土工布是應(yīng)用于土木工程中的紡織品,已經(jīng)成功替代了以往應(yīng)用于各種增強(qiáng)領(lǐng)域的金屬條,克服土壤對(duì)張力的弱點(diǎn)。土工織物在增強(qiáng)領(lǐng)域中的普遍使用不僅是由于它們的低剛度性能,使得它們?cè)谧冃涡苑矫媾c土壤相容,而且它們可以增加土壤的剪切強(qiáng)度和延展性[1]。土工布是一種新型建筑材料,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(guò)濾、隔離、加固、保護(hù)、防滲、
防漏等作用,并同木材、鋼材、水泥一起統(tǒng)稱(chēng)為四大建筑材料[2]。1926 年,土工布被荷蘭首次應(yīng)用在巖土工程領(lǐng)域;20 世紀(jì)50 年代末,美國(guó)首次在海灘護(hù)岸工程領(lǐng)域中使用土工織物,用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂石濾料;20世紀(jì)80 年代初,土工布才開(kāi)始在我國(guó)的鐵路、水利部門(mén)中應(yīng)用。
1 非織造土工布概況
按照加工和生產(chǎn)方法的不同,土工布可大致分為紡織土工布、非織造土工布、合成土工布和復(fù)合土工布4 類(lèi)[3]。按成網(wǎng)和固著方法的不同,非織造土工布可分為3 種:紡黏土工布、短纖針刺土工布以及熱熔黏合土工布[4-5]。在我國(guó)紡黏長(zhǎng)絲土工布主要是聚酯纖維(滌綸)這一種。聚酯纖維非織造土工布強(qiáng)力高,熔點(diǎn)高,具有優(yōu)良的韌度和蠕變特性,尤其在抗紫外線、抗老化性能上均能夠滿(mǎn)足工程要求。近幾年聚丙烯紡黏長(zhǎng)絲土工布逐漸進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng),比如天鼎豐非織造布有限公司開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)粗旦聚丙烯紡黏針刺土工布。相比紡黏土工布,短纖維針刺非織造土工布種類(lèi)繁多,包括有聚酯纖維非織造土工布、聚丙烯纖維非織造土工布、聚酰胺纖維非織造土工布、聚乙烯醇纖維非織造土工布等。其中,聚酯和聚丙烯纖維非織造土工布應(yīng)用最為廣泛。且短纖針刺土工布質(zhì)地松軟,結(jié)構(gòu)蓬松,吸水滲水性能好,適合于各種滲水、排水系統(tǒng),也適合做
路基,但其強(qiáng)力較差,抗撕裂性差;黏合法非織造土工布由于黏合點(diǎn)不能產(chǎn)生滑移,布面比較僵直,抗撕拉性較差,因此在土木工程中應(yīng)用很少。
我國(guó)土工布原料主要包括聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚酰胺纖維、聚乙烯醇纖維等。近年來(lái),某些天然纖維、可生物降解纖維和無(wú)機(jī)纖維逐漸在國(guó)內(nèi)外重慶土工布所用原料中采用。已有相關(guān)研究表明某些天然纖維可應(yīng)用于路基、排水、護(hù)岸、控制土壤侵蝕等領(lǐng)域[6-7],比如黃麻、紅麻、椰子殼纖維、竹漿纖維等。Rawal A[8]等對(duì)黃麻與滌綸非織造土工布的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)果表明:前者的各向異性較小且織物緊密。DS TechnicalNonwove 公司開(kāi)發(fā)了一種用于保護(hù)植被的聚乳酸土工布,該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是可生物降解[9]。2 非織造土工布制造工藝非織造土工布按制造工藝的不同可分為3 種:紡黏土工布、短纖針刺土工布和熱熔黏合土工布。
2.1 紡黏工藝
紡黏工藝的主要流程為: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(zhǎng)絲束,并且不規(guī)則地鋪放在傳送帶上形成纖網(wǎng),在長(zhǎng)絲還未完全凝固時(shí),用熱壓羅拉加壓,或用黏合劑黏合,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(jiǎn)單,產(chǎn)量高,成本低,價(jià)格便宜。由于是將長(zhǎng)絲鋪設(shè)成網(wǎng),因此這類(lèi)非織造布的強(qiáng)力高、伸長(zhǎng)率好,不易被頂破、撕裂。目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的紡黏長(zhǎng)絲土工布是聚酯長(zhǎng)絲紡黏針刺土工布,其纖維排列成三維結(jié)構(gòu)。除了具有良好的力學(xué)性能外,還具有良好的縱橫向排水性能和良好的延伸性能,以及較高的耐生物、耐酸堿、耐老化等化學(xué)穩(wěn)定性能。同時(shí),還具有較寬的孔徑范圍,曲折的孔徑分布,以及優(yōu)良的滲透性能和過(guò)濾性能。聚丙烯纖維具有優(yōu)良的耐酸耐堿性能,特別是耐酸耐堿性能優(yōu)于聚酯纖維,其應(yīng)用在地下酸堿環(huán)境下和高寒等惡劣環(huán)境中具有不可替代的地位,因此聚丙烯長(zhǎng)絲針刺土工布也逐漸出現(xiàn)在市場(chǎng)上,產(chǎn)品性能不斷完善。
2.2 短纖針刺工藝
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)后形成成品,針刺形成的纏結(jié)強(qiáng)度足以滿(mǎn)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(lái)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,也可以和其他土工合成材料復(fù)合,具有防護(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)。
2.3 熱熔黏合工藝
由同一種合成纖維或2 種熔點(diǎn)不同的合成纖維,經(jīng)開(kāi)松、梳理、混合、鋪網(wǎng),通過(guò)一對(duì)加熱軋輥,使纖網(wǎng)的表層或網(wǎng)中的低熔點(diǎn)纖維熔融,黏合在一起形成非織造土工布,也可在纖網(wǎng)表面撒熱熔黏合劑,再經(jīng)過(guò)熱軋輥來(lái)達(dá)到纖維間的結(jié)合。熱熔黏合法的關(guān)鍵在于熱風(fēng)烘燥,由于熱風(fēng)穿透纖維網(wǎng),使纖維熔融并相互黏結(jié)在一起而形成絮片狀材料。熱黏合非織造布可以通過(guò)不同的加熱方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。黏合方式、纖網(wǎng)種類(lèi)、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(duì)于低熔點(diǎn)纖維或雙組分纖維的纖網(wǎng),可采用熱軋黏合,也可采用熱熔黏合;對(duì)于普通熱塑性纖維及其與非熱塑性纖維混合的纖網(wǎng),可采用熱軋黏合。在采用成網(wǎng)工藝的情況下,熱黏合工藝對(duì)非織造布的性能有重要影響,決定著產(chǎn)品的最終質(zhì)量。
3 非織造土工布的功能
非織造土工布的用途多種多樣,其主要功能包括加強(qiáng)功能、隔離功能、過(guò)濾功能、排水功能、反濾功能和防滲功能。
3.1 加強(qiáng)功能
非織造土工布的加強(qiáng)功能是利用土工布的拉伸性能改善土壤層的機(jī)械性能,限制土工工程在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中發(fā)生位移,起到一定的穩(wěn)定作用。
3.2 隔離功能
非織造土工布的隔離功能主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,一是阻止不同路線或不同層次材料的彼此混合,保持和改善兩種材料的整體性和運(yùn)行性能;二是阻止濾層的污染和腐蝕,保證工程質(zhì)量,加快工程進(jìn)度。
3.3 過(guò)濾功能
非織造土工織物具有良好的透水、透氣性,發(fā)揮過(guò)濾作用時(shí)起著類(lèi)似過(guò)濾器的功效,能有效地截留土顆石工程的穩(wěn)定。
3.4 排水功能
非織造土工布是一種良好的導(dǎo)水材料,織物本身形成排水通道,將土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部多余的水分匯集在織物之內(nèi),沿著織物緩慢地排出土體。
3.5 反濾功能
反濾是指在液體通過(guò)的同時(shí),使受滲透壓力作用的土料不流失,非織造土工布可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂礫料反濾層,具有減少工程量、施工方便、速度快等優(yōu)點(diǎn)。
3.6 防滲功能
防滲是指防止液體滲透流失,用非織造土工布及土工膜的合成材料作防滲層,經(jīng)濟(jì)、耐久、無(wú)污染。
4 非織造土工布的應(yīng)用
4.1 在巖土工程中的應(yīng)用
土工布與塊石或混凝土板組成的濾層護(hù)坡結(jié)構(gòu)或者與混凝土組成模袋護(hù)坡結(jié)構(gòu),應(yīng)用在堤岸的坡面上,可以避免堤岸岸坡的基土被水流沖刷或侵蝕,防止塌岸、滑坡等現(xiàn)象發(fā)生。土工布在坡岸護(hù)腳工程中的應(yīng)用主要是以土工布軟體排及土工布土袋結(jié)構(gòu)形式。作為防沖護(hù)底的結(jié)構(gòu),以此來(lái)避免水流對(duì)護(hù)坡基底的沖擊,保證護(hù)坡的穩(wěn)定性[10-11]。
4.2 在水利工程中的應(yīng)用
土工布通常不是單獨(dú)使用,在堤坡護(hù)砌、河底護(hù)砌中都是覆蓋在塊石或混凝土預(yù)制板下面,從而構(gòu)成穩(wěn)定的防護(hù)體。土工布完全可以取代由常規(guī)的砂石料所組成的反濾層,起到防止土壤顆粒滲透的反濾作用。
在水利工程中常將土工布設(shè)置在兩種不同的土(材料)之間予以隔開(kāi),以免相互混雜失去各種材料和結(jié)構(gòu)的完整性,或發(fā)生土粒流失現(xiàn)象。水壩、灌溉渠道和水池的迎水側(cè)鋪設(shè)防滲復(fù)合土工膜,可以防止水和有毒廢物的滲漏。由于土工布具有較高的抗拉強(qiáng)度,又有較好的柔性,當(dāng)它以適當(dāng)?shù)姆绞戒佋O(shè)在土中時(shí),可以約束土的拉伸應(yīng)變,減少土的變形,從而增加土的模量及穩(wěn)定性[12-13]。
4.3 在防滲工程中的應(yīng)用
防滲工程主要應(yīng)用在污水處理廠、粉煤灰堆場(chǎng)、尾礦庫(kù)堆場(chǎng)、礦山堆浸場(chǎng)、垃圾填埋場(chǎng)、污染物儲(chǔ)存池、環(huán)保及水工結(jié)構(gòu)防滲、建筑防滲領(lǐng)域以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等。
在這些廢物池中,長(zhǎng)時(shí)間堆放擠壓,會(huì)產(chǎn)生有害氣體和液體且向地下滲漏,導(dǎo)致地下水和土壤受到污染。為此,在建造廢物池時(shí),一般會(huì)使用防滲復(fù)合土工膜,不但能夠有效地防止有毒氣體和液體的滲漏,還能夠降低工程造價(jià)[14-16]。
4.4 在舊路修復(fù)和公路路基防護(hù)中的應(yīng)用在舊路修復(fù)中,土工布用于路面底層,取代應(yīng)力消減層和封閉層,可以控制和防止裂縫的發(fā)展,并防止地
表水進(jìn)入,對(duì)地面起到加筋作用[17-18]。在公路路基防護(hù)中,將土工布設(shè)在路堤的底部,可以起到隔離作用,防止水土流失;具有良好的滲透性和較好的排水效果,在載荷的作用或泵的抽吸作用下,水可排出,同時(shí)還可以進(jìn)一步壓實(shí)土體。土工布可以把作用在其上面的力均勻地傳遞給路基,起到加筋的作用,從而避免了局部破壞[19-20]。
4.5 在軟基加固工程中的應(yīng)用
由于軟土地基中含水量較高,土質(zhì)松軟,地基的承載能力較低,施工過(guò)程中易導(dǎo)致建筑物沉陷或變形,因此施工時(shí)常將土工布鋪放在軟土基上,以解決施工中遇到的各種問(wèn)題[21-23]。
5 結(jié)語(yǔ)
近年來(lái),我國(guó)在土工布產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、推廣方面已取得一定的成績(jī),有了較快的發(fā)展。但與世界上先進(jìn)國(guó)家相比,在產(chǎn)品的品種、數(shù)量、質(zhì)量及應(yīng)用的廣度和深度等方面都存在著較大的差距。目前,國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)土工布的應(yīng)用推廣工作十分重視,土工布標(biāo)準(zhǔn)正在加緊制定,相關(guān)政策法規(guī)也在醞釀出臺(tái),相信土工布將在我國(guó)大江大河的堤壩修筑和公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)建設(shè),以及環(huán)保工程中發(fā)揮重要作用,其發(fā)展將上一個(gè)新臺(tái)階。
專(zhuān)業(yè)土工合成材料生產(chǎn)廠家
