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土工布的生产技术和性能要求

    2004年1期

    
    叶奕梁 徐朴
    
    [内容提要] 土工布是用产业纺织品中重要的一部分,主要用于与泥土、岩石和水相关连的岩土工程中。文章主要讨论了土工布应用的原料、土工布的生产技术以及土工布应具备的各种性能。
    
    [关键词] 土工布 生产技术 性能/TS 10668土工布是土工合成材料大家族中的一员,大量用于公路、铁路、水利、大型建筑、电厂灰坝建设、有色金属尾矿处理、环保工程、水土保持等方面。
    目前中国有土工布生产能力的企业已有上百家,总生产能力超过10万t。随着我国对基础工业发展的重视和政府对推广应用土工合成材料的大力提倡,今后土工合成材料的发展将会加快。据预测,2005年我国土工布的使用量可能达到5万t,2010年将达10万t。
    1.土工布的原料
    土工布所用原料不但要考虑其在使用环境中所需的物理化学性能,而且要注意产品成本。在性能方面主要考虑以下几方面:
    1.1 良好的物理机械性能
    土工布的工作环境恶劣,很多情况下是泡在水中或铺于湿度很大的土中,所以必须具有良好的抗水解性能和湿态机械性能。
    1.2 耐紫外线辐射、抗水解、耐高低温
    土工布要暴露于日光下,因此要具有相应的耐紫外线性能;土工布要适应与沥青等材料接触时的温度,要求熔点较高。
    1.3 耐化学药品、耐腐蚀、耐霉变
    水和土质很不相同,有的呈碱性,有的呈酸性,有的含盐份多,有的含各种元素,因此必须具有化学稳定性。
    1.4 良好的透水性
    土工布过滤和排水都需要透水,因此必须具有良好的透水性。
    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(包括纤维),大约占土工布总用量的50%以上,美国已占80%以上。聚酯原料(包括涤纶)占15%-30%,居第2位,日本用得较多。采用聚乙烯和聚酰胺纤维的较少,我国还有采用维纶的。
    聚丙烯原料用得最多,价格固然是一个重要因素,但主要是丙纶有优良的耐酸耐碱性、耐腐蚀、耐霉变,不受细菌侵蚀;且有较好的芯吸效应,对水的渗透性能好。其机械性能亦十分优良,尤其是近年来国内已开发出高强丙纶长丝,强度达到8g/D,制作高强度的丙纶机织土工布及袋布都很适合。
    丙纶的缺点是抗紫外线性能差,特别对UVB波段的紫外线很敏感,试验表明,春夏季隔玻璃在光照下6个月,其强度即降为0,而涤纶仍能保持78%,尼龙为73%,因此丙纶在抽丝前必须经防老化处理,在使用和运输中必须尽量避免在日光下暴晒。另外,丙纶的熔点较低(在135℃左右),因此在与沥青等密封材料及铺地材料结合时受到一定限制。
    涤纶机械物理性能好,熔点比丙纶高,耐紫外线辐射亦比丙纶好得多,因此也是土工布的理想原料。涤纶耐酸性好,亦耐弱碱,但长期与碱性物质如石灰、水泥、混凝土、碱性土壤接触,强力会受损失,其抗水解性能亦较差,在使用时应予以注意。
    尼龙和维纶耐碱性好,但耐酸性差。聚酰胺长丝在pH为 4,25℃缓冲溶液中经11个月,强度只剩至1%,聚酰胺土工布不宜用于pH< 5的土壤中,否则不耐久。维纶耐海水侵蚀,适用于海岸工程。
    2. 土工布的生产工艺
    2.1 不同制造方法的土工布的消耗量
    图1为1985-1995年织造土工布和非织造土工布在世界上的比例变化情况。由图1可以看出,当前非织造土工布占全部土工布的比例已达到70%左右,织造土工布约占30%。在美国非织造土工布的比例更高,1990年非织造土工布:织造土工布:针织土工布的比例为70∶28∶2。1995年则为85∶14∶1。
    美国1992年曾对土工布市场作过分析(图2):短纤、针刺、扁丝织造和纺粘针刺布分别居土工布用量的1、2、3位,三者总和占美国土工布总量的95.7%。当然目前结构已有很大变化。
    我国还没有确切的统计数字,但大体上占主导的是短纤针刺土工布和丙纶扁丝织造土工布,二者所占份额达到85%-90%。纺粘长丝针刺土工布1998年实际产量不会超过1 500万m2,约3 000t,占10%左右,单丝及复丝长丝织造土工布数量不多。
    2.2 关于织造土工布
    织造土工布包括以单丝、复丝、切膜丝、膜裂丝为原料的土工布。
    织造土工布的主要特点是:
    -- 抗拉强力及初始模量大、断裂伸长及蠕变小。图3是织造土工布和非织造土工布负荷-伸长曲线的比较。
    -- 依靠经纬纱互相挤压保持结构稳定。
    -- 水力学性能看,织造土工布为平面过滤,孔隙尺寸大,最小为0.05-0.08mm,作反滤时,小砂砾易流失。扁丝织造布还容易淤堵。但单丝织物不易发生淤堵,适于作无粘性土的滤层。
    -- 厚度小,水平排水能力差,不宜用作排水材料。
    -- 弹性伸长小,与硬质材料接触易刺破、顶破,影响反滤功能。
    -- 生产工艺复杂,产量低,成本高。
    总起来说,织造土工布特别适合增强、加固和隔离之用,对控制侵蚀,进行护底及其它防护的工程,有时必须用强度很高的织造土工布,而一般以反滤和排水作用为主的工程则不宜采用。
    2.2.1 长丝(喷丝板法)和扁丝(薄膜法)的差别
    薄膜纤维固定资产投资小、技术难度相对较低,而且扁丝强度也是以满足一般水土工程的需要为主,因此无论国内和国外,薄膜丝在土工布方面的用量较长丝要多得多。长丝只是在一些要求较高的织造土工布上应用。
    2.2.2 平织机和圆织机的差别
    目前,我国用切膜丝和膜裂丝生产的土工布,有的用平织机生产,有的用圆织机生产,圆织机有4梭、6梭、8梭,最宽的幅宽达4m以上。但需用刀割开,然后用热熔等方法予以固定。这样生产出的土工布在质量上与平织机生产的有差距。
    由于圆织机无打纬机构,当纬纱进入梭口时没有强制打纬,因此纬纱的密度较低,仅为一般平织机织出土工布的60%-70%,因此强度自然受影响。另外,织物的空隙较大,如用其作为反滤织物则泥土容易流失。
    目前国内使用最多的圆织机引纬机构与平织机有根本不同,平织机靠投梭机构或剑杆、喷气、片梭、喷水等引纬机构。而圆织机只靠纱片下的传动机构通过下层纱片摩擦传动梭口中的梭子,由于传动机构必须把纱片嵌入传动梭子,因此纱层强度受损严重,一般在10%以上。
    由此可见,圆织机作为加工袋形织物是合适的,但用以加工土工织物,质量必然受限制。
    2.3 短纤维针刺土工布
    短纤维针刺土工布是目前应用最广泛的非织造土工布之一。纤维经过开松混合、梳理(或气流)成网、铺网、牵伸及针刺固结最后形成成品,针刺形成的缠结强度足以满足铺放时的抗张应力,不会造成撕破、顶破。由于其厚度较大、结构蓬松,且纤维通道呈三维结构,过滤效率高,排水性能好。其渗透系数达10-1-10-2,与沙粒滤料的渗透系数相当,但铺起来更方便,价格也不贵,因此用作反滤和排水最为合适。还具有一定增强和隔离功能,也可以和其它土工合成材料复合,具防护等多种功能。
    由于非织造土工布具反滤和排水的特点,因此在水力学性能方面要特别予以重视,一是有效孔径;二是渗透系数。要利用非织造布多孔的性质,使孔隙分布有利于截留细小颗粒泥土又不致于淤堵,这必须结合工程的具体要求,予以满足。
    短纤针刺土工布加工技术具有以下几个特点:
    -- 适应性强,比较机动灵活:同一加工设备可以加工不同的原料品种,如丙纶、涤纶、锦纶、乙纶,改变品种十分方便。改变纤维的规格也比较容易。
    -- 技术容易掌握:设备与传统纺纱设备相似,调整工艺和设备都比较有基础,对工程上提出的要求,如强度、纵横向强度比、各项水力学性能等都容易通过工艺调整得到满足。
    -- 国内具有一定机械制造基础:市场上已有国产宽幅设备供应,应用效果较好,且价格低廉。
    2.4 长丝纺粘非织造土工布
    长丝纺粘技术是非织造布中发展最为迅速的一种工艺,在土工布领域这种工艺也以很快的速度发展。纺粘土工布具有一系列的优点:
    -- 各项力学性能十分优异。国内一些试验表明,抗张强度是同克重短纤针刺非织造土工布的1.5-1.9倍。国外的一些资料则表明其相差倍数还要大。撕破、顶破等强度、蠕变性能亦明显优于短纤针刺土工布。
    -- 水力学性能大体和短纤针刺土工布相当,渗透系数与短纤针刺土工布同一数量级。只要使用得当,一段时间后渗透系数大体能达到稳定,土粒不再随水流流失。
    -- 纺丝速度高,单机产量远高于短纤针刺设备。
    -- 当前存在的主要问题是,尚无国产纺粘土工布设备供应,进口设备价格又贵,因而造成纺粘土工比短纤针刺土工布更贵。虽国产厚型的涤纶纺粘设备已基本过关,但在技术上与国外新颖的纺粘设备有差距。
    除以上3类目前国际上占有份额最多的土工布外,针织经编土工布尽管用量不大,但近年来发展很快,具有很强的生命力,另外热粘合非织造土工布、化学粘合非织造土工布在国外也有一定数量,我们应充分予以关注。
    3.土工布的性能要求
    土工布的性能可分为3类:固有性能即物理机械性能;影响泥土和土工布互相作用的性能;耐用性能。
    3.1 土工布的物理机械性能
    土工布的物理性能包括单位面积质量、厚度、比重、挠曲性等。单位面积质量是土工布的一个基本性能,它影响其它很多指标;厚度是在承受一定压力下测试的(2×104Pa),厚度影响水流沿平面流动的性能;比重的大小决定土工布单位重量下体积的大小和在水中的沉浮情况;绝大多数土工布都很容易挠曲,卷成卷状运输方便。
    土工布的机械性能包括抗拉强度、接合强度、抗撕裂强度、顶破强度、刺破强度、抗压缩性能等。
    抗拉强度是土工布的一个基本性能,无论在铺设或在起增强作用时,土工布必须具有抗拉强度。其它各项强度也都是在现场实际受力时必须具有的性能,而抗压缩性能直接影响反滤和排水性能。
    3.2 影响土工布和土壤互相作用的性能
    3.2.1 土工布是高拉伸强度材料,而泥土是低拉伸强度材料。土壤与土工合成材料结合后可提高承受负载的能力。其强度提高的程度既取决于铺放土工合成材料的强度,又取决于土工合成材料与泥土间摩擦力的大小。土体中合理加入抗拉材料(土工布)可改变土中的应力分布,约束土体的侧向变形,从而提高结构的稳定性。据资料介绍,土工布发挥增强作用时有3种不同的形式:(1)膜片型:发生在土体表面铺设土工布,作临时道路时;(2)剪切型:发生在土体受力,土工布与土体界面间产生直接剪切作用时;(3)锚固型:土工布包住土体,受力后对土工布产生拉拔作用时。其关键都在于土工布与土体接触表面处的摩擦阻力和相互咬合的情况。因此,对土工布的性能必须模拟实际情况(采用工程中的实际土壤)作直接剪切和拉拔试验,以确定摩擦和咬合情况。一般用于以增强作用为主的工程可使用机织土工布、土工格栅、土工带等。
    3.2.2 土工布的水力学性能同样是土壤和土工布互相作用的重要性能,主要为:土工布的有效孔径和渗透系数。
    土工布的有效孔径(EOS)或表观孔径(AOS)表示能有效通过的最大颗粒直径。目前具体试验方法有2种:干筛法(GB/T 14799-1993)和湿筛法(GB/T 17634-1998)。干筛法相对较简便但振筛时易产生静电,颗粒容易集结。湿筛法是根据ISO标准新制订的,在理论上可消除静电的影响,但因喷水后产生表面张力,集结现象并不能完全消除。2个标准的颗粒准备也不一样,干法标准制备是分档颗粒(从0.05-0.07mm至0.35-0.4mm分成9档),逐档放于振筛上(以土工布作为筛布)得出一系列不同粒径的筛余率,当某一粒径的筛余率等于总量的90%或95%时,该粒径即为该土工布的表观孔径或有效孔径,相应用O90或O95表示。至于湿法则采用混合颗粒(按一定的分布)经筛分后再测粒径,并求出有效孔径。目前国内应用的仍以干法为主。
    渗透性表明布在反滤和排水方面的能力,根据工程需要,土工布必须确定垂直于织物平面的渗透特性(垂直渗透系数及透水率)及沿织物平面排水的特性(平面渗透系数及导水率),这些试验都已纳入国家标准。为了满足工程的需要,有时可将国标中的标准测试与现场泥土结合起来作专门的试验。
    土工布的水力学指标在实际工程中起重要作用。
    如以反滤功能为主的土工布,必须具有以下特性:
    (1)保土性:防止被保护土的土粒随水流流失;
    (2)渗水性:保证渗流水通畅排走;
    (3)防堵性:防止材料被细土粒堵塞失效。
    这被称为反滤三准则,都与上述土工布的水力学性能密切相关。
    3.3 土工布的耐用性能
    土工布的耐久性包括多个方面,主要是抗紫外线辐射、温度变化、化学与生物侵蚀、水解影响、冻融变化、机械磨损及蠕变性能等。
    3.3.1 蠕变性能
    蠕变性能是聚合物合成材料的重要性能之一,是材料能否耐用的关键。土工布产生蠕变,其厚度会逐渐变薄,各项指标都会变坏。
    织造土工布蠕变一般优于非织造土工布,长丝针刺又优于短纤维针刺土工布。这说明在用于增强目的时,织造土工布具有一定的优越性。但是非织造土工布在侧限状态下要比非侧限状态好。
    蠕变受聚合物种类影响。将涤纶、丙纶、锦纶进行比较。涤纶的蠕变值最小,锦纶次之,丙纶最大。其影响之大超过因结构不同而产生的影响。
    温度对蠕变性能也有影响,应变超过一定值时,温度愈高,蠕变量明显增大。
    因此在实际应用中,应考虑聚合物蠕变的特性,在设计时应采用一定的安全系数以保证工程的耐久性。
    3.3.2 紫外辐射、温度、水份等影响
    紫外线辐射是引起合成纤维老化的最主要因素,紫外光特别是UVB的能量能引起高分子化学键断裂(聚丙烯对紫外线最敏感的波长是300-310μm),聚酯则相对好一些。
    温度可直接影响聚合物裂解,温度也可和其它因素结合在一起引起聚合物降解。已有文献阐明:土工布强度的变化,与季节气候有很大关系。秋冬季节气温低、空气干燥,织物降解较为缓和,而春夏季气温高,雨水多,空气潮湿,促使降解反应加快,一般丙纶在紫外线作用下半年后,其剩余强度为0。
    但是只要土工布表面加以覆盖,避免紫外线直接照射,则其强度和延伸度的变化就甚微,有关试验表明,3年中基本上未有变化。
    综上,紫外线直接照射是聚合物老化的最主要因素,而水份、温度和紫外线结合将进一步促进老化。涤纶土工布抗老化性能好于丙纶织物,但当紫外线和水份联合作用时,涤纶织物的老化速度将加快,丙纶织物如采用防老化剂及添加炭黑,则能延缓老化。
    因此,土工布只要避免紫外线直接照射,埋在土中或水中,其老化速度可变得很小。
    参考文献
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    3. 扬文等.土工合成材料应用展望
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    5. The Nature of the Geotextile Maket in the United State,1992(11)
    6. 唐仁楠,陶同康.土工织物在水利工程中的应用
    7. 水利水电工程土工合成材料应用技术规则.北京:中国水利水电出版社

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