高性能土工复合排水材料的制备和应用

李文杰 中国交通物资有限公司工程师

土工复合材料，又称为土工合成材料，是以复合材料为原料制备的各种材料的总称。相较于其他材料而言，土工复合材料的原料主要是高分子聚合物，通常由煤、石油、天然气或者石灰石中提炼出来的化学物质，通过进一步加工而转变成为纤维或者合成材料片材，最后制作成为各种产品。因具有反滤、排水、隔离、防渗、加筋等功能，土工复合材料多用于涉水类施工项目中。随着海绵城市理念在城市建设中的应用，根据海绵城市建设的需要制备高性能的土工复合材料，逐渐成为排水系统建设中重点关注的问题。在实际的材料制备和应用过程中，更多地要根据排水施工的需要和要求进行针对性的研究和实施，以确保材料性能符合排水需求。

1 土工复合排水材料的特点

土工复合排水材料之所以拥有广阔的生产、应用前景，主要在于其制备的经济性和应用的实用性。总体来看，高性能土工复合排水材料拥有以下特点：

1.1 制备原料可选择性强

生产土工复合排水材料的主要原料是高分子聚合物，这些物质可以从煤、石油、天然气或者石灰石中提炼获得，而煤、石油、天然气、石灰石等能源的广泛性使得生产土工复合排水材料的原料比较多，并且具有明显的可替代性，这使得排水材料的生产比较灵活。

1.2 材料应用范围广泛

作为一种排水材料，土工复合排水材料是建筑、桥梁、铁路、公路等工程建设中的基础性材料，这使得排水材料可以在很大的范围内得以使用。并且与传统排水材料相比，土工复合排水材料的采购成本和使用性能等方面均存在明显的优势，成为众多施工主体重点关注的内容，材料具有广泛应用的内在动因。

1.3 应用方式易操作

虽然土工复合排水材料是复合型材料，但是其复合性主要体现在材料结构和制备方面，在实际使用中并没有太大技术性要求。在材料使用过程中，施工主体只要按照常规的排水材料铺设步骤和标准进行铺设即可，降低了材料应用的技术难度，使材料可以在短时间内得到正确使用[1]。

2 高性能土工复合排水材料的制备方法

由于土工复合排水材料在生产成本、排水性能等方面较传统材料有明显的优势，越来越多的排水材料生产商和施工方倾向于采用新工艺制备、使用该类排水材料。结合相关资料来看，土工复合排水材料的制备方法主要有以下几种：

2.1 以涤纶和低熔点纤维为原料

李新玥等通过实验提出和验证了以涤纶和低熔点纤维为原料的高性能土工复合排水材料的制备方法[2]。其具体的制备方法如下：首先，以涤纶和低熔点纤维为原料，使用变量控制法生产出针刺复合土工布试样；其次，以高密度聚乙烯（HDPE）和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）为主要原料，使用滚吸工艺生产出排水板；最后，以土工布试样为滤膜，以排水板为板芯，通过热熔黏合的方式制备出土工复合排水材料。通过实验发现，该土工复合排水材料不仅具有较高的拉伸强度，而且具有较高的通水量，能够在排水系统建设和使用中发挥积极性作用。

2.2 以无纺布和聚丙烯为原料

张韬提出了以无纺布和聚丙烯为原料生产一种新型土工复合排水垫的方法[3]。该排水垫在结构上由上下两层无纺布包裹中央排水芯板组成，其中排水芯板以聚丙烯为原料，经过特殊挤压处理，最终呈现出“W”型的纵向全断面连续排水通道。该复合排水材料的制备，不仅成本低，而且排水、反滤、防渗功能比较突出。一方面，上下两层无纺布提高了材料的过滤性能，使材料在实际使用过程中不会出现因为大颗粒物质阻塞而导致排水通道堵塞，保证了排水的持续性；另一方面，连续且呈直线状的排水芯板内通道，使得多条排水通道相互独立，提高了排水效率和效果。

2.3 以薄形土工织物和芯材为原料

闫广双提出了以薄形土织物和芯材为原料制备土工复合排水材料的方法[4]。其提出，土工复合排水材料是通过将由不同材料制成的不同形式的芯材包裹在薄形土工织物中，从而组成一种复合型排水材料。其中，薄形土工织物的制作主要由两部分构成：首先，将聚合物原料加工成为丝、短纤维、纱、条带；其次，将加工出来的丝、短纤维、纱、条带通过织造的方式加工成平面结构的土工织物。通过实验研究发现，这类土工复合材料除了具有过滤、排水、防渗的功能以外，还具有加筋功能，即该防水材料可以很好地控制土体，增强土体的稳定性，减少土体变形造成的排水功能弱化。

2.4 以聚氯乙烯、土工织物及聚合物纤维为原料

软式透水管是一种复合型防水材料，其是通过在管道外覆聚氯乙烯或者其他材料保护弹簧钢丝圈骨架，并以渗透性的土工织物和聚合物纤维编织物为管壁包裹材料，制作而成的土工复合管材。目前，使用比较多的是钢塑软式透水管，其以防锈的螺旋钢线为内衬骨架，在管材内部设置无纺布内衬，用于过滤水中的泥沙等杂质。同时，在管材外部覆盖有高强力的尼龙纱或涤纶纱，用于吸水。作为结构相对复杂的复合排水材料，软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、土工织物为原料

硬式透水管是以硬质材料为主的复合排水材料，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织物的滤层。例如，目前在道路施工中使用比较多的盲沟排水管，就是以高密度的聚乙烯为主要原料，通过使用抗氧化和抗酸碱腐蚀剂等物质，在高温下通过热挤出机，经环向均匀摇摆挤出后冷却而成的具有均匀密集小孔的网状管材。相较软式透水管，硬式透水管的生产相对比较容易，而且可以预防二次渗漏，在排水、防水方面效果较好[5]。

3 高性能土工复合排水材料的应用情况

排水材料作为工程项目施工过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 个方面。同时，考虑到排水材料对周围土体结构稳定性的影响，在排水材料制备和使用过程中，施工主体会尽可能选择稳定性好的土工复合排水材料。高性能土工复合排水材料的制备尚处于探索阶段，其生产供应仅仅局限在不同的区域。在不同的地区，土工复合排水材料的应用范围和领域也存在明显的差异。具体来看，土工复合排水材料的应用主要集中在公路等方面。

3.1 土工复合材料在公路施工中的应用

土工复合材料在公路施工中的应用主要是在路面铺设过程中的使用。在实际排水材料铺设过程中，施工人员应在公路路面排水层、垫层及排水排气层设置完毕后，按照工程建设的实际情况来使用相应的排水材料。当然，实际的排水材料使用要根据材料的情况来确定。以硬式透水管为例，铺设时施工人员要按照自上而下滚铺的方式进行操作，并对卷材中心轴进行焊接作业。同时，要利用钢管和机动车来提高平面铺设的土工膜的稳定性，使土工膜充分包裹管材。在有坡度的公路施工过程中，施工人员要尽可能地使用砌筑混凝土护坡或者块石护坡的方式形成防渗土工膜，提高排水材料的稳定性。

3.2 土工复合排水材料在水利工程中的应用

高性能土工复合排水材料除了隔离性、过滤性、排水性和防渗性比较强以外，还具有明显的加筋性能，这使得该类材料在水利工程中得到较为普遍的应用。目前，土工复合排水材料在水利工程中的应用主要体现在4 个方面：（1）用于石坝、河堤等水利工程建设中，主要起到加固软弱地基、隔离和过滤水土的作用；（2）用于边坡维护方面，主要起到增强边坡回填与开挖过程中的稳定性；（3）用于挡土墙的回填，主要起到加筋或锚固挡土墙的面板的作用；（4）用于水工建筑物保护，主要起到保护建筑物表面不受水流和波浪等因素破坏的护坡效果。

3.3 土工复合排水材料在铁路工程中的应用

土工复合排水材料的排水、渗水性能使得其成为铁路工程施工中重点应用的排水材料。目前，排水材料主要在铁路的路基工程中应用，体现为基床、边坡、挡墙反滤层、地基、盲沟、泄水孔等部位的排水方面。其中，在基床方面，通常与一般性的防水材料同时使用，可以促使基床内部下渗的水有效排出基床，保护基床的稳定性；边坡排水主要是用于排除边坡中下渗的水；在挡墙反滤层方面，主要是将挡水墙墙背填料中下渗的水排出；地基排水是结合堆载预压等形式将地基中的水排出；盲沟排水是用于收集、排出地基中的地下水；泄水孔是将电缆槽、挡土墙等部位的水引出。随着我国铁路工程项目施工数量和规模的持续扩大，土工复合排水材料以其较高的性能而成为铁路工程使用中重点使用的排水、防水材料。

4 结语

土工复合材料作为成本比较低的排水材料，在各类工程项目施工中的应用具有积极性的作用。虽然当前关于土工复合材料制备的相关研究比较少，并且一些新的制备工艺尚处于研究开发阶段，但是，通过对土工复合排水材料制备和应用的相关研究可以发现，作为一种环保性和经济性价值比较高的材料，并且是施工中不可或缺的基础性材料，土工复合排水材料具有广阔的应用空间范围。当然，在实际的材料制备与应用研究和实践中，相关主体尤其是施工主体要结合工程项目建设的实际情况，灵活选择和使用相应的排水材料，使排水材料与施工项目的排水要求相匹配。