来源：《2020/2021中国产业用纺织品技术发展报告》

作者：者东梅 朱天戈 刘玉春 杨化浩

（中国石油化工股份有限公司北京化工研究院）

土工合成材料（Geosynthetics）是指在交通、水利、环保等工程中与土壤和（或）其他材料相接触使用的一种产品的总称，其至少含有一种高分子材料，可以是片状的，条带的或三维结构的。换一句话说，土工合成材料就是一类以合成树脂、合成纤维、合成橡胶等高分子材料为基础原料并添加必要助剂，通过挤出、吹塑、针刺、纺黏等不同的加工方法，制成的具有各种结构和相应功能的新型材料。常见的土工合成材料包括土工膜、土工布、土工格室、土工格栅、土工网格、GCL等。土工合成材料目前已广泛应用于水利、公路、铁路、电力、矿山、石油化工、医院、水上竞技等环境保护以及城市建设工程，起到排水、反滤、防渗、防护、加筋和隔离等作用。在各类工程中使用的土工合成材料应与工程同寿命，但目前国内对这些材料的耐久性能的重视不够，实际应用中出现了材料未达到预期效果，而提前破坏问题，这阻碍了土工合成材料进一步的推广应用，也给工程质量带来了极大的风险。本文详细分析了影响土工合成材料耐久性的各种因素，并重点论述了耐久性能评价方法及相应的标准。

1 土工合成材料耐久性影响因素

绝大多数的土工合成材料在户外应用，会受到来自环境的各种因素的影响，这些外界因素可能导致土工合成材料中高分子链发生各种物理及化学变化，从而导致产品的性能下降、服役寿命受损。来自环境的影响因素众多，主要包括几个方面：自然气候因素、化学物质、承受的各种应力以及生物的侵蚀，如图1所示。此外，土工合成材料还会受到来自运输、铺设施工等环节带来的损伤，但只要这些环节依据相关标准和产品说明进行严格把控，其影响可以降至最低，本文不再赘述。

图1 土工合成材料耐久性影响因素示意图

1.1 自然气候

来自自然气候方面的因素主要包括太阳光、温度、氧气和臭氧、降雨及湿度，这些因素可以导致高分子发生解聚、断链、取代基或支链脱除，从而导致材料降解或交联，宏观性能上则表现为：表面发生颜色变化或粉化；物理力学性能劣化；排水、反滤、防渗、防护、加筋和隔离等功能丧失。

太阳光中含有大量的紫外光、可见光和红外光，其中紫外光的能量最高，可见光其次。

紫外光的波长范围通常为120-400nm，在通过大气层时，部分波长的紫外线被臭氧层吸收，到达地面的紫外光波长范围主要集中在290-400nm。虽然紫外光中较高能量部分被臭氧层吸收，但到达地面的紫外光仅占自然光的5%左右，但其仍具有较高的能量。

例如，300nm波长的光子能量约为95*4.187kJ/mol(95kcal/mol)，350nm波长的光子能量约为81.4*4.187kJ/mol(81.4kcal/mol)，而大部分高分子材料自动热氧反应的活化能仅为(10-40)*4.187kJ/mol(10-40kcal/mol)，因此紫外光对高分子材料有巨大的破坏作用，这主要是由于高分子材料中或多或少存在的羰基基团、碳碳双键会吸收这些能量，引起高分子材料降解或交联。与此同时，在氧气的共同作用下，高分子材料还会发生与热氧降解反应类似的光氧降解。原料不同的土工合成材料发生的降解或交联反应类型不同，但最终的结果都是材料宏观性能下降直至材料失效。

温度的影响主要体现在红外光和部分可见光引起的环境及材料表面的温升，高温与氧气的共同作用会引起材料内部发生如图2所示的热氧反应，热氧反应通常会产生自由基，在自由基的作用下反应会被进一步加速，最终导致材料快速降解、破坏。

图2 热氧降解反应示意图

自然界中存在的臭氧通常以（1-5）×10-8左右的浓度在大气中存在，它有着强烈的氧化能力，特别是对不饱和分子链显示出了较高的反应性，天然橡胶、丁二烯橡胶、丁苯橡胶以及丁腈橡胶等二烯类橡胶分子主链上含有碳碳双键，这是引起老化的重要原因。首先臭氧与橡胶分子中的双键发生加成反应，生成不稳定的臭氧化物，继而生成不稳定的异臭氧化物或高过氧化物，反应不断地进行直至双键消耗完毕，从而在橡胶表面生成失去弹性的银白色薄膜层，在外力作用导致橡胶下发生龟裂且失去弹性，对于橡胶类土工膜来说其防渗性能就此丧失了。

降雨和湿度对于聚烯烃类和橡胶类土工合成材料没有明显的影响，但对于聚酯等含有酯基的材料则有一定的负面影响，这主要是由于聚酯分子可能与水分子发生反应而水解，酯基断裂生成低聚物甚至是单体，从而导致材料的失效甚至是“消失”。这种水解反应通常会在高温、酸碱，特别是碱的催化下加速，因此这类材料在盐碱地带或特别高温环境中应用时应予以特别的关注。需要特别指出的是，聚酯类土工合成材料在没有高温、酸或碱等化学物质的条件下，性能还是比较稳定的，其耐候性较聚丙烯类材料更佳，设计人员在工程设计时，应根据工程实际情况和材料特性选择材料品种。

高分子材料由于结构不同，其耐热、耐氧化、耐光、耐臭氧、耐水等性能各不相同，对于某一特定的土工合成材料，可能会出现材料在某一方面性能优异，而在另一方面则性能较差。在户外应用过程中，光、热、氧、水、臭氧等不利因素通常会同时存在，在这种情况下材料发生的化学反应比较复杂，材料内部会发生多种化学反应，因此需要各种影响因素综合考虑来评价该类材料的耐久性。

1.2 化学物质

通常化学物质的存在会给高分子材料的性能带来不利的影响。化学物质对高分子材料的影响主要可分为两类：（1）化学物质直接与高分子链发生化学反应，导致材料降解、性能下降直至破坏，通常称为化学腐蚀；（2）在应力作用下，化学物质诱发材料的降解、产生微孔洞、银纹、裂纹直至破坏，通常称为环境应力开裂。

不同材质的土工合成材料的耐化学腐蚀能力各不相同，与不同化学物质发生的化学反应及反应机理也各不相同，本文由于篇幅原因不一一赘述。ISO/TR 10358给出了常见材料的耐化学腐蚀等级，该技术报告将材料的耐腐蚀等级分为耐腐蚀S级、耐腐蚀性有限L级和不耐腐蚀NS级。读者可以在该技术报告中详细查询不同温度下，不同材料对不同化学物质的耐腐蚀等级。总体上来说，聚乙烯类材料，特别是中高密度聚乙烯（MDPE、HDPE）是耐化学腐蚀最优的通用型高分子材料，这也是目前全世界范围内都将其作为固体废物、有害物质填埋的防渗材料的重要原因之一。

环境应力开裂是指由低于塑料短时机械强度的各种应力引起的内部或外部的开裂。这种开裂可能需要很长时间才会发生，但开裂通常受塑料所处环境的影响而加速发展，特别是某些化学物质的存在。环境应力开裂实际上是应力和化学物质共同作用的结果，本文在应力的影响章节不再赘述。并非所有的高分子材料都容易发生环境应力开裂，但部分高分子材料确实存在耐环境应力开裂性能较差的问题。如聚乙烯类材料虽然其具有优异的耐化学物质腐蚀性能、且综合性能优于其他高分子材料，但与其他高分子材料相比其较为致命的缺点是耐环境应力开裂性能较差，因此聚乙烯类土工合成材料通常需要对其耐环境应力开裂性能进行评价。

1.3 应力

应力也是引起土工合成材料破坏的重要因素。一般情况下应力的作用主要分为两种：低于材料短期机械强度的应力作用和高于材料短期机械强度的应力作用。此外应力还会影响材料的耐环境应力开裂性能，这个已经在前面论述过了。

高于材料机械强度的应力通常会导致材料的短期破坏，这类似于材料的拉伸试验或撕裂试验，对于原材料选择、加工、施工和使用正确的材料来说，通常不会发生。

低于材料短期机械强度的应力，一般会导致材料发生慢速裂纹增长型破坏，对于土工合成材料中的高分子链来说，通常也称为蠕变破坏。慢速裂纹增长的先决条件是有足够高的驱动力，也就是一个垂直于裂纹方向较高的拉伸应力。慢速裂纹增长的机理由几个阶段构成：最初存在于材料中的划痕、小缺口、表面缺陷或内部应力集中等初始微裂纹会发展成微观孔洞；这些微观孔洞通过其间的系带结构的变形慢慢发展为较大孔洞；这些孔洞间的材料被较高程度地拔出并形成高度取向的微纤结构。这个过程就是所谓银纹的产生。这些微纤结构的固有强度可以阻止银纹进一步发展成为裂纹，并直接决定由材料裂纹增长而导致材料最终破坏的速率，如图3所示。目前国外土工膜、土工布、土工格栅等土工合成材料都需要进行相应的蠕变试验，但国内开展较少，这导致了国内很多生产企业片面追求过高的短期机械强度，从而导致材料的蠕变性能下降甚至是大幅度受损，给工程建设带来了极大的隐患。

图3 慢速裂纹增长示意图

1.4 生物

通常情况下，土工合成材料不会受到微生物的影响，但在使用过程中会受到来自植物和动物的影响。

植物的影响主要是植物根系的影响，植物的根系在生长过程中会产生强大的穿透力，从而刺破土工膜、土工布和GCL等材料，这些刺破或是直接导致材料防渗性能的失效或是诱发材料的开裂直至大面积的破坏。

动物对土工合成材料的影响主要体现在野外啮齿类动物的啃食。一般情况下，聚烯烃、聚酯类材料不易引起动物的啃食，但聚氯乙烯（PVC）土工膜由于含有芳香类的增塑剂，容易引起动物的啃食，从而导致材料破损，当材料耐开裂性能较差时，可能引起大面积的破坏。

2 土工合成材料耐久性的改善

为了改善土工合成材料的耐久性能，各国技术人员进行了大量的研究和探索，解决问题的方法主要包括以下几大类：（1）在高分子材料中添加各种助剂；（2）开发并使用土工合成材料专用料或专用树脂；（3）合理选择原料树脂；（4）正确调整加工工艺。

在土工合成材料中添加适宜的助剂，可以改善材料的耐候性能。添加光稳定剂可以提高土工合成材料的光稳定性，对于黑色或灰色产品来说，碳黑（或碳黑色母粒）是性价比最优的长效光稳定剂；但对于白色、绿色或其他浅色材料来说，需要添加其他类的光稳定剂，但要达到碳黑的稳定效果，则成本要高很多。添加抗氧剂可以有效提高土工合成材料的热氧老化性能，可选择商品化的复配抗氧剂，也可自行进行配方研究。

选择适宜的合成树脂，特别是选择土工合成材料专用料或专用树脂可以提高产品的耐久性能。如采用HDPE土工膜专用树脂可以提高土工膜的耐环境应力开裂性能，采用土工格栅专用树脂可以提高格栅产品的蠕变寿命，采用与生产设备相匹配的聚丙烯树脂进行长丝土工布的生产可以提高纤维的强度从而使产品的使用寿命得以延长。

根据使用环境正确选择土工合成材料的品种，可以达到土工合成材料和工程同寿命的设计目的。对于光老化和热老化要求较高的场合，与聚丙烯类材料相比，聚酯类土工合成材料不易粉化降解；但对于盐碱地等使用场合应尽量避免聚酯类土工合成材料的使用。

正确调整加工工艺，杜绝片面追求短期强度高值的做法对于各向异性的土工合成材料的生产至关重要。适当调整加工工艺使材料各向异性的差异保持在合理范围，是保证材料正常使用的关键；过度加强某一方向的强度，势必导致另一方向性能的薄弱，同时过度加强还会导致该方向蠕变性能也会大幅度下降，带来安全隐患。

3 结论

（1）土工合成材料耐久性的影响因素众多，主要包括自然气候因素、化学物质、使用中受到的各种应力以及各种生物，各种影响因素在土工合成材料使用过程中共同作用，使用者应综合考虑各种影响因素的作用。

（2）通过添加适宜的助剂、选择正确的原料和调整加工工艺，可以提高土工合成材料的耐久性。

（3）土工合成材料的耐久性是影响工程质量和寿命的重要性能，目前国内研究尚少，生产、设计、施工和应用各方应高度重视材料的耐久性、评价方法及其结果，以保证工程的质量。