一.前言
在土工合成材料家族中，有一些被忽略的重要合成材料，即水泥與混凝土增強(qiáng)用合成纖維及液態(tài)聚合物。事實(shí)上，水泥與混凝土增強(qiáng)用合成纖維在很早以前就被作為一種土工合成材料出現(xiàn)在有關(guān)文獻(xiàn)中。八十年代初出版的《結(jié)構(gòu)工程與土木工程中使用的合成纖維(美)就已經(jīng)將水泥與混凝土增強(qiáng)用合成纖維與其他土工合成材料相提并論;用于巖土工程的各種液態(tài)合成材料，也符合土工合成材料的定義。所以，土工合成材料的范圍,不一定局限在合成材料制成的絲、布、膜、板上。在這個(gè)意義上,土工復(fù)合材料不僅是不同合成材料之間的復(fù)合，而且還能通過合成纖維、液態(tài)聚合物等實(shí)現(xiàn)合成材料與水泥混凝土、金屬等無機(jī)材料的復(fù)合。
按照上述觀點(diǎn)，汲取有關(guān)實(shí)驗(yàn)工程的成敗經(jīng)驗(yàn)，利用近兩年研究的改性PP纖維混凝土及改性 PP纖維-納米級(jí)聚合物混凝土復(fù)合材料，根據(jù)北方凍融地區(qū)渠道防滲特點(diǎn)，研究出了一種適用于渠道等防滲工程的新型多元復(fù)合材料，即復(fù)合土工膜-納米級(jí)聚合物纖維混凝土復(fù)合防滲材料。
二.項(xiàng)目研究的背景
1998年，吉林省水利實(shí)業(yè)公司組織進(jìn)行了水泥與混凝土增強(qiáng)用合成纖維應(yīng)用研究工作:當(dāng)年省水利廳為增加農(nóng)田水利建設(shè)的科技含量，提高渠道防滲的抗凍融破壞能力和耐久性，指令省水利實(shí)業(yè)公司在吉林省的梅河口市曙光鄉(xiāng)海龍水庫灌區(qū)用該技術(shù)首次進(jìn)行了水田灌濺渠道防滲實(shí)驗(yàn)工程。工程采用300克/m2的針刺短纖兩布一膜復(fù)合防滲膜，改性PP短纖維，體積率Vf1%斜坡表面襯砌30毫米厚一級(jí)配纖維混凝土(FRCC),底面厚50毫米,憑借復(fù)合防滲膜表面的短纖維與混凝土經(jīng)物理粘合復(fù)為一體,形成了防滲膜-混凝土復(fù)合的雛形;從渠道整形到完成共11天;防滲平均造價(jià)29元/m2.經(jīng)歷了一個(gè)冬春的凍融，沒出現(xiàn)問題。但在夏季灌溉結(jié)束時(shí)，局部因土體膨脹使混凝土與膜剝離。經(jīng)觀測(cè)了解，系渠水位高過護(hù)砌高程，撤水時(shí)的飽和土壓力過大所致。也有混凝土分縫過大、標(biāo)號(hào)不夠等施工質(zhì)量問題及FRCC與復(fù)合防滲膜粘合不好、復(fù)合防滲膜抗拉強(qiáng)度較低等因素。
1999年，吉林省水利實(shí)業(yè)公司在吉林省九臺(tái)市又進(jìn)行了500米渠道FRCC防滲工程,防滲造價(jià)30元/m2。迄今效果良好。由于工期短，造價(jià)低，施工易，受到了當(dāng)?shù)貧g迎。
2000 年春，吉林省水利科學(xué)研究所參照上述方式，在吉林省的前郭灌區(qū)進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn);另外，黑龍江省有關(guān)單位1999春到吉林省調(diào)研后，也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，目前尚無不良反映。遼寧省有關(guān)單位也購了纖維樣品。
上述工程在吉林省乃至東北地區(qū)引起了一場(chǎng)“PP纖維混凝土熱”，促成了FRCC技術(shù)在水利工程特別是渠道防滲工程上的普及和推廣，開辟了以廉價(jià)、實(shí)用方式進(jìn)行渠道防滲護(hù)砌的新路。作為“始作俑者”，吉林省水利實(shí)業(yè)公司吉水土工合成材料研究所認(rèn)為該技術(shù)在適應(yīng)性、實(shí)用性、整體性、耐久性、簡(jiǎn)易性等方面仍有許多缺欠，還須做較大改進(jìn)，使之趨于成熟。同時(shí)提出了一個(gè)新的設(shè)計(jì)理念，即認(rèn)為凍融等因素造成的基礎(chǔ)變形不宜一味抗拒，而應(yīng)在不影響構(gòu)筑物功能的前提下，讓護(hù)砌材料適應(yīng)基礎(chǔ)變形。這就要求防滲材料要有整體柔性、局部剛性、剛?cè)峤Y(jié)合的特性。經(jīng)總結(jié)已建各實(shí)驗(yàn)工程的成敗經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為解決問題的關(guān)鍵,在于增加防滲基布抗拉強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度、提高超薄混凝土的強(qiáng)度和韌性、減小混凝土片面積并增加與基布粘合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)防滲材料-護(hù)砌材料一體化。因此,汲取當(dāng)代先進(jìn)的納米技術(shù),利用新研究的改性PP纖維-納米級(jí)聚合物增強(qiáng)混凝土(FRPCC),采用耦聯(lián)方法將復(fù)合防滲膜與混凝土護(hù)砌復(fù)合為一體，研制出復(fù)合土工膜-納米級(jí)聚合物纖維混凝土復(fù)合防滲材料。
三.復(fù)合防滲基布的研制
基布分為應(yīng)力層、防滲層和耦聯(lián)層。
基布應(yīng)力層充分利用了高分子合成材料的低彈模、較大的抗拉強(qiáng)度、一定的斷裂伸長(zhǎng)率的特點(diǎn),將原來由表面混凝土護(hù)砌材料承當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力轉(zhuǎn)為基布的拉應(yīng)力。表面的混凝土護(hù)在分縫較小的情況下可因此而減薄。
在一般外力(1000-2000N/100cm2)作用條件下，可選用單位面積質(zhì)量200克/m2丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織布,5厘米抗拉強(qiáng)度大于2000N，斷裂伸長(zhǎng)為20%。布表面必須進(jìn)行處理。
基布防滲層同時(shí)也是粘合層，融化的防滲膜要起到熱溶膠的作用，所以用淋膜方式制膜，為保證粘合效果，膜單位面積質(zhì)量不宜低于100克/m2，與應(yīng)力層、耦聯(lián)層之間產(chǎn)生較大的剝離強(qiáng)度，同時(shí)要有耐候性。因此，選用了高壓低密度聚乙烯。為增加PE膜與丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織布的附著性與柔軟性,需添加改性材料。耦聯(lián)層增加了表面附著能力，并將防滲基布與聚合物纖維混凝土兩種不同特性材料耦合為一體，按混凝土中所加入耦聯(lián)劑的要求，采用100克/m2的滌丙綸混合無紡布，纖度不宜過小，
四.PP 改性纖維-納米級(jí)聚合物增強(qiáng)混凝土復(fù)合層的研究
處于表面的混凝土復(fù)合層由于較薄，應(yīng)同時(shí)具有較大的抗壓強(qiáng)度和較好的韌性。采用了納米級(jí)聚合物纖維增強(qiáng)混凝土(FRPCC)材料。
關(guān)于聚合物改性水泥混凝土(PMC)，目前較流行的是孔隙填充和“鍵橋”理論，即聚合物充填了混凝土孔隙，并形成網(wǎng)絮狀鍵橋橫亙于混凝土內(nèi)部既有的微隙上，接受并傳遞應(yīng)力,使混凝土的韌性得到改善，與纖維混凝土理論中的纖維等間距理論相似。但水化作用受到影響，抗壓強(qiáng)度降低。對(duì)聚灰比較小時(shí)混凝土水化作用的增強(qiáng)尚無另人滿意的解釋。加之PMC中普通聚合物用量大,造價(jià)品貴,故應(yīng)用甚少。
納米級(jí)聚合物的應(yīng)用,為解決這一問題開辟了一條新的道路。這里的“納米級(jí)聚合物”是聚合物的微粒平均粒徑不大于50納米，相比之下,普通聚合物的粒徑一般為100-300納米:水泥粒徑一般為30000-80000納米。因此可用較少的用量獲得較大的比表面積,大幅度降低了PMC成本。
經(jīng)查閱有關(guān)資料,對(duì)納米級(jí)FRPCC進(jìn)行了探索性試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:
1.聚合物的比表面積對(duì)混凝土性能影響較大。加入較少數(shù)量但比表面積較大的納米級(jí)聚合物,可充填混凝土中50-10000mm≤細(xì)孔:在耦聯(lián)劑作用下,產(chǎn)生多相結(jié)合,增加了凝膠力,使微觀結(jié)構(gòu)更加車固，混凝土的整體性能得到改善，強(qiáng)度得到提高。
2.聚合物鍵橋沒有經(jīng)過分子定向,抗拉強(qiáng)度與彈性模量低,直接影響著鍵橋抗微裂能力的大小。所以宜加入抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高、對(duì)混凝土減縮作用較好的PP改性纖維取代鍵橋發(fā)揮作用。
3.纖維!水泥集料之間的相互化學(xué)粘合與物理握合程度，影響著混凝土性能。耦聯(lián)劑的選擇十分重要,應(yīng)選用與改性PP纖維、聚合物、水泥集料親合的耦聯(lián)劑,增加物料的表面活性,使范德華力與化學(xué)鍵力充分發(fā)揮作用，達(dá)到提高材料強(qiáng)度和韌性的目的:
4.聚合物的玻璃化溫度影響著混凝土的強(qiáng)度。考慮到在凍融條件下混凝土的韌性
損失,聚合物的玻璃化溫度不宜太高。
按照上述理論，經(jīng)初步的探索性試驗(yàn)表明:在某一經(jīng)濟(jì)區(qū)間內(nèi)合理選用PP改性纖維、納米級(jí)聚合物及耦聯(lián)劑，使混凝土的性能得到改善:破壞性試驗(yàn)表明:用這一方法制成厚度僅為10毫米、邊長(zhǎng)100毫米的超薄FRPCC試驗(yàn)護(hù)方片，置軟基土上,由體重100多公斤的試驗(yàn)人員反復(fù)踩過后未見損壞:受到破壞后的型式與纖維混凝土相同。
五.防滲基布與FRPCC的復(fù)合
土基凍脹變形是對(duì)護(hù)砌材料造成破壞的主要因素，根據(jù)在不影響構(gòu)筑物功能的條件下適應(yīng)凍脹變形的觀點(diǎn),防滲基布與FRPCC 復(fù)合采用了“鎧甲”方式,即將FRPCC預(yù)制成一定規(guī)格和強(qiáng)度的薄片，用特殊材料粘合在防滲復(fù)合基布的無紡布表面上，猶如“鎧甲”一樣。滿足了整體柔性、局部剛性、剛?cè)峤Y(jié)合的要求。
防滲基布與FRPCC的粘合材料與混凝土有較好的粘合力，并與表面無紡布粘合牢固，不發(fā)生水溶、水脹現(xiàn)象，混凝土薄片間做了防光氧老化處理。
為提高表面護(hù)砌片的耐久性，同時(shí)改變水利工程粗放的形象，表面采用彩色的PMC材料,使渠道外觀美麗，成為一條“地上彩虹”。
該復(fù)合材料被命名為“鎧甲式纖維混凝土復(fù)合防滲卷材”已申報(bào)國家專利。
六.應(yīng)用要點(diǎn)
適用于基礎(chǔ)變形較大的渠道防滲工程，能適應(yīng)凍脹、不均勻沉陷等引起的基礎(chǔ)變形。同時(shí)，運(yùn)輸、施工簡(jiǎn)便，減少了喧雜的混凝土攪拌過程，受季節(jié)影響較小。應(yīng)用中主要應(yīng)注意以下問題:
1.固定問題。在果坡的頂、底端設(shè)縱向壓梁固定卷材;渠底較寬時(shí),相應(yīng)增加壓梁數(shù)量。
2.排水問題。底端壓梁下設(shè)排水體，非重要渠道可采用無紡布卷粗砂,要求較高的架道可采用加筋軟式排水管:必要時(shí)，斜坡面下也可加排水體。
3.連接問題。連接可采用搭接方式,在卷材一端預(yù)留300毫米搭接邊:也可以采用焊接，但此時(shí)要采取單向排水措施。
4.分片問題。分片不宜過大，以減少重量,便于施工。
七.結(jié)語
采用上述方法制成的復(fù)合土工膜-納米級(jí)聚合物纖維混凝土復(fù)合防滲材料，實(shí)現(xiàn)了防滲、護(hù)砌材料的一體化和生產(chǎn)的工廠化，質(zhì)量較高，造價(jià)較低。簡(jiǎn)便適用，維修容易,是目前在吉林省已知渠道防滲造價(jià)最低、施工最快的一種。特別在北方寒冷地區(qū)，有望解決長(zhǎng)期困擾的渠道護(hù)砌凍脹破壞問題。具有較大的實(shí)用價(jià)值。
