土工膜的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)研究

耿樟帥

（中交廣州水運(yùn)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510220）

0 引言

土工膜作為一種發(fā)展近百年的防滲材料，積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)。其具有延展性強(qiáng)、適應(yīng)變形能力高、耐腐蝕、耐低溫、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)［1］。土工膜按發(fā)展順序可分為：現(xiàn)有土工膜、改良型土工膜和新型土工膜。

現(xiàn)有土工膜基于熱固化反應(yīng)，可分為常規(guī)土工膜和復(fù)合土工膜，兩種土工膜均在工廠中預(yù)制而成，再通過(guò)車(chē)輛運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行人工拼接、安裝，常用的拼接方法有熱熔焊接法、膠黏法?，F(xiàn)有土工膜的缺點(diǎn)是制作及施工復(fù)雜、造價(jià)高、耗時(shí)高，且易發(fā)生穿透破壞和接縫破壞。

改良型土工膜常通過(guò)細(xì)釘對(duì)現(xiàn)有土工膜加肋，加肋材料與現(xiàn)有土工膜材料一致，能顯著提高界面剪切強(qiáng)度等性能。但改良型土工膜僅在現(xiàn)有土工膜的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，依舊需要在工廠中預(yù)制而成，再通過(guò)車(chē)輛運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行人工拼接、安裝。改良型土工膜僅改良了現(xiàn)有土工膜的某些性能，現(xiàn)有土工膜的缺點(diǎn)依舊保留。

新型土工膜一般指光固化土工膜，它結(jié)合了目前材料領(lǐng)域、化學(xué)領(lǐng)域一種更先進(jìn)的材料制造方法，即將不飽和單體、光引發(fā)劑和碳黑粉3種原材料按一定比例混合均勻，再通過(guò)特定波長(zhǎng)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(jiǎn)單、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，且避免了接縫破壞，是目前的研究熱點(diǎn)。

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

1 現(xiàn)有土工膜

1.1 現(xiàn)有土工膜的種類(lèi)

現(xiàn)有土工膜分為常規(guī)土工膜和復(fù)合土工膜。

1.1.1 常規(guī)土工膜

聚合物、瀝青和合成橡膠是常規(guī)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(chǎn)方式有3種，分別是吹塑法、壓延法和擠壓法。

常規(guī)土工膜按聚合物種類(lèi)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(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 常規(guī)土工膜的物理力學(xué)指標(biāo)

由表1可知，PVC土工膜的密度、熔點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度在三者之中最大。優(yōu)點(diǎn)是在施工期間和運(yùn)行期間，土工膜能承受更大的拉應(yīng)力，更不易損壞，且能更好地適應(yīng)極端高溫工況；缺點(diǎn)是每片土工膜之間的焊接困難，且由于密度過(guò)大，相同體積的土工膜需要更多的車(chē)輛運(yùn)輸，這會(huì)導(dǎo)致造價(jià)上升及效率下降。

HDPE土工膜的密度、熔點(diǎn)在三者之中最低，抗拉強(qiáng)度中等，斷裂伸長(zhǎng)率最高。優(yōu)點(diǎn)是由于密度低，運(yùn)輸所產(chǎn)生的費(fèi)用下降且效率提升；斷裂伸長(zhǎng)率高說(shuō)明HDPE土工膜的塑形優(yōu)良，抗沖擊性能好；熔點(diǎn)低表明每片土工膜之間的焊接容易。缺點(diǎn)是熔點(diǎn)最低，不能用于極端高溫工況。另外，HDPE是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹(shù)脂，具有耐化學(xué)品的特性，當(dāng)廢料場(chǎng)含有不確定的化學(xué)成分時(shí)，可優(yōu)先選用HDPE土工膜。

PE土工膜在三者之中，密度低，熔點(diǎn)、斷裂伸長(zhǎng)率中等，抗拉強(qiáng)度最低。優(yōu)點(diǎn)是PE土工膜易運(yùn)輸，所產(chǎn)生的費(fèi)用低且工作效率高，熔點(diǎn)中等代表了每片土工膜焊接容易且能適應(yīng)極端溫度工況，斷裂伸長(zhǎng)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(diǎn)是抗拉強(qiáng)度最低，PE土工膜在施工期和運(yùn)行期間，所能承受的拉應(yīng)力有限，容易發(fā)生破壞。

1.1.2 復(fù)合土工膜

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

由于土工織物的加入，復(fù)合土工膜比常規(guī)土工膜擁有更高的抗拉強(qiáng)度，且土工織物作為土工膜的保護(hù)層，可以大大增強(qiáng)土工膜的防破壞能力，另外，復(fù)合土工膜的界面剪切性能也優(yōu)于常規(guī)土工膜。對(duì)于較厚的土工織物，復(fù)合土工膜還具備沿織物平面方向在其內(nèi)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(guò)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(xiàng)性能，這類(lèi)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(qiáng)劑和穩(wěn)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(huì)加速土工膜的老化，降低土工膜的耐久性，使土工膜在運(yùn)營(yíng)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(jīng)過(guò)研究，可知2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yīng)用

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

1.3.1 垃圾填埋場(chǎng)防滲

隨著我國(guó)人民生活條件的不斷改善以及城市的不斷更新，產(chǎn)生的廢棄物日益增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，廢棄物的存量已超過(guò)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(chǔ)于垃圾填埋場(chǎng)，隨著時(shí)間的推移，這些廢棄物會(huì)發(fā)生降解，產(chǎn)生大量的有毒氣體和滲濾液。美國(guó)有關(guān)部門(mén)根據(jù)調(diào)查，已判定這些氣體和滲濾液會(huì)導(dǎo)致或誘發(fā)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(chǎng)通常采用土工膜進(jìn)行防滲。對(duì)于這種化學(xué)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(kù)防滲

油田、石油煉油廠和油庫(kù)的儲(chǔ)油罐往往儲(chǔ)有幾千萬(wàn)升的石油和工業(yè)液體。因?yàn)榇蟛糠质翘細(xì)浠衔?，這些工業(yè)液體往往具有很強(qiáng)的化學(xué)腐蝕性，如果產(chǎn)生滲漏，會(huì)對(duì)周?chē)耐馏w產(chǎn)生巨大的影響。通過(guò)建立油庫(kù)的防滲層，可以有效阻擋由于油罐滲漏或破裂對(duì)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

土工膜十分輕薄，厚度常為0.75～3.50 mm，易發(fā)生穿透破壞，且土工膜在連接處存在應(yīng)力集中，也易發(fā)生接縫破壞。為此，各國(guó)先后頒布了各種規(guī)范來(lái)指導(dǎo)土工膜的施工、運(yùn)行和檢測(cè)，但在工程實(shí)踐過(guò)程中，土工膜的穿透破壞和接縫破壞始終頻繁發(fā)生，防不勝防［1］。Rowe等［3］詳細(xì)檢查了一個(gè)建成14年的蓄水池的下墊土工膜，發(fā)現(xiàn)土工膜的破損點(diǎn)高達(dá)2 074處；Duston［4-5］報(bào)道了鹽湖城附近的一個(gè)垃圾填埋場(chǎng)，由于土工膜的穿透破壞導(dǎo)致低輻射物質(zhì)的泄露，造成不可挽回的損失。土工膜易破壞的特點(diǎn)自始至終都是科研和工程實(shí)踐的核心難點(diǎn)［3，6］。近年來(lái)，科研工作者們開(kāi)始對(duì)土工膜進(jìn)行改良，甚至是從原材料出發(fā)，創(chuàng)造性能更好、施工更方便的新型土工膜，這是土工膜未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

下面分別敘述改良型土工膜和新型土工膜的最新研究進(jìn)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(shí)，易發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致防滲系統(tǒng)出現(xiàn)薄弱點(diǎn)，防滲性能失效。為此，高俊麗等［7］在常規(guī)土工膜的基礎(chǔ)上，通過(guò)細(xì)釘將一些肋塊固定在常規(guī)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(guī)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(cè)邊的摩擦力（即側(cè)摩阻力），是一個(gè)三維立體結(jié)構(gòu)，提高了界面的摩擦系數(shù)［7］。

最終試驗(yàn)表明，加肋土工膜相比于現(xiàn)有土工膜，在提高界面抗剪強(qiáng)度的同時(shí)，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(yùn)行期間，現(xiàn)有土工膜易發(fā)生穿透破壞和接縫破壞，導(dǎo)致整個(gè)防滲系統(tǒng)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?zhǔn)椒磻?yīng)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)噴射、固化，來(lái)形成具備優(yōu)越力學(xué)性能的連續(xù)土工膜。其基本思想是：把不飽和單體、光引發(fā)劑和碳黑粉混合，形成可被一定波長(zhǎng)的光激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的單體混合液。施工時(shí)，把混合液噴射于土墊層上，同時(shí)用一定波長(zhǎng)的光照射去激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，短時(shí)間內(nèi)可固化，形成連續(xù)的土工膜。這種新型土工膜的優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)接縫問(wèn)題、安全無(wú)環(huán)境污染、施工便捷、容易控制、能耗低、材料具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

此項(xiàng)研究還在進(jìn)行中，目前已獲得這種新型土工膜的滲透性能、抗拉強(qiáng)度及界面剪切性能指標(biāo)，表現(xiàn)優(yōu)良。常規(guī)土工膜已使用了近百年，雖然有諸多改進(jìn)，但基本上還是建立在熱固化原理的基礎(chǔ)上。現(xiàn)階段，化學(xué)和材料領(lǐng)域取得了一系列成果，給巖土工程提供了一個(gè)全面革新土工合成材料的機(jī)遇。有關(guān)光固化土工膜，還待后續(xù)研究以及更多的工程應(yīng)用、檢驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

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