土工布的性能及應(yīng)用前景
1引言
土工布是應(yīng)用于土木工程中的紡織品。狹義的土工布是土木工程中與土木技術(shù)材料一起使用的可滲透的紡織品。而不可滲透的紡織品則稱為土工膜，土工膜一般由紡織物涂上瀝青或其它涂層得到。廣義上的土工布包括土木工程中可滲透的土工布和不可滲透的土工膜。美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）給土工布下的定義是：“一切和地基、土壤、巖石、泥土或任何其它土建材料一起使用，并作為人造工程、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的組成部分的紡織物，叫做土工布�！�
2土工布的發(fā)展及應(yīng)用
2.1 我國土工布的應(yīng)用情況
土工布是繼鋼材、水泥、木材之后的第四種應(yīng)用于巖土工程中的一種新型建筑材料，在鐵路、公路、水利、電力、冶金、礦山、建筑、軍工、海港、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，具有排水、過濾、隔離、加固、保護(hù)、防滲、防漏等作用。土工合成材料在我國的應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代中期，首先是把塑料薄膜用于灌溉渠道防滲，以后推廣到蓄水池、水庫和閘壩工程。1980年以后，土工布的應(yīng)用日漸增多，尤其是針刺型土工布在水利工程中的應(yīng)用發(fā)展更為迅速。至20世紀(jì)90年代末期，由于土工合成材料所具有的功能和特性及其在工程實(shí)踐中的卓越成效，引起了全國有關(guān)部門的充分重視，土工合成材料開始在一些國家大型重點(diǎn)工程中得以應(yīng)用，如三峽工程、秦山核電工程等，并獲得了較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2.2 土工布的應(yīng)用前景
隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)高峰的到來，土工布正面臨著前所未有的機(jī)遇，包括對大江大河的長期治理改造、農(nóng)田水利建設(shè)、公路建設(shè)、鐵路建設(shè)、機(jī)場和港口建設(shè)，所有這些都為土工布的發(fā)展提供了無限商機(jī)。近年來由于制造工藝的改進(jìn)，生產(chǎn)出大量成本低、強(qiáng)度高的產(chǎn)品，使土工合成材料的應(yīng)用飛速地發(fā)展起來。國內(nèi)外多年實(shí)踐表明，土工合成材料的成本一般只占總投資的1%～2%，但由于在同等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下減少了砂石、水泥等材料的用量，總的工程造價(jià)可以降低20%～40%。土工合成材料的應(yīng)用既提高了工程的質(zhì)量，又延長了工程的使用年限。以現(xiàn)在的發(fā)展速度推測，到2065年世界土工布的用量可能達(dá)到覆蓋地球表面的一半以上。
3 機(jī)織土工布
3.1 機(jī)織土工布的性能
土工布有很多種，按生產(chǎn)方法分可分為針織土工布、非織造土工布和機(jī)織土工布等幾種。而其中的機(jī)織土工布是由兩組長絲或扁條穿梭織成的織物，品種有單層機(jī)織土工布(也稱土工反濾布)、雙層土工布(也稱土工模袋布)及機(jī)織防滲布。我國機(jī)織土工布比非織造土工布發(fā)展要遲10多年，目前的生產(chǎn)技術(shù)還處于初級階段。機(jī)織土工布的原料主要是以聚丙烯扁絲織布為主，尼龍絲高強(qiáng)機(jī)織物為輔，幅寬多在3800mm以上，規(guī)格多為120~150g/m2的織物，工程要求高的一般可選用200~500g/m2的織物。
3.1.1 單層機(jī)織土工布
單層機(jī)織土工布也稱土工反濾布，與一般機(jī)織物的結(jié)構(gòu)相同。土工反濾布多數(shù)采用平紋組織，按照應(yīng)用工程要求設(shè)計(jì)原料、紗支、密度等參數(shù)。產(chǎn)品要保證經(jīng)緯向強(qiáng)力和水的可透性。生產(chǎn)工藝從聚合體切片粒子→長絲(或扁條)經(jīng)紗→粒子儲(chǔ)存→紡絲(或成膜)→整經(jīng)織造→檢驗(yàn)整理，最后為土工布成品。
3.1.2 性能
雙層機(jī)織土工布也稱土工模袋布，土工模袋是雙層織物，4層組織，其中第二、第三層用合股長絲或是粗繩作為厚度控制的加固筋。模袋厚度可厚可薄，成形可大可小，形狀有正方形、矩形或者其它幾何形狀。土工模袋織物柔軟，其中利用高壓泵充灌流動(dòng)性混凝土或水泥砂漿，凝固后形成高強(qiáng)度剛性硬結(jié)板塊，可適應(yīng)任何復(fù)雜的坡形、地形的變化和土質(zhì)條件，用于大面積護(hù)坡或作土面襯及水下護(hù)底，它能夠起到模板的作用。機(jī)織土工模袋的性能主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
（1）強(qiáng)度高，抗凍性強(qiáng)（可耐-40℃低溫），可按工程要求預(yù)制成不同大小、不同厚度的各種幾何形狀。
（2）澆灌時(shí)柔性大，彈性好，可保證成型后的塊體緊貼地面，尤其適應(yīng)于復(fù)雜起伏地形。
（3）可以水下施工，無需圍堰或斷流。（4）施工可機(jī)械化，進(jìn)度快，質(zhì)量有保證。（5）機(jī)織土工模袋還有抗老化、抗腐蝕、抗微生物、耐頂破、耐刺破、耐磨性好和安全系數(shù)可靠等性能，是防洪、搶險(xiǎn)的新型紡織土工材料。
3.1.3 機(jī)織防滲布
機(jī)織防滲布有二布一膜和一布一膜兩種，涂層PVC厚度為0133mm左右，具有抗?jié)B強(qiáng)度高、耐頂破、耐刺破的特性，是水庫、高壩、隧道、建筑等工程的特殊防滲材料。
3.2 機(jī)織土工布的特點(diǎn)
機(jī)織土工布在加固、增強(qiáng)、防沖蝕等高強(qiáng)度用途上具有優(yōu)勢。主要用于公路、鐵路病害地段的治理、土質(zhì)松軟地段的改善和河堤、水壩、海港等處的護(hù)坡加固以及機(jī)場跑道、人工島的構(gòu)筑等，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)。
（1）機(jī)織土工布的拉伸強(qiáng)度和模量較大，斷裂伸長較小，它具有較好的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。（2）機(jī)織土工布中經(jīng)、緯紗相互擠壓，阻止了織物受外力作用時(shí)的變形，所以機(jī)織土工布的結(jié)構(gòu)一般都比較穩(wěn)定。
（3）機(jī)織土工布的孔隙尺寸較大，由經(jīng)緯交織形成的篩網(wǎng)，其最小間隙在0.05mm。由于孔眼大，若作過濾用，則小的砂粒易流失，經(jīng)長期過濾后，網(wǎng)眼易堵塞。
（4）機(jī)織土工布頂破強(qiáng)度低，斷裂功小。
（5）機(jī)織土工布生產(chǎn)工藝復(fù)雜，產(chǎn)量低，成本高。
4 非織造土工布的種類及特點(diǎn)
與織造土工布相比，非織造土工布的強(qiáng)度相對較低，但生產(chǎn)效率較高，且價(jià)格較便宜，性能良好，特別是易加工成寬幅制品，并且通過處理可制成各種土工合成材料，因此發(fā)展迅猛。按成網(wǎng)和固著方法的不同，一般可將其分成紡粘土工布、短纖針刺土工布以及熱熔粘合土工布等三大類。
4.1 紡粘土工布
長絲紡粘技術(shù)是非織造技術(shù)中發(fā)展最為迅速的一種工藝，在土工布領(lǐng)域中也是如此。該工藝的主要流程為：將聚合物的粒子或粉末熔融，然后喂入擠壓機(jī)紡成連續(xù)的長絲束，并且不規(guī)則地鋪放在傳送帶上形成纖網(wǎng)，在長絲還未完全凝固時(shí)用熱壓羅拉加壓，或用粘合劑粘合，或用針刺法加固，形成連續(xù)均勻的土工布。這種方法工藝簡單，產(chǎn)量高，成本低，價(jià)格便宜。由于是將長絲鋪設(shè)成網(wǎng)，因此這類非織造布的強(qiáng)力高、伸長率好，不易被頂破、撕裂。
紡粘土工布具有一系列優(yōu)點(diǎn)，包括：
（1）各項(xiàng)力學(xué)性能十分優(yōu)異。國內(nèi)一些測試表明，其抗張強(qiáng)度是同等克重短纖針刺土工布的1.5～1.9倍。國外的一些資料則表明其相差倍數(shù)更大。此外，撕裂和頂破等強(qiáng)度、蠕變性能亦明顯優(yōu)于短纖針刺土工布。
（2）水力學(xué)性能大體和短纖針刺土工布相當(dāng)，滲透系數(shù)與短纖針刺土工布為同一數(shù)量級。只要使用得當(dāng)，一段時(shí)間后其滲透系數(shù)大體能達(dá)到穩(wěn)定，土粒不再隨水流流失。
（3）紡絲速度高，單機(jī)產(chǎn)量遠(yuǎn)高于短纖針刺設(shè)備。
4.2 短纖針刺土工布
針刺非織造布被應(yīng)用于路基加固始于1960年，目前，該類產(chǎn)品是應(yīng)用最廣泛的非織造土工布之一。纖維經(jīng)過開松混合、梳理（或氣流）成網(wǎng)、鋪網(wǎng)、牽伸及針刺固結(jié)后形成成品，針刺形成的纏結(jié)強(qiáng)度足以滿足鋪放時(shí)的抗張應(yīng)力，不會(huì)造成撕裂和頂破。其特點(diǎn)是厚度大、密度高、結(jié)構(gòu)蓬松，吸水和透水性能好，抗形變能力強(qiáng)，其滲透系數(shù)與沙粒濾料相當(dāng)，但鋪起來更方便，價(jià)格較實(shí)惠，因此用作反濾材料尤為合適。此外，還具有一定的增強(qiáng)和隔離功能，也可以和其它土工合成材料復(fù)合，具防護(hù)等多種功能。由于非織造土工布具有反濾和排水的特點(diǎn)，因此在水力學(xué)性能方面要特別予以重視，包括有效孔徑和滲透系數(shù)。要利用非織造布多孔的性質(zhì)，使孔隙分布有利于截留細(xì)小顆粒泥土又不至于淤堵，這必須結(jié)合工程的具體要求，予以滿足。與紡粘法相比，針刺法工藝流程稍長，生產(chǎn)速度受針刺速度限制，成本稍高。原材料以滌綸短纖為主，其次是丙綸與維綸。
短纖針刺土工布加工技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）適應(yīng)性強(qiáng)，比較機(jī)動(dòng)靈活：同一加工設(shè)備可以加工不同的原料品種，如丙綸、滌綸、錦綸、聚乙烯纖維，改變品種十分方便，改變纖維的規(guī)格也比較容易。
（2）技術(shù)易掌握：生產(chǎn)設(shè)備與傳統(tǒng)紡紗設(shè)備相似，調(diào)整工藝和設(shè)備有一定的基礎(chǔ)，對工程上提出的要求，如強(qiáng)度、縱橫向強(qiáng)力比、各項(xiàng)水力學(xué)性能等都容易通過工藝調(diào)整得到滿足。
目前，我國已有一定的機(jī)械制造基礎(chǔ)，市場上已有國產(chǎn)寬幅設(shè)備供應(yīng)，應(yīng)用效果較好，且價(jià)格低廉。
4.3 熱熔粘合法
由同一種合成纖維或兩種熔點(diǎn)不同的合成纖維，經(jīng)開松、梳理、混合、鋪網(wǎng)，通過一對加熱軋輥，使纖網(wǎng)的表層或網(wǎng)中的低熔點(diǎn)纖維熔融，粘合在一起形成非織造土工布，也可在纖網(wǎng)表面撒熱熔粘合劑，再經(jīng)過熱軋輥來達(dá)到纖維間的結(jié)合。
熱熔粘合法的關(guān)鍵在于熱風(fēng)烘燥，由于熱風(fēng)穿透纖維網(wǎng)，使纖維熔融并相互聯(lián)結(jié)在一起而形成絮片狀材料。熱粘合非織造布可以通過不同的加熱方法來實(shí)現(xiàn)。粘合方式、纖網(wǎng)種類以及梳理工藝和纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)都將影響到最終產(chǎn)品的性能和外觀質(zhì)量。對于低熔點(diǎn)纖維或雙組分纖維的纖網(wǎng)，可采用熱軋粘合，也可采用熱熔粘合；對于普通熱塑性纖維及其與非熱塑性纖維混合的纖網(wǎng)，可采用熱軋粘合。在采用成網(wǎng)工藝的情況下，熱粘合工藝對非織造布的性能有重要影響，它決定著產(chǎn)品的最終質(zhì)量。
5 結(jié)語
綜上所述，土工布的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。但是目前，我國的土工布仍然存在著產(chǎn)品品種單一和供應(yīng)不配套的問題，一些特殊的專用材料缺乏研究和生產(chǎn)。在重點(diǎn)工程中，由于品種短缺或質(zhì)量不過關(guān)，尚需從國外進(jìn)口大量的優(yōu)質(zhì)土工布。
土工紡織品的終端應(yīng)用要求整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部的完美配合。目前，纖維原料生產(chǎn)商與土工紡織品生產(chǎn)商之間平行而獨(dú)立的加工模式，使質(zhì)量和利潤的提高受到很大限制。聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)（從原料、設(shè)備到最終產(chǎn)品）將為這一行業(yè)帶來完整的解決方案。土工合成材料涉及建筑、水利、紡織等多個(gè)領(lǐng)域，各行業(yè)之間應(yīng)保持經(jīng)常性的信息溝通，加大土工合成產(chǎn)品協(xié)作開發(fā)的力度，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)為不同的行業(yè)、不同的工程條件服務(wù)。同時(shí)，非織造土工布生產(chǎn)商應(yīng)進(jìn)一步拓展開發(fā)，通過與上游企業(yè)的合作為下游采購企業(yè)提供相應(yīng)的配套材料，以使產(chǎn)品更好地應(yīng)用于工程中。
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