非织造土工布的功能及应用

土工布是应用于土木工程中的纺织品,已经成功 替代了以往应用于各种增强领域的金属条,克服土壤 对张力的弱点。土工织物在增强领域中的普遍使用不 仅是由于它们的低刚度性能,使得它们在变形性方面 与土壤相容,而且它们可以增加土壤的剪切强度和延 展性。土工布是一种新型建筑材料,在铁路、公路、 水利、电力、冶金、矿山、建筑、军工、海港、农业等领域 中推广应用,具有排水、过滤、隔离、加固、保护、防渗、 防漏等作用,并同木材、钢材、水泥一起统称为四大建 筑材料。1926年,土工布被荷兰首次应用在岩土工 程领域;20世纪50年代末,美国首次在海滩护岸工程 领域中使用土工织物,用来代替传统的砂石滤料;20 世纪80年代初,土工布才开始在中国的铁路、水利部门中应用。 

1 非织造土工布概况 按照加工和生产方法的不同,土工布可大致分为 纺织土工布、非织造土工布、合成土工布和复合土工布 4类。按成网和固着方法的不同,非织造土工布可分为3种:纺黏土工布、短纤针刺土工布以及热熔黏合土 工布。在中国纺黏长丝土工布主要是聚酯纤维 (涤纶)这一种。聚酯纤维非织造土工布强力高,熔点 高,具有优良的韧度和蠕变特性,尤其在抗紫外线、抗 老化性能上均能够满足工程要求。近几年聚丙烯纺黏 长丝土工布逐渐进入国内市场,比如天鼎丰非织造布 有限公司开发的高强粗旦聚丙烯纺黏针刺土工布。相 比纺黏土工布,短纤维针刺非织造土工布种类繁多,包 括有聚酯纤维非织造土工布、聚丙烯纤维非织造土工布、聚酰胺纤维非织造土工布、聚乙烯醇纤维非织造土 工布等。其中,聚酯和聚丙烯纤维非织造土工布应用 最为广泛。且短纤针刺土工布质地松软,结构蓬松,吸 水渗水性能好,适合于各种渗水、排水系统,也适合做 路基,但其强力较差,抗撕裂性差;黏合法非织造土工 布由于黏合点不能产生滑移,布面比较僵直,抗撕拉性 较差,因此在土木工程中应用很少。 中国土工布原料主要包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、 聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维等。近年来,某些天然纤 维、可生物降解纤维和无机纤维逐渐在国内外土工布 所用原料中采用。已有相关研究表明某些天然纤维可 应用于路基、排水、护岸、控制土壤侵蚀等领域,比 如黄麻、红麻、椰子壳纤维、竹浆纤维等。RawalA 等 对黄麻与涤纶非织造土工布的结构进行分析,结果表 明:前者的各向异性较小且织物紧密。

2 非织造土工布制造工艺 非织造土工布按制造工艺的不同可分为3种:纺 黏土工布、短纤针刺土工布和热熔黏合土工布。 

2.1 纺黏工艺 纺黏工艺的主要流程为:将聚合物的粒子或粉末 熔融,然后喂入挤压机纺成连续的长丝束,并且不规则 地铺放在传送带上形成纤网,在长丝还未完全凝固时,用热压罗拉加压,或用黏合剂黏合,或用针刺法加固, 形成连续均匀的土工布。这种方法工艺简单,产量高, 成本低,价格便宜。由于是将长丝铺设成网,因此这类 非织造布的强力高、伸长率好,不易被顶破、撕裂。目 前市场上应用最广的纺黏长丝土工布是聚酯长丝纺黏 针刺土工布,其纤维排列成三维结构。除了具有良好 的力学性能外,还具有良好的纵横向排水性能和良好的延伸性能,以及较高的耐生物、耐酸碱、耐老化等化 学稳定性能。同时,还具有较宽的孔径范围,曲折的孔 径分布,以及优良的渗透性能和过滤性能。聚丙烯纤 维具有优良的耐酸耐碱性能,特别是耐酸耐碱性能优 于聚酯纤维,其应用在地下酸碱环境下和高寒等恶劣 环境中具有不可替代的地位,因此聚丙烯长丝针刺土 工布也逐渐出现在市场上,产品性能不断完善。 

2.2 短纤针刺工艺 纤维经过开松混合、梳理(或气流)成网、铺网、牵 伸及针刺固结后形成成品,针刺形成的缠结强度足以 满足铺放时的抗张应力,不会造成撕裂和顶破。其特 点是厚度大、密度高、结构蓬松,吸水和透水性能好,抗 形变能力强,其渗透系数与沙粒滤料相当,但铺起来更 方便,价格较实惠,因此用作反滤材料尤为合适。此 外,还具有一定的增强和隔离功能,也可以和其他土工 合成材料复合,具有防护等多种功能。由于非织造土 工布具有反滤和排水的特点,因此在水力学性能方面 要特别予以重视,包括有效孔径和渗透系数。

2.3 热熔黏合工艺 由同一种合成纤维或2种熔点不同的合成纤维, 经开松、梳理、混合、铺网,通过一对加热轧辊,使纤网 的表层或网中的低熔点纤维熔融,黏合在一起形成非 织造土工布,也可在纤网表面撒热熔黏合剂,再经过热 轧辊来达到纤维间的结合。热熔黏合法的关键在于热 风烘燥,由于热风穿透纤维网,使纤维熔融并相互黏结 在一起而形成絮片状材料。热黏合非织造布可以通过 不同的加热方法来实现。黏合方式、纤网种类、梳理工 艺和纤网结构都将影响到最终产品的性能和外观质 量。对于低熔点纤维或双组分纤维的纤网,可采用热 轧黏合,也可采用热熔黏合;对于普通热塑性纤维及其 与非热塑性纤维混合的纤网,可采用热轧黏合。在采 用成网工艺的情况下,热黏合工艺对非织造布的性能 有重要影响,决定着产品的最终质量。 

3 非织造土工布的功能 非织造土工布的用途多种多样,其主要功能包括 加强功能、隔离功能、过滤功能、排水功能、反滤功能和 防渗功能。 

3.1 加强功能 非织造土工布的加强功能是利用土工布的拉伸性能改善土壤层的机械性能,限制土工工程在长时间使 用过程中发生位移,起到一定的稳定作用。

3.2 隔离功能 非织造土工布的隔离功能主要表现在两个方面, 一是阻止不同路线或不同层次材料的彼此混合,保持 和改善两种材料的整体性和运行性能;二是阻止滤层 的污染和腐蚀,保证工程质量,加快工程进度。 

3.3 过滤功能 非织造土工织物具有良好的透水、透气性,发挥过 滤作用时起着类似过滤器的功效,能有效地截留土颗 粒、细砂及小石料而滤去水流,防止土体破坏,保持土 石工程的稳定。 

3.4 排水功能 非织造土工布是一种良好的导水材料,织物本身 形成排水通道,将土体结构内部多余的水分汇集在织 物之内,沿着织物缓慢地排出土体。 

3.5 反滤功能 反滤是指在液体通过的同时,使受渗透压力作用 的土料不流失,非织造土工布可以代替传统的砂砾料 反滤层,具有减少工程量、施工方便、速度快等优点。 

3.6防渗功能 防渗是指防止液体渗透流失,用非织造土工布及 土工膜的合成材料作防渗层,经济、耐久、无污染。

4 非织造土工布的应用 

4.1 在岩土工程中的应用 土工布与块石或混凝土板组成的滤层护坡结构或 者与混凝土组成模袋护坡结构,应用在堤岸的坡面上, 可以避免堤岸岸坡的基土被水流冲刷或侵蚀,防止塌 岸、滑坡等现象发生。土工布在坡岸护脚工程中的应 用主要是以土工布软体排及土工布土袋结构形式。作 为防冲护底的结构,以此来避免水流对护坡基底的冲 击,保证护坡的稳定性。 

4.2 在水利工程中的应用 土工布通常不是单独使用,在堤坡护砌、河底护砌 中都是覆盖在块石或混凝土预制板下面,从而构成稳 定的防护体。土工布完全可以取代由常规的砂石料所 组成的反滤层,起到防止土壤颗粒渗透的反滤作用。 在水利工程中常将土工布设置在两种不同的土(材料) 之间予以隔开,以免相互混杂失去各种材料和结构的 完整性,或发生土粒流失现象。水坝、灌溉渠道和水池 的迎水侧铺设防渗复合土工膜,可以防止水和有毒废 物的渗漏。由于土工布具有较高的抗拉强度,又有较好的柔性,当它以适当的方式铺设在土中时,可以约束土的拉伸应变,减少土的变形,从而增加土的模量及稳定性。 

4.3 在防渗工程中的应用 防渗工程主要应用在污水处理厂、粉煤灰堆场、尾 矿库堆场、矿山堆浸场、垃圾填埋场、污染物储存池、环 保及水工结构防渗、建筑防渗领域以及农业领域等。 在这些废物池中,长时间堆放挤压,会产生有害气体和 液体且向地下渗漏,导致地下水和土壤受到污染。为 此,在建造废物池时,一般会使用防渗复合土工膜,不 但能够有效地防止有毒气体和液体的渗漏,还能够降 低工程造价。 

4.4 在旧路修复和公路路基防护中的应用 在旧路修复中,土工布用于路面底层,取代应力消 减层和封闭层,可以控制和防止裂缝的发展,并防止地 表水进入,对地面起到加筋作用。在公路路基防 护中,将土工布设在路堤的底部,可以起到隔离作用, 防止水土流失;具有良好的渗透性和较好的排水效果, 在载荷的作用或泵的抽吸作用下,水可排出,同时还可 以进一步压实土体。土工布可以把作用在其上面的力 均匀地传递给路基,起到加筋的作用,从而避免了局部破坏。 

4.5 在软基加固工程中的应用 由于软土地基中含水量较高,土质松软,地基的承 载能力较低,施工过程中易导致建筑物沉陷或变形,因 此施工时常将土工布铺放在软土基上,以解决施工中 遇到的各种问题。 

5 结语 近年来,中国在土工布产品开发、推广方面已取得 一定的成绩,有了较快的发展。但与世界上先进国家 相比,在产品的品种、数量、质量及应用的广度和深度 等方面都存在着较大的差距。目前,国家有关部门对 土工布的应用推广工作十分重视,土工布标准正在加 紧制定,相关政策法规也在酝酿出台,相信土工布将在 中国大江大河的堤坝修筑和公路、铁路、机场建设,以 及环保工程中发挥重要作用,其发展将上一个新台阶。