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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
关键词:土工膜光固化填埋场

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。

3 结语

本文围绕土工膜,叙述了现有土工膜及土工膜未来的发展趋势。建议科研工作者和工程师们结合目前化学、材料的最新研究成果,研制出渗透性能更好、抗拉性能更强的新型材料土工膜。

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