一、概述
什么是土工合成材料，概括而言，土工合成材料是應(yīng)用于巖土工程的、以合成材料為原材料制成的各種產(chǎn)品的統(tǒng)稱。因?yàn)樗鼈冎饕糜趲r土
工程，故冠以“土工”兩字，稱為“土工合成材料”，以區(qū)別于天然材料。土工合成材料在早期曾被稱為“土工織物”和“土工膜”。隨著工程需要，這類材料不斷有新的品種出現(xiàn)，例如土工格柵、土工網(wǎng)和土工模袋等，原來(lái)的名稱已不能準(zhǔn)確地涵蓋全部產(chǎn)品，這樣，在其后的一段時(shí)期內(nèi)，把它們稱之為“土工織物、土工膜和相關(guān)產(chǎn)品”。顯然，這樣的名稱不宜作為一種技術(shù)名詞或?qū)W術(shù)名詞。為此，1994年在新加坡召開(kāi)的第五屆國(guó)際土工合成材料學(xué)術(shù)會(huì)議上，正式確定這類材料的名稱為“土工合成材料”。
土工合成材料的原材料是高分子聚合物（polymer）。它們是由煤、石油、天然氣或石灰石中提煉出來(lái)的化學(xué)物質(zhì)制成，再進(jìn)一步加工成纖維或合成材料片材，最后制成各種產(chǎn)品。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯（PE）、聚酯（PER）、聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）等。聚乙烯是在1931年前后，首先由英國(guó)ICI公司研制成功的，1939年成為商品在市場(chǎng)上出售，它是聚合物中分子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，可分為低分子量和高分子量?jī)深?。聚乙烯的比重?.92，耐酸堿，抗化學(xué)劑能力強(qiáng)，吸濕性低，低濕時(shí)仍具柔性，電絕緣性極好。在1950年前后，又開(kāi)發(fā)出了高密度聚乙烯（HDPE）材料，其比重、機(jī)械強(qiáng)度、熔點(diǎn)和硬度等都比低密度的為優(yōu)。聚酰胺約在1935年研制成功，俗名為尼龍，其吸濕性較高，干燥時(shí)有一定絕緣性、機(jī)械性能好。此外，常用的原材料還有聚氯乙烯，它的比重為1.4，具有
極好的化學(xué)穩(wěn)定性，不燃燒，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。
二、土木合成材料的功能
（1）隔離作用
將土工合成材料放在兩種不同的材料之間或同一材料不同粒經(jīng)之間以及土體表面與上部建筑結(jié)構(gòu)之間，使其隔離開(kāi)來(lái)。當(dāng)受外部荷載作用
時(shí)，雖然材料受力相互擠壓，但由于土工合成材料在中間隔開(kāi)，不使其互相混雜或流失，保持材料的整體結(jié)構(gòu)和功能。土工合成材料隔離作用己廣泛應(yīng)用于鐵路、公路路基、土石壩工程、軟土基礎(chǔ)處理以及河道整治工程。
（2）防護(hù)作用
土工合成材料可以起到分散應(yīng)力的作用。也可由一種物體傳遞到另一物體，使應(yīng)力分解，防止土體受外力作用破壞，從而起到對(duì)材料的防護(hù)
作用。土工合成材料的防護(hù)作用分兩種情況：一是表面防護(hù)，即將土工合成材料放置于土體表面，保護(hù)土體不受外力影響、破壞：二是內(nèi)部接觸面保護(hù)，即將土工合成材料置于兩種材料之間，當(dāng)一種材料受集中應(yīng)力作用時(shí)，而不使另一種材料破壞。
（3）濾層作用
濾層作用是土工織物的主要功能，被廣泛地應(yīng)用于水利、鐵路、公路、建筑等各項(xiàng)工程中，特別是水利工程中用作堤、壩基礎(chǔ)或邊坡反濾層已極為普遍。在沙石料緊缺地區(qū)，用土工合成材料做反濾層，更顯示出它的優(yōu)越性。因此通過(guò)把土工織物置于土體表面或相鄰?fù)翆又g，土中水分可以通過(guò)織物排同時(shí)織物可阻止土顆粒流失，以免造成土體失穩(wěn)（管涌），可代替砂、礫石等反濾層。
（4）排水作用
土工合成材料是良好的透水材料，無(wú)論是材料法向或水平向均具有較好的排水能力，能夠?qū)⑼馏w內(nèi)的水集聚到織物內(nèi)部，形成排水通道，排
出土體。土工合成材料現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于土壩、路基、擋土墻建筑以及軟土基排水固結(jié)等方面。它與工程中的其他排水結(jié)構(gòu)充分配合，形成完善的排水體系，排除地下水、地表水和結(jié)構(gòu)中的多余水份。
（5）加筋作用
土工合成材料有較高的抗拉強(qiáng)度，將土工合成材料埋在土體中或路面結(jié)構(gòu)適當(dāng)位置，可以分布土體或路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力、傳遞拉應(yīng)力、限制其側(cè)
向位移，增強(qiáng)它與土體或路結(jié)構(gòu)層材料之間的摩阻力，使土或路面結(jié)構(gòu)層――土工成材料復(fù)合體的強(qiáng)度提高，從而約束土體或路面結(jié)構(gòu)層的形，并抑制或減少土體的不均勻沉降，提高土體或路面結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定性具有加筋功能。
（6）防滲作用
土工膜和復(fù)合型土工合成材料，可以作為各種工程的防滲材料。土工合成材料用于某一項(xiàng)工程會(huì)發(fā)揮主次作用，如公路的碎石基層與地基
之間鋪放織物，一般說(shuō)，“隔離”是主要的，“濾層”和“加筋”是次要的，“排水”是不甚重要的設(shè)計(jì)者合考慮，如選用光滑的土工膜來(lái)隔離，則可能引起路基中孔隙水壓力升高，造成路基失穩(wěn)。弱地基上修路，加筋可能起控制作用。
土工合成材料的耐久性和防護(hù)保養(yǎng)
土工合成材料的原材料是高分子聚合物。這種物質(zhì)是鏈節(jié)結(jié)構(gòu)，它對(duì)氧化（老化）十分敏感，容易發(fā)生降解反應(yīng)和交換反應(yīng)，導(dǎo)致材料破壞。為此，土工合成材料的使用壽命自然引起工程人員的高度關(guān)注。氧化包括熱和溫度引起的熱氧化，以及陽(yáng)光中紫外線產(chǎn)生的光氧化。其中光氧化的破壞作用很強(qiáng)，因?yàn)樽贤饩€具有很大能量，能切斷聚合物的分子鏈，或引發(fā)光氧化反應(yīng)。各種原材料抗紫外線的能力以聚丙烯和聚酰胺最差，聚酯最佳，聚乙烯、聚氯乙烯介乎其間，顏色淺的比深的差。由于老化是從表層逐漸向內(nèi)部發(fā)展，故產(chǎn)品厚的較薄的耐老化。
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，可以大大延緩。延緩老化的措施可以從兩方面著手：一方面是在原材料中加人防老化劑，抑制光、氧、熱等外界因素對(duì)材料的作用，如摻適量的抗氧劑、光穩(wěn)定劑和深色碳黑等。有的單位在聚丙烯中加入防老化劑，經(jīng)4年日光直接爆曬，強(qiáng)度僅損失25%，如果不加防老化劑，直接在日光下照射2～3月，強(qiáng)度即損失殆盡。另一方面是在工程中采取防護(hù)措施，如盡量縮短材料在日光中的暴露時(shí)間，用巖土（要求在30cm厚以上）或深水覆蓋等。老化破壞程度常以材料的某物理力學(xué)量的變化率來(lái)反映，例如材料抗拉強(qiáng)度的損失或延伸率的變化等。
