塑料科技与产业 行业综述
1.国内外土工膜发展简史
1.1 国外土工膜发展简史
土工膜(Geomembranes)是土工合成材料中的一大类产品，在不同的场合和时间也被称为“防渗膜”、“防水卷材”。 国际上土工膜的应用可追溯到20世纪30年代，首先用于游泳池和灌溉渠道防渗，然后发展到土石坝、水闸及其他土建工程。至于将合成材料真正应用于土建工程，则是从20世纪50年代末期开始的。
如今，用土工膜系统作为长期措施替代传统的衬砌法对大坝等水工建筑物进行防渗处理已被工程界广泛接受。许多国家还将土工合成材料在某些特殊工程上的应用列为施工标准和重要考察指标。
1.2 国外土工膜行业现状
20世纪80年代以后，土工合成材料的应用又有了新的飞跃，产品型式不断革新，各种复合型、组合型土工合成材料不断涌现。到1984年，全世界使用土工合成材料的工程超过10万项，铺设土工织物面积超过3亿平方米。1996年，仅北美地区的工程项目就消耗了价值8亿美元的土工材料，主要是土工膜和土工织物。
根据资料，至少下列国家在堤坝工程中使用了土工膜：美国、德国、法国、意大利、日本、加拿大等二十多个国家。众多的国家和技术组织都将土工合成材料写入了规范，说明它已得到工程界一致的认同。例如，美国联邦公路局(认可土工织物)和美国州际公路交通协会(认可土工合成物加筋技术)都允许在许多公路桥梁建设项目中使用土工材料。美国建设顾问委员会在1996年规范中加入了土工织物、土工隔栅和土工防腐材料。美国环保署(EPA)于1982年率先制定了土工膜的使用条例。这些认可紧跟美国工程师协会的标准和指南，最新的土工材料施工指南为1992年版。
1.3 国内土工膜行业发展情况
土工合成材料在我国的应用始于20世纪60年代中期，随着人们对它所具有的功能和特性及其在工程实践中的卓越成效的了解加深，逐渐将其扩大到高速公路、铁路、飞机场、电厂、井灌、民用建筑等几乎所有土建工程行业。
及至20世纪90年代末期，土工合成材料开始在一些国家大型重点工程中得以应用，如三峡工程、秦山核电工程、长江口整治工程、治黄工程、治淮工程、京杭大运河、大型引黄平原水库工程和江河防汛抢险等。
目前各类土工合成材料的生产企业达200余家，生产线300多条，年生产能力已达30多万吨。国内复合土工膜的生产厂家超过100家，主要生产聚乙烯土工膜，其中大部分只能生产布或者膜，必须外购膜或布复合后成为复合土工膜出厂。其中有一定规模的、常年生产土工膜的厂家有十余家。
2、国内土工膜施工案例介绍
当前，聚乙烯土工膜在我国已广泛应用于以下领域：池塘里衬、水储备、废水隔离、防渗、垃圾填埋场里衬、湖堤保护、隧道、隔离地下水、建筑物或建筑工程隔离、水产养殖……。在此主要介绍一些与人类生活关系紧密的工程案例。
2.1 在水利工程中的应用
20世纪60年代中期，首先是将塑料薄膜用于灌溉渠道防渗，较早的工程有山东打渔张灌区河南人民胜利渠、陕西人民引渭工程等(当时主要是PVC，后来PE材料占领了大部分市场)，以后推广到蓄水池、水库和闸坝工程。1965年，桓仁水电站首次采用土工膜处理混凝土坝裂缝，防止裂缝漏水成功。此后，宁夏、陕西、北京、河北、山东、辽宁、黑龙江等地也都在中小型(后来推广到大型)水库及土石坝(包括补强除险工程)中使用土工膜或复合土工膜防渗，取得了良好效果。
根据资料，至少下列省市在堤坝工程中使用了土工膜：北京、新疆、陕西、江西、四川、福建、云南、辽宁等二十多个省市。
2.2 人工湖防渗工程中的应用
人工湖在中国园林、度假村等休闲娱乐场所发挥着不可或缺的作用。然而随着地下水水位的持续降低，许多景区内的人工湖湖水干涸，不仅失去了传统意义上“山水相依”的美景，更会沦为春秋季多风天气沙尘暴的源头，恶化空气质量，破坏城市整体投资环境，危及市民正常生活。因此对这些湖进行综合治理就成为一个日益重要的课题。
通过对膜料防渗、混凝土防渗、浆砌石防渗、沥青防渗等多种防渗方案的对比，聚乙烯土工膜以其集造价低、防渗性能好、耐低温、耐腐蚀性好、对环境无污染等诸多优点于一身而被广泛选用。
2002年“卢沟晓月湖”是北京市在人工湖防渗处理中首次采用聚乙烯土工膜的水利工程，共采用了约40万平方米的低密度聚乙烯(LDPE)土工膜，其它还有位于海淀区的中央党校人工湖(0.5mm厚，4万m2)；昌平的老北京微缩景观(0.6mm，0.2万m2)；平谷县的教师疗养院(0.5mm，1.1万m2)；海口市西海岸的海南热带植物园人工湖(聚酯长丝复合土工膜，总面积1.42hm2)；白洋淀华润集团培训中心人工湖(高密度聚乙烯土工膜，8万m2)；太原市森林公园人工湖防渗(聚乙烯防渗膜料，21hm2)等。
2.3 在其他工程中的应用
由于自然条件的原因，很多农村地区的人畜饮水是个难题。地处鄂西南石灰岩山区的长阳县自1970年代以来，就开始尝试种种防渗节水的方法，希望能缓解农村饮用水难题。经对比多种工程方案，湖北省宜昌市水电局的工程人员确定聚乙烯防渗膜蓄水池具有投资少、防渗效果好、使用年限长、施工技术简单等诸多优点，因而于1991后开始大面积推广，先后修建塑膜水池2520个，总容积90.72万m3。共计节省投资423.13万元，节省挑水投入98.28万元，静态投资回收年限仅为2.27年，取得了明显的社会、经济和生态效益。
嫩江下游的察尔森水库砂砾石较深厚，察尔森水库管理局自1990年初开始对280亩养鱼池铺设防渗土工膜，1992年底竣工，共耗用28万m2。连续运行11年后仍旧安全可靠，没有发现冻胀、破裂现象，工程运行状态良好。另外土工膜隔开了地下水，提高了鱼池的水温，提高了鱼的亩产量，取得了良好的经济效益。
3、国外土工膜技术发展趋势
当前，土工膜技术在国际上有如下发展趋势：
3.1 混凝土坝防渗
现行的方法是先在混凝土坝上游面设置土工网，然后将土工膜粘贴在土工网上。土工膜用于该目的已有15年。这方面的最新进展是粘贴区域的处理。例如，在不放空水库或部分放空水库的情况下，由潜水员完成粘贴。在土工膜下面设置排气系统，以及防水库上游面的冰将土工膜刺坏。
3.2 土坝防渗
土工膜以及土工合成材料和粘性土形成的衬垫(GCL)，已被用在土坝或土坝的上游面作为防渗体，并可将土工膜用于已建成的土坝的防渗处理上。利用膨润土泥浆护壁，在土坝内挖槽(如有必要，该槽应深入坝基)。土工膜置于槽的上游面。应谨慎地选择用于置换膨润土泥浆的回填土，使回填土本身也能形成防渗层。
3.3 隧道防渗
现行的方法是将土工膜用于永久性混凝土里侧的防渗体，与针刺的、较厚的土工织物一起，将水导人设在隧道底脚的排水口，形成封闭的排水系统。将来的发展是开发寿命在100年以上的土工合成材料，以抵抗隧道周围的不利环境。因而，施工方法的改进和材料的寿命是最关心的问题。
3.4 渠道衬砌
美国垦务局从20世纪50年代开始试验用土工膜进行渠道防渗衬砌。他们取得了较大的进展，几乎在所有的渠道上都采用土工膜衬砌。将来的发展是能在无覆盖的条件下使用较强的土工膜。美国垦务局在20个不同的试验段对较厚的、有组合结构的土工膜进行了试验。然而，该试验需历时10年以上，对这种方法的优点、造价估计将是最为关注的。
3.5? 垃圾场的衬砌系统
美国环保局于1982年规定的采用土工膜作为弃置场的覆盖和衬砌系统得到了普遍的响应。目前，在美国，100％的有害的和24％的城市垃圾弃置场要求双层衬砌系统；在世界上，58％的有害的和14％的城市垃圾弃置场要求双层衬砌系统。尽管这种衬砌系统提供了长期的封闭，但不是永久性的。将来是在渗漏液循环的同时，进行开采式的处理。渗漏液可以通过土工合成材料排水系统(比如预制竖直排水)，或在双层之间集中。这种概念目的是创建永久性的弃置场。通过渗漏液循环和降解(需氧或厌氧)，原来的弃置物就可以在一定的时间内被开采，如制作肥料、田地覆盖物等有益用料。这种方法可使衬砌系统被监测、修理，甚至更换。这一概念在土地奇缺的地区正在得到研究。
4、土工膜品种、性能、质量控制及施工注意事项
4.1 土工膜主要品种及性能
(1)土工膜按材料可分为聚乙烯(PE)土工膜、聚氯乙烯(PVC)土工膜、聚丙烯(PP)土工膜等。聚乙烯(PE)土工膜又可分为低密度聚乙烯(LDPE)土工膜、高密度聚乙烯(HDPE)土工膜、氯磺化聚乙烯(CSPE)土工膜、极柔聚乙烯(VFPE)土工膜等。目前使用最广泛的是PE材质的土工膜。
由HDPE材质所制成的土工膜具有良好的抗拉强度，耐冲击、抗撕裂，抗刺穿性优越，但其缺点是质地较硬、施工较为困难，焊接困难。因此只建议使用在大面积的垃圾掩埋场、化学工厂的里衬、石油站…等需优异的抗化学性的场合。
LDPE／LLDPE材质的土工膜仍具有很好的机械强度，比HDPE更具有弹性、柔软性和焊接性，施工较容易。但此配方的缺点是抗化学性较HDPE差。
EVA是所有PE系列中具有最佳弹性的一种，常被用来取代PVC，其缺点是软化温度较低，因此，不适合用于高温地区及直接曝露在阳光下的用途。
FPP是一种新品，其物性综合了以上各种不同材料之优点，有很好的机械强度、最好的ESCR物性，优越的弹性、很好的柔软性、最低的热胀冷缩系数，耐高低温(可耐低温至-30℃)，唯一之缺点是成本较高。
(2)土工膜按结构可分为单层土工膜、复合土工膜、纤维增强土工膜等。其中复合土工膜又可分为塑料复合土工膜、土工布复合土工膜等。土工布复合土工膜又可分为一布一膜(二层)、二布一膜(三层)和多布多膜等各种规格(基布采用针刺土工布，也可采长丝机织布、塑料编织布等)，其中土工布按加工方式可分为非织造布、机织布、针织布等，常见的为非织造复合土工膜。非织造复合土工膜广泛应用于水利堤坝、筑路、机场、排水、房屋、环保等许多领域，在工程中主要起防渗及排水作用。
(3)不透水是土工膜的最主要特性，其他特性还有良好的化学稳定性、易施工性(柔软、可现场焊接)等。对PE土工膜而言，常温下几乎耐所有常见的酸、碱、盐和有机物且无反应。全球大多数塑料食品包装是聚乙烯的，很多医用塑料产品也是聚乙烯的。影响聚乙烯老化的因素主要为紫外线和氧，有土层覆盖的土工膜老化速度大大降低。作为聚乙烯来说，另一种土工合成材料聚乙烯土工格栅的设计寿命可达110年，聚乙烯燃气管和饮用水管的设计寿命为50年。
4.2 制造过程及质量控制
土工膜的制造及应用可以分为三个过程，因此其质量控制也是跨行业的，与原材料、生产制造和设计施工三者紧密相连。
(1)合成树脂过程，它在石油化工企业中完成，产品形态为粉状或颗粒状：有的还要加工成纤维状。但它们的性能都是原材料性能，其标准与分类分级一般属石油化工与化工行业，如GB 11115-1989《低密度聚乙烯树脂》、GB 11116-1989《高密度聚乙烯树脂》。
(2)产品加工过程，要根据使用场合选取不同的原料和配方改性。中国的产品标准(未计防水卷材标准)有国家标准GB／T17641-1998《土工合成材料聚乙烯土工膜》(计划修订中)、GB／T17642-1998《土工合成材料非织造复合土工膜》，交通行业标准JT／T 518-2004《公路工程土工合成材料土工膜》，国外的有美国土工合成材料研究所(Geosynthetic Research Institute)规范GRI-GMl3《光面和毛面高密度聚乙烯(HDPE)土工膜的测试指标、测试频率和推荐的质量保单》、GRI-GMl7《光面和毛面线性低密度聚乙烯(LLDPE)土工膜的测试指标、测试频率和推荐的质量保单》等。
(3)材料应用过程，它涉及的 行业或专业更多，有水利水电、交通、铁道、建筑、渔业、园林、农业、水务等。因气候、工程地质、水文地层及工程规模、部位等的不同，所要求应用的产品性能也不同。如国家标准GB 50290-1998《土工合成材料应用技术规范》，水利部发布的《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL／T225-98)、铁道部发布的《铁路路基土工合成材料应用技术规范》(TBl0118-99)、交通部发布的《公路土工合成材料应用技术规范》(JTJ／T019-98)和《水运工程土工织物应用技术规程》(JTJ／T239-98)等规范及规程。
因此，土工合成材料的性能涉及到：原材料性能、产品一般性能、产品工程性能三种。但这三种性能中相近名称指标的函义并不完全一致，加上各行业制订标准时考虑的行业特点不同，因此有可能产生不协调，甚至相互矛盾。例如，产品加工者强调的是产品标准；而工程设计及使用者，则往往强调工程应用标准，即应用技术规范。因此需要大力发展土工合成材料有关各方的合作和协调工作，统一试验方法标准和测试规程，不断总结各方面的经验，监理重大工程的实施，使土工合成材料各方面协调，最终服务于工程应用。
4.3 施工注意事项
(1)场地的准备。一项成功的工程，场地的选定、良好的规划及充分的准备是很重要的。地基的土必须要压实，不能有凸出的石头或尖锐的物体，并应保持泥土的充分干燥。膜的厚度必须要根据场地坡度及相关的数据来决定，保护层可选用无纺布或其它的保护材料。
(2)膜的搬运与安置。土工膜 在运抵现场(工地)后，卸货、搬运、 进入库房时必须要非常小心，以免 受到损伤。膜从仓库搬运到现场进行安装时，先将一端固定在边坡的上方，再顺着坡道由上而下展开膜卷。重迭的部份应有15～20cm。
(3)焊接。焊接过程中如果有任何错误、失误将造成整个工程的失败。因此应该选择有经验、合格的施工队，配合适当的施工工具。
5、结语
目前，我国土工合成材料还处于发展时期。我国2003年塑料制品累计产量为1650.53万吨，其中塑料薄膜累计生产326.97万吨。而土工膜2003年应用估计不超过5万吨(按厚0.5mm，密度0.95g／cm3计，约1亿平方米)，只占塑料薄膜的1.5％左右，占塑料制品的0.3％左右。
由于聚烯烃土工膜具有较高的潜在经济优势和性能价格比，因此，应作为我国土工合成材料优先支持发展的品种。同时，在发展高性能土工合成材料时，有关部门还需加强产品、测试、仪器、施工技术等研究，尽快制订具有科学性和先进性，能满足工程实际要求的统一规范和国家标准，培养专业化的施工队伍。