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土工合成材料的耐久性和防护保养

   千百年来,在水利工程中,人们广泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金属材料,但它们都有一些固有的缺陷,例如性能单一,质量大,寿命不长,价格昂贵等,故不能全面满足工程的特定需要。同时天然材料毕竟数量有限,而且不少天然植物材料如过分利用还会影响自然界的生态平衡,破坏人们赖以生存的环境空间,例如大规模地砍伐森林树木,破坏地表植被,会造成水土流失和荒漠化。有些金属材料虽然性能良好,但容易锈蚀,且成本较高,从而限制了其应用范围。随着近代化学工业的迅速发展,品种繁多的人工合成材料陆续问世。它们具有多种能满足工程需要的性能,可制成各种符合实用目的的产品,而且由于其质量轻、施工简易、运输方便、价格低廉、料源丰富等优点,为岩土工程提供了一种崭新的较为理想的材料,并由此而带来一种实施简便和经济有效的技术途径。鉴于这种人工合成材料的强大生命力,因此近二三十年来在全世界范围内得到迅速的发展和广泛的使用。据不完全统计,它们已在数十万项工程中得到成功的应用,取得了良好的经济、社会和环境效益;在一些抗御自然灾害的斗争中,更显出其快捷、有效、简便的特点。无怪乎这一项新材料和新技术被人们誉为20世纪岩土工程中的一项技术革命。

 
  土工合成材料的耐久性和防护保养
 
  一、影响耐久性的主要因素
 
  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。此外,影响材料耐久性的还有化学与生物侵蚀、干湿作用、冻融变化和机械磨损等,但以日照紫外线的影响最重要。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。
 
  二、延缓老化的措施
 
  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入防老化剂,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。
 
  三、部分现场观测成果
 
  以下是一些实际工程中土工合成材料经长期工作后的检测结果。
 
  (1)1958年,美国佛罗里达州海岸护坡首先用PVC织造型土工织物作垫层,27年后取样试验,其性能仍十分良好。
 
  (2)1965年,中国水利水电科学研宄院在北京东北旺农场用PVC 土工膜(厚0.12~0.15mm)铺在渠道上作防渗试验,埋在土下30~40cm,运行20年后仍保持良好防渗性。
 
  (3)1970年,法国法拉克罗斯土坝用涤纶(聚酯)非织造土工织物作护坡垫层,运行6年后取样测定,抗拉强度仅减小82。法国许多工程采用这种织物,运行12年后,绝大部分强度损失不到302。
 
  (4)1981年,葛洲坝水力发电工程二江泄水闸基础按长江委长科院的研宄成果采用改性聚丙烯塑料管、聚氨脂泡沫塑料、涤纶织造土工织物的组合体作为基岩排水孔的过滤体。运行15年    后抽样检测,发现织物在PH值为9.02- 10.58的水下工作,其经向强度仅下降42 -8.52,纬向强度下降7,52-22,52。
 
  (5)西德汉诺威大学的试验表明,在有防护条件下,运行15年,涤纶织物强度损失不到52,丙纶织物强度损失不到102。而且老化速度随时间明显减缓。鉴于土工合成材料在工程应用中具有一定的抗老化能力,故有些国家的某些文件中对其使用年限作了较为宽限的规定,如前苏联BCH07—74《土石坝应用聚乙烯防渗结构须知》中规定,聚乙烯土工膜可用于使用年限不超过50年的建筑物。奥地利林茨公司发表的“聚丙烯土工合成材料的长期性状”一文中的结论写道:“对聚丙烯的15年以上的现场应用经验表明,它们的化学和生物稳定性高;织物的最大损坏是在施工中,铺设以后没有大变化;……可预期超过100年的稳定性”。
 
  综上所述,根据经验和合理推论,一般认为土工合成材料的使用寿命至少在30年以上。事实上,英国NETLON公司对其产品的设计年限是120年。土工膜广泛应用到各大防渗工程,土工膜作为各大矿区的防渗材料拥有以下优点:
 
  第一  土工膜特性防渗系数高:土工膜采用优质的高密度聚乙烯原生树脂,采用共挤技术制成,具有高效分子密度,液体渗透性极低,具有普通防水材料无法比拟的防渗效果,防渗透效果极住。
 
  第二  具有高强抗拉伸机械性:它优良的弹性和变形能力使其非常适用于膨胀或收缩基面,可有效克服基面的不均匀土工膜沉降。
 
  第三  化学稳定性:土工膜具有优异的化学稳定性,耐高低温,耐沥青,油及焦油,耐酸、碱、盐等化学溶液。被广泛用干污水处理,化学反应池,垃圾填埋场。
 
  第四  耐老化性能:HDPE土工膜具有优良的抗老化、抗紫外线、抗分解能力,极好的抗撕裂,抗穿刺能力,脆性低,热变形。陕懵妒褂,材料使用寿命达50-70年,为环境防渗提供很好的材抖保证。
 
  第五  环保无毒性:HDPE土工膜采用的材料均为无毒环保材料,防渗原理是普通物理变化,不产生任何有害物质,是环保、养殖、饮用水池的最佳选择。
 
  第六  成本低效益高:土工膜采用新型技术提高了防渗效果,但生产工艺更加科学、速捷、所以产品成本反而低于传统防水材料,经实际测算采用HDPE土工膜的一般工程要节约成本50%左右。
 
  最后施工简单方便,速度快,质量轻,便干运输:防渗腹质量轻,成品呈卷状,有很高的灵活性,便于现场铺设可满足不同施工场地的需求。有多种规格多种铺设形式满足不同工程防渗要求,采用热熔焊接,焊缝强度高,施工方便、快速。
 

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