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，即水泥与混凝土增强用合成纤维及液态聚合物。事实上，水泥与混凝土增强用合成纤维在很早以前就被作为一种土工合成材料出现在有关文献中。八十年代初出版的《结构工程与土木工程中使用的合成纤维(美)就已经将水泥与混凝土增强用合成纤维与其他土工合成材料相提并论;用于岩土工程的各种液态合成材料，也符合土工合成材料的定义。所以，土工合成材料的范围,不一定局限在合成材料制成的丝、布、膜、板上。在这个意义上,土工复合材料不仅是不同合成材料之间的复合，而且还能通过合成纤维、液态聚合物等实现合成材料与水泥混凝土、金属等无机材料的复合。
按照上述观点，汲取有关实验工程的成败经验，利用近两年研究的改性PP纤维混凝土及改性 PP纤维-纳米级聚合物混凝土复合材料，**防渗特点，研究出了一种适用于渠道等防渗工程的新型多元复合材料，即复合土工膜-纳米级聚合物纤维混凝土复合防渗材料。
二.项目研究的背景
1998年，吉林省水利实业公司组织进行了水泥与混凝土增强用合成纤维应用研究工作:当年省水利厅为增加农田水利建设的科技含量，提高渠道防渗的抗冻融破坏能力和耐久性，指令省水利实业公司在吉林省的梅河口市曙光乡海龙水库灌区用该技术首次进行了水田灌溅渠道防渗实验工程。工程采用300克/m2的针刺短纤两布一膜复合防渗膜，改性PP短纤维，体积率Vf1%斜坡表面衬砌30毫米厚一级配纤维混凝土(FRCC),底面厚50毫米,凭借复合防渗膜表面的短纤维与混凝土经物理粘合复为一体,形成了防渗膜-混凝土复合的雏形;从渠道整形到完成共11天;防渗平均造价29元/m2.经历了一个冬春的**，没出现问题。但在夏季灌溉结束时，局部因土体膨胀使混凝土与膜剥离。经观测了解，系渠水位高过护砌高程，撤水时的饱和土压力过大所致。也有混凝土分缝过大、标号不够等施工质量问题及FRCC与复合防渗膜粘合不好、复合防渗膜抗拉强度较低等因素。
1999年，吉林省水利实业公司在吉林省九台市又进行了500米渠道FRCC防渗工程,防渗造价30元/m2。迄今效果良好。由于工期短，造价低，施工易，受到了当地欢迎。
2000 年春，吉林省水利科学研究所参照上述方式，在吉林省的前郭灌区进行了类似实验;另外，黑龙江省有关单位1999春到吉林省调研后，也进行了实验，目前尚无不良反映。辽宁省有关单位也购了纤维样品。
上述工程在吉林省乃至**地区引起了一场“PP纤维混凝土热”，促成了FRCC技术在水利工程特别是渠道防渗工程上的普及和推广，开辟了以廉价、实用方式进行渠道防渗护砌的新路。作为“始作俑者”，吉林省水利实业公司吉水土工合成材料研究所认为该技术在适应性、实用性、整体性、耐久性、简易性等方面仍有许多缺欠，还须做较大改进，使之趋于成熟。同时提出了一个新的设计理念，即认为冻融等因素造成的基础变形不宜一味抗拒，而应在不影响构筑物功能的前提下，让护砌材料适应基础变形。这就要求防渗材料要有整体柔性、局部刚性、刚柔结合的特性。经总结已建各实验工程的成败经验，认为解决问题的关键,在于增加防渗基布抗拉强度和剥离强度、提高超薄混凝土的强度和韧性、减小混凝土片面积并增加与基布粘合强度，实现防渗材料-护砌材料一体化。因此,汲取当代先进的纳米技术,利用新研究的改性PP纤维-纳米级聚合物增强混凝土(FRPCC),采用耦联方法将复合防渗膜与混凝土护砌复合为一体，研制出复合土工膜-纳米级聚合物纤维混凝土复合防渗材料。
三.复合防渗基布的研制
基布分为应力层、防渗层和耦联层。
基布应力层充分利用了高分子合成材料的低弹模、较大的抗拉强度、一定的断裂伸长率的特点,将原来由表面混凝土护砌材料承当的压应力转为基布的拉应力。表面的混凝土护在分缝较小的情况下可因此而减薄。
在一般外力(1000-2000N/100cm2)作用条件下，可选用单位面积质量200克/m2丙纶长丝机织布,5厘米抗拉强度大于2000N，断裂伸长为20%。布表面必须进行处理。
基布防渗层同时也是粘合层，融化的防渗膜要起到热溶胶的作用，所以用淋膜方式制膜，为保证粘合效果，膜单位面积质量不宜低于100克/m2，与应力层、耦联层之间产生较大的剥离强度，同时要有耐候性。因此，选用了高压低密度聚乙烯。为增加PE膜与丙纶长丝机织布的附着性与柔软性,需添加改性材料。耦联层增加了表面附着能力，并将防渗基布与聚合物纤维混凝土两种不同特性材料耦合为一体，按混凝土中所加入耦联剂的要求，采用100克/m2的涤丙纶混合无纺布，纤度不宜过小，
四.PP 改性纤维-纳米级聚合物增强混凝土复合层的研究
处于表面的混凝土复合层由于较薄，应同时具有较大的抗压强度和较好的韧性。采用了纳米级聚合物纤维增强混凝土(FRPCC)材料。
关于聚合物改性水泥混凝土(PMC)，目前较流行的是孔隙填充和“键桥”理论，即聚合物充填了混凝土孔隙，并形成网絮状键桥横亘于混凝土内部既有的微隙上，接受并传递应力,使混凝土的韧性得到改善，与纤维混凝土理论中的纤维等间距理论相似。但水化作用受到影响，抗压强度降低。对聚灰比较小时混凝土水化作用的增强尚无另人满意的解释。加之PMC中普通聚合物用量大,造价品贵,故应用甚少。
纳米级聚合物的应用,为解决这一问题开辟了一条新的道路。这里的“纳米级聚合物”是聚合物的微粒平均粒径不大于50纳米，相比之下,普通聚合物的粒径一般为100-300纳米:水泥粒径一般为30000-80000纳米。因此可用较少的用量获得较大的比表面积,大幅度降低了PMC成本。
经查阅有关资料,对纳米级FRPCC进行了探索性试验，得出如下结论:
1.聚合物的比表面积对混凝土性能影响较大。加入较少数量但比表面积较大的纳米级聚合物,可充填混凝土中50-10000mm≤细孔:在耦联剂作用下,产生多相结合,增加了凝胶力,使微观结构更加车固，混凝土的整体性能得到改善，强度得到提高。
2.聚合物键桥没有经过分子定向,抗拉强度与弹性模量低,直接影响着键桥抗微裂能力的大小。所以宜加入抗拉强度和弹性模量较高、对混凝土减缩作用较好的PP改性纤维取代键桥发挥作用。
3.纤维!水泥集料之间的相互化学粘合与物理握合程度，影响着混凝土性能。耦联剂的选择十分重要,应选用与改性PP纤维、聚合物、水泥集料亲合的耦联剂,增加物料的表面活性,使范德华力与化学键力充分发挥作用，达到提高材料强度和韧性的目的:
4.聚合物的玻璃化温度影响着混凝土的强度。考虑到在**条件下混凝土的韧性
损失,聚合物的玻璃化温度不宜太高。
按照上述理论，经初步的探索性试验表明:在某一经济区间内合理选用PP改性纤维、纳米级聚合物及耦联剂，使混凝土的性能得到改善:破坏性试验表明:用这一方法制成厚度仅为10毫米、边长100毫米的超薄FRPCC试验护方片，置软基土上,由体重100多公斤的试验人员反复踩过后未见损坏:受到破坏后的型式与纤维混凝土相同。
五.防渗基布与FRPCC的复合
土基冻胀变形是对护砌材料造成破坏的主要因素，根据在不影响构筑物功能的条件下适应冻胀变形的观点,防渗基布与FRPCC 复合采用了“铠甲”方式,即将FRPCC预制成一定规格和强度的薄片，用特殊材料粘合在防渗复合基布的无纺布表面上，犹如“铠甲”一样。满足了整体柔性、局部刚性、刚柔结合的要求。
防渗基布与FRPCC的粘合材料与混凝土有较好的粘合力，并与表面无纺布粘合牢固，不发生水溶、水胀现象，混凝土薄片间做了防光氧老化处理。
为提高表面护砌片的耐久性，同时改变水利工程粗放的形象，表面采用彩色的PMC材料,使渠道外观美丽，成为一条“地上彩虹”。
该复合材料被命名为“铠甲式纤维混凝土复合防渗卷材”已申报国家专利。
六.应用要点
适用于基础变形较大的渠道防渗工程，能适应冻胀、不均匀沉陷等引起的基础变形。同时，运输、施工简便，减少了喧杂的混凝土搅拌过程，受季节影响较小。应用中主要应注意以下问题:
1.固定问题。在果坡的顶、底端设纵向压梁固定卷材;渠底较宽时,相应增加压梁数量。
2.排水问题。底端压梁下设排水体，非重要渠道可采用无纺布卷粗砂,要求较高的架道可采用加筋软式排水管:必要时，斜坡面下也可加排水体。
3.连接问题。连接可采用搭接方式,在卷材一端预留300毫米搭接边:也可以采用焊接，但此时要采取单向排水措施。
4.分片问题。分片不宜过大，以减少重量,便于施工。
七.结语
采用上述方法制成的复合土工膜-纳米级聚合物纤维混凝土复合防渗材料，实现了防渗、护砌材料的一体化和生产的工厂化，质量较高，造价较低。简便适用，维修容易,是目前在吉林省已知渠道防渗造价、施工最快的一种。特别在北方寒冷地区，有望解决长期困扰的渠道护砌冻胀破坏问题。具有较大的实用价值。