土工膜的应用现状及未来发展趋势研究

2022-06-04耿樟帅

江苏科技信息 2022年12期

耿樟帅

（中交广州水运工程设计研究院有限公司，广东广州 510220）

0 引言

土工膜作为一种发展近百年的防渗材料，积累了大量的工程经验。其具有延展性强、适应变形能力高、耐腐蚀、耐低温、抗冻性能好等优点［1］。土工膜按发展顺序可分为：现有土工膜、改良型土工膜和新型土工膜。

现有土工膜基于热固化反应，可分为常规土工膜和复合土工膜，两种土工膜均在工厂中预制而成，再通过车辆运输至施工现场，进行人工拼接、安装，常用的拼接方法有热熔焊接法、胶黏法。现有土工膜的缺点是制作及施工复杂、造价高、耗时高，且易发生穿透破坏和接缝破坏。

改良型土工膜常通过细钉对现有土工膜加肋，加肋材料与现有土工膜材料一致，能显著提高界面剪切强度等性能。但改良型土工膜仅在现有土工膜的基础上进行改造，依旧需要在工厂中预制而成，再通过车辆运输至现场，进行人工拼接、安装。改良型土工膜仅改良了现有土工膜的某些性能，现有土工膜的缺点依旧保留。

新型土工膜一般指光固化土工膜，它结合了目前材料领域、化学领域一种更先进的材料制造方法，即将不饱和单体、光引发剂和碳黑粉3种原材料按一定比例混合均匀，再通过特定波长的紫外光照射，即可生成大面积的光固化土工膜。光固化土工膜拥有施工快速简单、安全无污染等优点，且避免了接缝破坏，是目前的研究热点。

土工膜作为一种防渗性能优良的材料，常用于垃圾填埋场、尾矿储存场、渠道、堤坝、地铁等工程。

1 现有土工膜

1.1 现有土工膜的种类

现有土工膜分为常规土工膜和复合土工膜。

1.1.1 常规土工膜

聚合物、沥青和合成橡胶是常规土工膜的主要原材料，其中又以聚合物为主。聚合物土工膜的生产方式有3种，分别是吹塑法、压延法和挤压法。

常规土工膜按聚合物种类划分，可主要分为聚氯乙烯（PVC）土工膜、聚乙烯（PE）土工膜和高密度聚乙烯（HDPE）土工膜，它们的物理力学指标如表1所示。

表1 常规土工膜的物理力学指标

由表1可知，PVC土工膜的密度、熔点和抗拉强度在三者之中最大。优点是在施工期间和运行期间，土工膜能承受更大的拉应力，更不易损坏，且能更好地适应极端高温工况；缺点是每片土工膜之间的焊接困难，且由于密度过大，相同体积的土工膜需要更多的车辆运输，这会导致造价上升及效率下降。

HDPE土工膜的密度、熔点在三者之中最低，抗拉强度中等，断裂伸长率最高。优点是由于密度低，运输所产生的费用下降且效率提升；断裂伸长率高说明HDPE土工膜的塑形优良，抗冲击性能好；熔点低表明每片土工膜之间的焊接容易。缺点是熔点最低，不能用于极端高温工况。另外，HDPE是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂，具有耐化学品的特性，当废料场含有不确定的化学成分时，可优先选用HDPE土工膜。

PE土工膜在三者之中，密度低，熔点、断裂伸长率中等，抗拉强度最低。优点是PE土工膜易运输，所产生的费用低且工作效率高，熔点中等代表了每片土工膜焊接容易且能适应极端温度工况，断裂伸长率中等代表了PE土工膜拥有良好的塑形，有一定的抗冲击性能。缺点是抗拉强度最低，PE土工膜在施工期和运行期间，所能承受的拉应力有限，容易发生破坏。

1.1.2 复合土工膜

复合土工膜是在常规土工膜的基础上通过一些特定的制造方法，将土工织物附着在常规土工膜上，形成复合形式的土工膜。复合土工膜制造方法有流延和压延。常用的复合土工膜有一布一膜和两布一膜。

由于土工织物的加入，复合土工膜比常规土工膜拥有更高的抗拉强度，且土工织物作为土工膜的保护层，可以大大增强土工膜的防破坏能力，另外，复合土工膜的界面剪切性能也优于常规土工膜。对于较厚的土工织物，复合土工膜还具备沿织物平面方向在其内部传输水和气的能力。

1.2 土工膜的常用添加剂

在土工膜制作的过程中，除了主要的聚合物原材料，还常常添加一定比例的其他原料，以求提高土工膜的某项性能，这类其他原料称之为添加剂。

土工膜常用的添加剂有碳黑粉、增塑剂、增强剂和稳定剂，其中最常用的添加剂是碳黑粉。土工膜作为一种聚合物材料，常用于野外工地，而紫外线的照射会加速土工膜的老化，降低土工膜的耐久性，使土工膜在运营期间遭受破坏，失去防渗性能。碳黑粉作为添加剂，拥有吸收紫外光的能力。经过研究，可知2%质量分数的碳黑粉可以使土工膜抗老化能力提高30倍。

1.3 土工膜在工程中的应用

土工膜作为一种防渗性能优良的薄膜材料，常用于垃圾填埋场、尾矿储存场、渠道、堤坝、地铁等工程。下文以垃圾填埋场、油库为案例，讲述土工膜在工程中的应用。

1.3.1 垃圾填埋场防渗

随着我国人民生活条件的不断改善以及城市的不断更新，产生的废弃物日益增多。据统计，废弃物的存量已超过2.82×1010t，且每年还以8%～15%的速度激增，位居世界前列［2］。这些废弃物一般存储于垃圾填埋场，随着时间的推移，这些废弃物会发生降解，产生大量的有毒气体和渗滤液。美国有关部门根据调查，已判定这些气体和渗滤液会导致或诱发癌症，甚至引起基因变异［1］。为防止有毒气体和渗滤液的泄露，垃圾填埋场通常采用土工膜进行防渗。对于这种化学成分多样的废弃物，采用高密度聚乙烯（HDPE）土工膜较为合适。

1.3.2 油库防渗

油田、石油炼油厂和油库的储油罐往往储有几千万升的石油和工业液体。因为大部分是碳氢化合物，这些工业液体往往具有很强的化学腐蚀性，如果产生渗漏，会对周围的土体产生巨大的影响。通过建立油库的防渗层，可以有效阻挡由于油罐渗漏或破裂对土体造成的污染，采用高密度聚乙烯（HDPE）土工膜较为合适。

2 土工膜未来的发展趋势

土工膜十分轻薄，厚度常为0.75～3.50 mm，易发生穿透破坏，且土工膜在连接处存在应力集中，也易发生接缝破坏。为此，各国先后颁布了各种规范来指导土工膜的施工、运行和检测，但在工程实践过程中，土工膜的穿透破坏和接缝破坏始终频繁发生，防不胜防［1］。Rowe等［3］详细检查了一个建成14年的蓄水池的下垫土工膜，发现土工膜的破损点高达2 074处；Duston［4-5］报道了盐湖城附近的一个垃圾填埋场，由于土工膜的穿透破坏导致低辐射物质的泄露，造成不可挽回的损失。土工膜易破坏的特点自始至终都是科研和工程实践的核心难点［3，6］。近年来，科研工作者们开始对土工膜进行改良，甚至是从原材料出发，创造性能更好、施工更方便的新型土工膜，这是土工膜未来的发展趋势。

下面分别叙述改良型土工膜和新型土工膜的最新研究进展。

2.1 改良型土工膜

土工膜的界面剪切性能较低，在与其他材料、土体接触时，易发生滑移，从而导致防渗系统出现薄弱点，防渗性能失效。为此，高俊丽等［7］在常规土工膜的基础上，通过细钉将一些肋块固定在常规土工膜表面，形成一种非满布单层加肋土工膜。所述肋块材料与土工膜材料一致。

相比于常规土工膜，加肋土工膜除了依靠界面摩擦力限制土体的变形，还有加肋部分抗力所引起的承载阻力（即咬合力）和加肋部分侧边的摩擦力（即侧摩阻力），是一个三维立体结构，提高了界面的摩擦系数［7］。

最终试验表明，加肋土工膜相比于现有土工膜，在提高界面抗剪强度的同时，依旧保持了较好的抗拉裂性能，是一种成功的改良型土工膜。

2.2 新型土工膜

工程在运行期间，现有土工膜易发生穿透破坏和接缝破坏，导致整个防渗系统的性能下降甚至失效。鉴于此，耿樟帅［1］提出了利用光固化链式反应，以实现现场喷射、固化，来形成具备优越力学性能的连续土工膜。其基本思想是：把不饱和单体、光引发剂和碳黑粉混合，形成可被一定波长的光激发链式反应的单体混合液。施工时，把混合液喷射于土垫层上，同时用一定波长的光照射去激发链式反应，短时间内可固化，形成连续的土工膜。这种新型土工膜的优点有：无接缝问题、安全无环境污染、施工便捷、容易控制、能耗低、材料具有长期的稳定性。

此项研究还在进行中，目前已获得这种新型土工膜的渗透性能、抗拉强度及界面剪切性能指标，表现优良。常规土工膜已使用了近百年，虽然有诸多改进，但基本上还是建立在热固化原理的基础上。现阶段，化学和材料领域取得了一系列成果，给岩土工程提供了一个全面革新土工合成材料的机遇。有关光固化土工膜，还待后续研究以及更多的工程应用、检验。