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用合成纖維及液態(tài)聚合物。事實上，水泥與混凝土增強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，汲取有關(guān)實驗工程的成敗經(jīng)驗，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，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-納米級聚合物纖維混凝土復(fù)合防滲材料。

二.項目研究的背景

1998年，吉林省水利實業(yè)公司組織進(jìn)行了水泥與混凝土增強用合成纖維應(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驗工程。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29元/m2.經(jīng)歷了一個冬春的凍融，沒出現(xiàn)問題。但在夏季灌溉結(jié)束時，局部因土體膨脹使混凝土與膜剝離。經(jīng)觀測了解，系渠水位高過護(hù)砌高程，撤水時的飽和土壓力過大所致。也有混凝土分縫過大、標(biāo)號不夠等施工質(zhì)量問題及FRCC與復(fù)合防滲膜粘合不好、復(fù)合防滲膜抗拉強度較低等因素。

1999年，吉林省水利實業(yè)公司在吉林省九臺市又進(jìn)行了500米渠道FRCC防滲工程,防滲造價30元/m2。迄今效果良好。由于工期短，造價低，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)行了類似實驗;另外，黑龍江省有關(guān)單位1999春到吉林省調(diào)研后，也進(jìn)行了實驗，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“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、實用方式進(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、實用性、整體性、耐久性、簡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。同時提出了一個新的設(shè)計理念，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)已建各實驗工程的成敗經(jīng)驗，認(rèn)為解決問題的關(guān)鍵,在于增加防滲基布抗拉強度和剝離強度、提高超薄混凝土的強度和韌性、減小混凝土片面積并增加與基布粘合強度，實現(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-納米級聚合物增強混凝土(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、較大的抗拉強度、一定的斷裂伸長率的特點,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丙綸長絲機(jī)織布,5厘米抗拉強度大于2000N，斷裂伸長為20%。布表面必須進(jìn)行處理。

基布防滲層同時也是粘合層，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)生較大的剝離強度，同時要有耐候性。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-納米級聚合物增強混凝土復(fù)合層的研究

處于表面的混凝土復(fù)合層由于較薄，應(yīng)同時具有較大的抗壓強度和較好的韌性。采用了納米級聚合物纖維增強混凝土(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，抗壓強度降低。對聚灰比較小時混凝土水化作用的增強尚無另人滿意的解釋。加之PMC中普通聚合物用量大,造價品貴,故應(yīng)用甚少。

納米級聚合物的應(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,對納米級FRPCC進(jìn)行了探索性試驗，得出如下結(jié)論:

1.聚合物的比表面積對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，強度得到提高。

2.聚合物鍵橋沒有經(jīng)過分子定向,抗拉強度與彈性模量低,直接影響著鍵橋抗微裂能力的大小。所以宜加入抗拉強度和彈性模量較高、對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、納米級聚合物及耦聯(lián)劑，使混凝土的性能得到改善:破壞性試驗表明:用這一方法制成厚度僅為10毫米、邊長100毫米的超薄FRPCC試驗護(hù)方片，置軟基土上,由體重100多公斤的試驗人員反復(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,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”已申報國家專利。

六.應(yīng)用要點

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，運輸、施工簡便，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,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，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-納米級聚合物纖維混凝土復(fù)合防滲材料，實現(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，造價較低。簡便適用，維修容易,是目前在吉林省已知渠道防滲造價最低、施工最快的一種。特別在北方寒冷地區(qū)，有望解決長期困擾的渠道護(hù)砌凍脹破壞問題。具有較大的實用價值。