第六章 新型材料

第六章 新型材料 [重点内容和学习要求] 本章简要介绍了近年来公路工程建设中被广泛采用的新型建筑材料（主要是土工合成材料和部分工业废渣）。 通过本章学习，要求学生了解这些材料的类型、基本性能和在工程中的一般应用情况。 所谓新型材料，是指近十余年在公路工程建设中被广泛采用的新型建筑材料，其中有些材料早已存在，并在其他科学技术领域成功应用。 20世纪70年代以来，石灰、粉煤灰、矿渣、土工合成材料、乳化沥青、改性沥青、SMA混合料、钢纤维混凝土、高性能混凝土等在我国公路工程建设中逐步推广应用，出现了新材料的应用高潮。每一种新材料的问世，对公路工程的设计和施工都带来技术的革新和进步。首先，新材料的应用提高了公路工程的质量和使用品质；其次，新材料的研制和开发促进了公路工程的技术进步；第三，新材料能更有效地使用自然资源，降低工程造价；此外，新材料对废物利用、净化环境、化害为宝等方面具有特殊的作用。 根据近年来工程实践的经验总结，开发公路工程新材料有发现新的材料来源、研制复合材料、改性材料等方式。发现新的材料来源，包括发掘或研制专门用于公路工程的材料（如土工织物、粉煤灰、炉渣、硅粉等）和将其他科技领域的材料引入公路工程（如石灰土、水泥土等）。复合材料是由两种或多种不同性质的材料经恰当组合而成，它克服了单一材料的弱点，发挥各组成材料的综合特性，成为工程性能更好的材料（如钢筋混凝土、玻璃钢等）。改性材料是在传统材料中掺入某种改性剂，从而获得的改善或提高其工程特性的材料（如改性沥青等）。 在目前应用的新型材料品种众多，如乳化沥青、改性沥青、SMA混合料、碾压式混凝土、钢纤维混凝土、高性能混凝土等均在前面的章节中已进行了介绍，本章仅就土工合成材料、部分工业废渣做简要介绍。

6.1 土工合成材料 土工合成材料是指在岩土工程中应用的以人工合成的聚合物为原料制成的各种类型合成材料的总称。最初的土工合成材料主要是“土工织物”和“土工膜”，后来随着工程需要，出现了种类繁多的新品种，如土工格栅、土工网和土工模袋等。 土工合成材料具有抗拉能力强、成批生产、质量稳定、施工简易等优点。 6.1.1路用土工合成材料的类 土工合成材料的种类繁多，按我国《土工合成材料应用技术规范》（GB 50290—98）分为土工织物、土工膜、土工特种材料及土工复合材料等四大类。其中，公路工程中用得较多的，是土工织物及土工特种材料中的土工格栅两种。 1. 土工织物 土工织物是一种透水性材料，按制造方法不同，可进一步划分为有纺土工织物和无纺土工织物。有纺土工织物是先将聚合物原料加工成丝或纱或带，再纺织成平面结构的布状产品；无纺土工织物则是通过不同的工艺，将土工纤维粘合而成。 土工织物的技术性质主要有物理性质（包括单位面积质量、厚度、开孔尺寸（有效孔径）均匀性等）、力学性质（包括抗拉强度、断裂时的延伸率、撕裂强度、冲穿强度、蠕变性、与岩土间的摩擦系数等）、渗透性和耐久性等。 2. 土工膜 土工膜是一种基本不透水的材料，根据原材料不同，可分为聚合物和沥青两大类。为满足不同强度和变形的需要，又有加筋不加筋的区分。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。 3. 复合型土工合成材料 复合型土工合成材料是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的产品。这类产品将各组合材料的特性相组合，以满足工程的特定需要。复合型土工材料品种繁多，主要分为复合土工膜和复合排水材两大类。 复合土工膜是将土工膜和土工织物组合在一起的产品。它有很多优点，如：以有纺土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；以无纺土工织物复合，不仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面摩檫系数，在公路工程中有很广泛的应用。 复合排水材主要有塑料排水板、无纺织物和塑料网状管构成的排水材，无纺织物、芯材、土工膜构成的排水材，无纺织物、网状管材和土工膜构成的排水材，无纺织物、芯材排水管等。 4. 特种土工材料 特种土工材料主要包括土工格栅、土工膜袋、玻纤网、土工网、土工垫、土工格室、超轻型合成材料等。下面简单介绍一下较常用的土工格栅： 土工格栅是聚合物高分子材料经过定向拉伸形成的具有开孔网格、较高强度的平面网状材料。土工格栅纵向、横向强度均匀，耐久性好，同时具有很高的柔性、延展性、高抗疲劳性能，抗土和地下水的化学腐蚀性、耐霉性、与填料联锁性好等特点。 土工格栅的技术性质主要有物理性质、力学性质（包括抗拉强度、延伸率、与岩土间的摩擦系数等）、耐久性等。 6.1.2土工合成材料的作用 土工织物用于在路基工程主要是起过滤排水作用，用于在路面工程中则可以减薄面层厚度，防止或抑制反射裂痕。 土工膜是过滤、排水、防渗、保土、抑制地下翻浆、防止上下层混杂、使局部负荷分布均匀的理想土工合成材料。 土工格栅则一般用于软土地基加固，固路堤边坡，半填半挖和挖填交界处或路基加宽处、新旧路基结合处减少不均匀沉降。此外，土工格栅还可用于桥台或其他人工构造物台背，防止其填土部分沉降，以减少“跳车”现象。 总之，土工合成材料用于公路工程方面，它具有加筋、增强、过滤、排水、隔离等功能，在软土地基处理和提高路基、路面工程质量和增强稳定性方面发挥着日益重要的作用。 6.1.3土工合成材料的老化和防止 土工合成材料的原材料是高分子聚合物，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。因此，如何延缓土工合成材料的老化成为工程中的一个重要问题。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，此外影响材料耐久性的还有化学和生物侵蚀、干湿作用、冻融变化和机械磨损等，但以日光紫外线的影响最重要。 根据以上分析，可以从两方面延缓老化：一是在原材料中加入防老化剂，如掺加适量的抗氧剂、光稳定剂和深色碳黑等，抑制光、氧、热等外界因素对材料的作用。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，用岩土或深水覆盖等。 6.1.4土工材料在工程中的应用 1. 加筋 （1）路堤加筋：在某些特别路段，为了达到提高路堤的稳定性，控制路堤的沉降，节约用地等目的，采用土工合成材料进行路堤加筋。路堤常用的土工合成材料有：土工格栅、土工织物、土工网等。 路堤加筋后，水平加筋的表面与填料之间的摩擦力方向与填料相对位移方向平行，提高了路堤的抗剪强度。采用土工网或土工格栅时，因加筋承载面上所受土压力，在填料和加筋的支撑面间有相对位移，网格内的填料也相对于网格移动，由于填料的上半部与下半部是向相反方向移动，摩擦力方向相反，所以承载应力可与网格的承载部分相平衡。因此，用于路堤加筋的土工合成材料应具有足够的抗拉强度和握持强度。此外，由于土工织物易受坚硬突出物刺破、顶坏，为保证强度发挥，对于土工织物还应满足刺破强度、顶破强度的要求。 土工合成材料加筋的路堤，可采用如图6-1、6-2、6-3所示的结构形式。 [图6-1] [图6-2] [图6-3] 加筋路堤施工一般应注意以下问题： 1)铺设土工布的方向当约为边坡土体的主应变方向，所以，一般土工布在边坡内略向上倾斜5°～6°左右铺设；2）土工合成材料的连接应牢固，垂直于路堤轴线方向上的连接强度不得低于材料的设计强度，连接应按有关规定执行。一般来说，土工格栅和土工网多采用绑扎的方法，土工织物通常采用缝合法和粘合法进行连接；3）铺设时为保证加筋效果的发挥，应保持土工合成材料的平整，不允许出现褶皱，铺设前应将场地整平，在距土工合成材料层8cm内路堤填料最大粒径不得超过6cm；4）由于大部分土工合成材料容易受阳光的紫外线照射老化，所以土工合成材料摊铺后应及时填筑填料。一般情况下从铺设完毕到覆盖的时间不应超过48小时。 (2)台背路基填土加筋：由于桥涵等横穿公路的构造物与构造物台背填土之间的刚度悬殊很大，往往会发生阶梯状的不均匀沉降。为了减少路基与结构物之间的不均匀沉降，解决桥头跳车问题，对台背路基填土采用土工合成材料进行加筋。 采用土工合成材料对构造物台背回填土进行加筋，主要是利用土工合成材料与结构物之间的锚固力以及与回填土之间的嵌锁力和界面摩阻力，将结构物与回填土连为一体，以提高其整体性，减少两者之间的不均匀沉降，从而有效解决桥头跳车问题。 台背回填土加筋应注意的问题：1）保证地基具有足够的承载力，不因破坏而产生大的沉降，据目前成功的工程试验，土工合成材料加筋适宜的桥台高度为5m～12m；2）在砌筑重力式结构物时，应将土工合成材料嵌固在砌体内不小于20cm或采用经防锈处理的膨胀螺钉与钢压条，将土工合成材料锚固在结构物台背面的壁面上。此外，应保证土工合成材料的铺设方向与路线走向平行；3）加筋时，应在台背与填料之间设置20cm厚的反滤层，以避免路表水通过构造物与填料交界部位渗入并滞留在填料内，并在原地面标高位置设置级配碎石排水垫层，以防止地下水进入台背填料，增强地基承载能力。 2. 过滤与排水 在道路工程中，土工合成材料与工程中的其他排水结构充分配合，可以形成良好的排水系统，排除地下水、地表水和结构中多余的水分。同时，在排水系统中使用土工织物具有铺设简单、作业速度快、功效显著、施工质量容易控制和造价低廉等优点，在公路工程中得到广泛的应用。土工合成材料可单独使用或与其他材料配合，作为过滤体或排水体用于暗沟、渗沟、支挡结构壁后排水、软基路堤地基表面排水垫层、坡面防护等。 用于过滤的土工合成材料一般用无纺织物，有时也可以用有纺织物。用于排水的土工合成织物可采用无纺土工织物、塑料排水板、带有钢圈和滤布及加强合成纤维组成的加劲软式透水管等。土工织物在施工过程中不可避免的受到外力的作用，因此，在选择土工合成材料时，其强度应满足相关规范的要求。 (1)过滤设计：路基或边坡土体中的少量地下水，多数情况下可设置地下沟渠排出。设置地下沟渠时，将透水土工布(无纺土工织物)沿纵向铺设于地下沟渠表面，将沟中填满碎石或卵石，让下渗水进入盲沟而泥土被挡在沟外，达到过滤的目的，见图6-4所示。 进行坡面防护时，在片石后铺设土工织物，可防止路堤中细小颗粒被水带走，见图6-5所示。 在支挡结构物后的排水层与山体之间铺设土工织物，同样也起到过滤的作用，见图6-6所示。 [图6-4]