯最佳,聚乙烯、聚氯乙烯介乎其间,颜色浅的比深的差。由于老化是从表层逐渐向内部发展,故产品厚的较薄的耐老化。
老化是高分子材料的固有特性之一,不能完全消除,但如果采取有效措施,可以大大延缓。延缓老化的措施可以从两方面着手: 一方面是在原材料中加人防老化剂,抑制光、氧、热等外界因素对材料的作用,如掺适量的抗氧剂、光稳定剂和深色碳黑等。有的单位在聚丙烯中加入防老化剂,经4年日光直接爆晒,强度仅损失25%,如果不加防老化剂,直接在日光下照射2~3月,强度即损失殆尽。另一方面是在工程中采取防护措施,如尽量缩短材料在日光中的暴露时间,用岩土(要求在30cm厚以上)或深水覆盖等。老化破坏程度常以材料的某物理力学量的变化率来反映,例如材料抗拉强度的损失或延伸率的变化等。
   

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