- 土工布的生產(chǎn)技術(shù)和性能要求
- 2017/4/17 閱讀次數(shù)：[8155]
[內(nèi)容提要] 土工布是用產(chǎn)業(yè)紡織品中重要的一部分，主要用于與泥土、巖石和水相關(guān)連的巖土工程中。文章主要討論了土工布應(yīng)用的原料、土工布的生產(chǎn)技術(shù)以及土工布應(yīng)具備的各種性能。
[關(guān)鍵詞] 土工布 生產(chǎn)技術(shù) 性能/TS 10668土工布是土工合成材料大家族中的一員，大量用于公路、鐵路、水利、大型建筑、電廠灰壩建設(shè)、有色金屬尾礦處理、環(huán)保工程、水土保持等方面。
目前中國(guó)有土工布生產(chǎn)能力的企業(yè)已有上百家，總生產(chǎn)能力超過(guò)10萬(wàn)t。隨著我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展的重視和政府對(duì)推廣應(yīng)用土工合成材料的大力提倡，今后土工合成材料的發(fā)展將會(huì)加快。據(jù)預(yù)測(cè)，2005年我國(guó)土工布的使用量可能達(dá)到5萬(wàn)t，2010年將達(dá)10萬(wàn)t。
1.土工布的原料
土工布所用原料不但要考慮其在使用環(huán)境中所需的物理化學(xué)性能，而且要注意產(chǎn)品成本。在性能方面主要考慮以下幾方面：
1.1 良好的物理機(jī)械性能
土工布的工作環(huán)境惡劣，很多情況下是泡在水中或鋪于濕度很大的土中，所以必須具有良好的抗水解性能和濕態(tài)機(jī)械性能。
1.2 耐紫外線輻射、抗水解、耐高低溫
土工布要暴露于日光下，因此要具有相應(yīng)的耐紫外線性能；土工布要適應(yīng)與瀝青等材料接觸時(shí)的溫度，要求熔點(diǎn)較高。
1.3 耐化學(xué)藥品、耐腐蝕、耐霉變
水和土質(zhì)很不相同，有的呈堿性，有的呈酸性，有的含鹽份多，有的含各種元素，因此必須具有化學(xué)穩(wěn)定性。
1.4 良好的透水性
土工布過(guò)濾和排水都需要透水，因此必須具有良好的透水性。
目前土工布原料大多采用高分子聚合物，其中用得最多的是聚丙烯原料(包括纖維)，大約占土工布總用量的50%以上，美國(guó)已占80%以上。聚酯原料(包括滌綸)占15%-30%，居第2位，日本用得較多。采用聚乙烯和聚酰胺纖維的較少，我國(guó)還有采用維綸的。
聚丙烯原料用得最多，價(jià)格固然是一個(gè)重要因素，但主要是丙綸有優(yōu)良的耐酸耐堿性、耐腐蝕、耐霉變，不受細(xì)菌侵蝕；且有較好的芯吸效應(yīng)，對(duì)水的滲透性能好。其機(jī)械性能亦十分優(yōu)良，尤其是近年來(lái)國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)丙綸長(zhǎng)絲，強(qiáng)度達(dá)到8g/D，制作高強(qiáng)度的丙綸機(jī)織土工布及袋布都很適合。
丙綸的缺點(diǎn)是抗紫外線性能差，特別對(duì)UVB波段的紫外線很敏感，試驗(yàn)表明，春夏季隔玻璃在光照下6個(gè)月，其強(qiáng)度即降為0，而滌綸仍能保持78%，尼龍為73%，因此丙綸在抽絲前必須經(jīng)防老化處理，在使用和運(yùn)輸中必須盡量避免在日光下暴曬。另外，丙綸的熔點(diǎn)較低(在135℃左右)，因此在與瀝青等密封材料及鋪地材料結(jié)合時(shí)受到一定限制。
滌綸機(jī)械物理性能好，熔點(diǎn)比丙綸高，耐紫外線輻射亦比丙綸好得多，因此也是土工布的理想原料。滌綸耐酸性好，亦耐弱堿，但長(zhǎng)期與堿性物質(zhì)如石灰、水泥、混凝土、堿性土壤接觸，強(qiáng)力會(huì)受損失，其抗水解性能亦較差，在使用時(shí)應(yīng)予以注意。
尼龍和維綸耐堿性好，但耐酸性差。聚酰胺長(zhǎng)絲在pH為 4，25℃緩沖溶液中經(jīng)11個(gè)月，強(qiáng)度只剩至1%，聚酰胺土工布不宜用于pH< 5的土壤中，否則不耐久。維綸耐海水侵蝕，適用于海岸工程。
2. 土工布的生產(chǎn)工藝
2.1 不同制造方法的土工布的消耗量
圖1為1985-1995年織造土工布和非織造土工布在 上的比例變化情況。由圖1可以看出，當(dāng)前非織造土工布占全部土工布的比例已達(dá)到70%左右，織造土工布約占30%。在美國(guó)非織造土工布的比例更高，1990年非織造土工布:織造土工布:針織土工布的比例為70∶28∶2。1995年則為85∶14∶1。
美國(guó)1992年曾對(duì)土工布市場(chǎng)作過(guò)分析(圖2)：短纖、針刺、扁絲織造和紡粘針刺布分別居土工布用量的1、2、3位，三者總和占美國(guó)土工布總量的95.7%。當(dāng)然目前結(jié)構(gòu)已有很大變化。
我國(guó)還沒(méi)有確切的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，但大體上占主導(dǎo)的是短纖針刺土工布和丙綸扁絲織造土工布，二者所占份額達(dá)到85%-90%。紡粘長(zhǎng)絲針刺土工布1998年實(shí)際產(chǎn)量不會(huì)超過(guò)1 500萬(wàn)m2，約3 000t，占10%左右，單絲及復(fù)絲長(zhǎng)絲織造土工布數(shù)量不多。
2.2 關(guān)于織造土工布
織造土工布包括以單絲、復(fù)絲、切膜絲、膜裂絲為原料的土工布。
織造土工布的主要特點(diǎn)是：
-- 抗拉強(qiáng)力及初始模量大、斷裂伸長(zhǎng)及蠕變小。圖3是織造土工布和非織造土工布負(fù)荷－伸長(zhǎng)曲線的比較。
-- 依靠經(jīng)緯紗互相擠壓保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
-- 水力學(xué)性能看，織造土工布為平面過(guò)濾，孔隙尺寸大，最小為0.05-0.08mm，作反濾時(shí)，小砂礫易流失。扁絲織造布還容易淤堵。但單絲織物不易發(fā)生淤堵，適于作無(wú)粘性土的濾層。
-- 厚度小，水平排水能力差，不宜用作排水材料。
-- 彈性伸長(zhǎng)小，與硬質(zhì)材料接觸易刺破、頂破，影響反濾功能。
-- 生產(chǎn)工藝復(fù)雜，產(chǎn)量低，成本高。
總起來(lái)說(shuō)，織造土工布特別適合增強(qiáng)、加固和隔離之用，對(duì)控制侵蝕，進(jìn)行護(hù)底及其它防護(hù)的工程，有時(shí)必須用強(qiáng)度很高的織造土工布，而一般以反濾和排水作用為主的工程則不宜采用。
2.2.1 長(zhǎng)絲(噴絲板法)和扁絲(薄膜法)的差別
薄膜纖維固定資產(chǎn)投資小、技術(shù)難度相對(duì)較低，而且扁絲強(qiáng)度也是以滿足一般水土工程的需要為主，因此無(wú)論國(guó)內(nèi)和國(guó)外，薄膜絲在土工布方面的用量較長(zhǎng)絲要多得多。長(zhǎng)絲只是在一些要求較高的織造土工布上應(yīng)用。
2.2.2 平織機(jī)和圓織機(jī)的差別
目前，我國(guó)用切膜絲和膜裂絲生產(chǎn)的土工布，有的用平織機(jī)生產(chǎn)，有的用圓織機(jī)生產(chǎn)，圓織機(jī)有4梭、6梭、8梭，最寬的幅寬達(dá)4m以上。但需用刀割開(kāi)，然后用熱熔等方法予以固定。這樣生產(chǎn)出的土工布在質(zhì)量上與平織機(jī)生產(chǎn)的有差距。
由于圓織機(jī)無(wú)打緯機(jī)構(gòu)，當(dāng)緯紗進(jìn)入梭口時(shí)沒(méi)有強(qiáng)制打緯，因此緯紗的密度較低，僅為一般平織機(jī)織出土工布的60%-70%，因此強(qiáng)度自然受影響。另外，織物的空隙較大，如用其作為反濾織物則泥土容易流失。
目前國(guó)內(nèi)使用最多的圓織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)與平織機(jī)有根本不同，平織機(jī)靠投梭機(jī)構(gòu)或劍桿、噴氣、片梭、噴水等引緯機(jī)構(gòu)。而圓織機(jī)只靠紗片下的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)下層紗片摩擦傳動(dòng)梭口中的梭子，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須把紗片嵌入傳動(dòng)梭子，因此紗層強(qiáng)度受損嚴(yán)重，一般在10%以上。
由此可見(jiàn)，圓織機(jī)作為加工袋形織物是合適的，但用以加工土工織物，質(zhì)量必然受限制。
2.3 短纖維針刺土工布
短纖維針刺土工布是目前應(yīng)用最廣泛的非織造土工布之一。纖維經(jīng)過(guò)開(kāi)松混合、梳理(或氣流)成網(wǎng)、鋪網(wǎng)、牽伸及針刺固結(jié) 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)造成撕破、頂破。由于其厚度較大、結(jié)構(gòu)蓬松，且纖維通道呈三維結(jié)構(gòu)，過(guò)濾效率高，排水性能好。其滲透系數(shù)達(dá)10-1-10-2，與沙粒濾料的滲透系數(shù)相當(dāng)，但鋪起來(lái)更方便，價(jià)格也不貴，因此用作反濾和排水最為合適。還具有一定增強(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，一是有效孔徑；二是滲透系數(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)小顆粒泥土又不致于淤堵，這必須結(jié)合工程的具體要求，予以滿足。
短纖針刺土工布加工技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
-- 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、乙綸，改變品種十分方便。改變纖維的規(guī)格也比較容易。
-- 技術(shù)容易掌握：設(shè)備與傳統(tǒng)紡紗設(shè)備相似，調(diào)整工藝和設(shè)備都比較有基礎(chǔ)，對(duì)工程上提出的要求，如強(qiáng)度、縱橫向強(qiáng)度比、各項(xiàng)水力學(xué)性能等都容易通過(guò)工藝調(diào)整得到滿足。
-- 國(guó)內(nèi)具有一定機(jī)械制造基礎(chǔ)：市場(chǎng)上已有國(guó)產(chǎn)寬幅設(shè)備供應(yīng)，應(yīng)用效果較好，且價(jià)格低廉。
2.4 長(zhǎng)絲紡粘非織造土工布
長(zhǎng)絲紡粘技術(shù)是非織造布中發(fā)展最為迅速的一種工藝，在土工布領(lǐng)域這種工藝也以很快的速度發(fā)展。紡粘土工布具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：
-- 各項(xiàng)力學(xué)性能十分優(yōu)異。國(guó)內(nèi)一些試驗(yàn)表明，抗張強(qiáng)度是同克重短纖針刺非織造土工布的1.5-1.9倍。國(guó)外的一些資料則表明其相差倍數(shù)還要大。撕破、頂破等強(qiáng)度、蠕變性能亦明顯優(yōu)于短纖針刺土工布。
-- 水力學(xué)性能大體和短纖針刺土工布相當(dāng)，滲透系數(shù)與短纖針刺土工布同一數(shù)量級(jí)。只要使用得當(dāng)，一段時(shí)間后滲透系數(shù)大體能達(dá)到穩(wěn)定，土粒不再隨水流流失。
-- 紡絲速度高，單機(jī)產(chǎn)量遠(yuǎn)高于短纖針刺設(shè)備。
-- 當(dāng)前存在的主要問(wèn)題是，尚無(wú)國(guó)產(chǎn)紡粘土工布設(shè)備供應(yīng)，進(jìn)口設(shè)備價(jià)格又貴，因而造成紡粘土工比短纖針刺土工布更貴。雖國(guó)產(chǎn)厚型的滌綸紡粘設(shè)備已基本過(guò)關(guān)，但在技術(shù)上與國(guó)外新穎的紡粘設(shè)備有差距。
除以上3類目前國(guó)際上占有份額最多的土工布外，針織經(jīng)編土工布盡管用量不大，但近年來(lái)發(fā)展很快，具有很強(qiáng)的生命力，另外熱粘合非織造土工布、化學(xué)粘合非織造土工布在國(guó)外也有一定數(shù)量，我們應(yīng)充分予以關(guān)注。
3.土工布的性能要求
土工布的性能可分為3類：固有性能即物理機(jī)械性能；影響泥土和土工布互相作用的性能；耐用性能。
3.1 土工布的物理機(jī)械性能
土工布的物理性能包括單位面積質(zhì)量、厚度、比重、撓曲性等。單位面積質(zhì)量是土工布的一個(gè)基本性能，它影響其它很多指標(biāo)；厚度是在承受一定壓力下測(cè)試的(2×104Pa)，厚度影響水流沿平面流動(dòng)的性能；比重的大小決定土工布單位重量下體積的大小和在水中的沉浮情況；絕大多數(shù)土工布都很容易撓曲，卷成卷狀運(yùn)輸方便。
土工布的機(jī)械性能包括抗拉強(qiáng)度、接合強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度、刺破強(qiáng)度、抗壓縮性能等。
抗拉強(qiáng)度是土工布的一個(gè)基本性能，無(wú)論在鋪設(shè)或在起增強(qiáng)作用時(shí)，土工布必須具有抗拉強(qiáng)度。其它各項(xiàng)強(qiáng)度也都是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際受力時(shí)必須具有的性能，而抗壓縮性能直接影響反濾和排水性能。
3.2 影響土工布和土壤互相作用的性能
3.2.1 土工布是高拉伸強(qiáng)度材料，而泥土是低拉伸強(qiáng)度材料。土壤與土工合成材料結(jié)合后可提高承受負(fù)載的能力。其強(qiáng)度提高的程度既取決于鋪放土工合成材料的強(qiáng)度，又取決于土工合成材料與泥土間摩擦力的大小。土體中合理加入抗拉材料(土工布)可改變土中的應(yīng)力分布，約束土體的側(cè)向變形，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。據(jù)資料介紹，土工布發(fā)揮增強(qiáng)作用時(shí)有3種不同的形式：(1)膜片型：發(fā)生在土體表面鋪設(shè)土工布，作臨時(shí)道路時(shí)；(2)剪切型：發(fā)生在土體受力，土工布與土體界面間產(chǎn)生直接剪切作用時(shí)；(3)錨固型：土工布包住土體，受力后對(duì)土工布產(chǎn)生拉拔作用時(shí)。其關(guān)鍵都在于土工布與土體接觸表面處的摩擦阻力和相互咬合的情況。因此，對(duì)土工布的性能必須模擬實(shí)際情況(采用工程中的實(shí)際土壤)作直接剪切和拉拔試驗(yàn)，以確定摩擦和咬合情況。一般用于以增強(qiáng)作用為主的工程可使用機(jī)織土工布、土工格柵、土工帶等。
3.2.2 土工布的水力學(xué)性能同樣是土壤和土工布互相作用的重要性能，主要為：土工布的有效孔徑和滲透系數(shù)。
土工布的有效孔徑(EOS)或表觀孔徑(AOS)表示能有效通過(guò)的 顆粒直徑。目前具體試驗(yàn)方法有2種：干篩法(GB/T 14799－1993)和濕篩法(GB/T 17634－1998)。干篩法相對(duì)較簡(jiǎn)便但振篩時(shí)易產(chǎn)生靜電，顆粒容易集結(jié)。濕篩法是根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)新制訂的，在理論上可消除靜電的影響，但因噴水后產(chǎn)生表面張力，集結(jié)現(xiàn)象并不能完全消除。2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的顆粒準(zhǔn)備也不一樣，干法標(biāo)準(zhǔn)制備是分檔顆粒(從0.05-0.07mm至0.35-0.4mm分成9檔)，逐檔放于振篩上(以土工布作為篩布)得出一系列不同粒徑的篩余率，當(dāng)某一粒徑的篩余率等于總量的90%或95%時(shí)，該粒徑即為該土工布的表觀孔徑或有效孔徑，相應(yīng)用O90或O95表示。至于濕法則采用混合顆粒(按一定的分布)經(jīng)篩分后再測(cè)粒徑，并求出有效孔徑。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的仍以干法為主。
滲透性表明布在反濾和排水方面的能力，根據(jù)工程需要，土工布必須確定垂直于織物平面的滲透特性(垂直滲透系數(shù)及透水率)及沿織物平面排水的特性(平面滲透系數(shù)及導(dǎo)水率)，這些試驗(yàn)都已納入 標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足工程的需要，有時(shí)可將國(guó)標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)泥土結(jié)合起來(lái)作專門的試驗(yàn)。
土工布的水力學(xué)指標(biāo)在實(shí)際工程中起重要作用。
如以反濾功能為主的土工布，必須具有以下特性：
(1)保土性：防止被保護(hù)土的土粒隨水流流失；
(2)滲水性：保證滲流水通暢排走；
(3)防堵性：防止材料被細(xì)土粒堵塞失效。
這被稱為反濾三準(zhǔn)則，都與上述土工布的水力學(xué)性能密切相關(guān)。
3.3 土工布的耐用性能
土工布的耐久性包括多個(gè)方面，主要是抗紫外線輻射、溫度變化、化學(xué)與生物侵蝕、水解影響、凍融變化、機(jī)械磨損及蠕變性能等。
3.3.1 蠕變性能
蠕變性能是聚合物合成材料的重要性能之一，是材料能否耐用的關(guān)鍵。土工布產(chǎn)生蠕變，其厚度會(huì)逐漸變薄，各項(xiàng)指標(biāo)都會(huì)變壞。
織造土工布蠕變一般優(yōu)于非織造土工布，長(zhǎng)絲針刺又優(yōu)于短纖維針刺土工布。這說(shuō)明在用于增強(qiáng)目的時(shí)，織造土工布具有一定的優(yōu)越性。但是非織造土工布在側(cè)限狀態(tài)下要比非側(cè)限狀態(tài)好。
蠕變受聚合物種類影響。將滌綸、丙綸、錦綸進(jìn)行比較。滌綸的蠕變值最小，錦綸次之，丙綸 。其影響之大超過(guò)因結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生的影響。
溫度對(duì)蠕變性能也有影響，應(yīng)變超過(guò)一定值時(shí)，溫度愈高，蠕變量明顯增大。
因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮聚合物蠕變的特性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用一定的安全系數(shù)以保證工程的耐久性。
3.3.2 紫外輻射、溫度、水份等影響
紫外線輻射是引起合成纖維老化的最主要因素，紫外光特別是UVB的能量能引起高分子化學(xué)鍵斷裂(聚丙烯對(duì)紫外線最敏感的波長(zhǎng)是300-310μm)，聚酯則相對(duì)好一些。
溫度可直接影響聚合物裂解，溫度也可和其它因素結(jié)合在一起引起聚合物降解。已有文獻(xiàn)闡明：土工布強(qiáng)度的變化，與季節(jié)氣候有很大關(guān)系。秋冬季節(jié)氣溫低、空氣干燥，織物降解較為緩和，而春夏季氣溫高，雨水多，空氣潮濕，促使降解反應(yīng)加快，一般丙綸在紫外線作用下半年后，其剩余強(qiáng)度為0。
但是只要土工布表面加以覆蓋，避免紫外線直接照射，則其強(qiáng)度和延伸度的變化就甚微，有關(guān)試驗(yàn)表明，3年中基本上未有變化。
綜上，紫外線直接照射是聚合物老化的最主要因素，而水份、溫度和紫外線結(jié)合將進(jìn)一步促進(jìn)老化。滌綸土工布抗老化性能好于丙綸織物，但當(dāng)紫外線和水份聯(lián)合作用時(shí)，滌綸織物的老化速度將加快，丙綸織物如采用防老化劑及添加炭黑，則能延緩老化。
因此，土工布只要避免紫外線直接照射，埋在土中或水中，其老化速度可變得很小。
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