- 土工布的生產技術和性能要求
- 2017/4/17 閱讀次數：[7984]
[內容提要] 土工布是用產業紡織品中重要的一部分，主要用于與泥土、巖石和水相關連的巖土工程中。文章主要討論了土工布應用的原料、土工布的生產技術以及土工布應具備的各種性能。
[關鍵詞] 土工布 生產技術 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、有色金屬尾礦處理、環保工程、水土保持等方面。
目前中國有土工布生產能力的企業已有上百家，總生產能力超過10萬t。隨著我國對基礎工業發展的重視和政府對推廣應用土工合成材料的大力提倡，今后土工合成材料的發展將會加快。據預測，2005年我國土工布的使用量可能達到5萬t，2010年將達10萬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境中所需的物理化學性能，而且要注意產品成本。在性能方面主要考慮以下幾方面：
1.1 良好的物理機械性能
土工布的工作環境惡劣，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機械性能。
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，因此要具有相應的耐紫外線性能；土工布要適應與瀝青等材料接觸時的溫度，要求熔點較高。
1.3 耐化學藥品、耐腐蝕、耐霉變
水和土質很不相同，有的呈堿性，有的呈酸性，有的含鹽份多，有的含各種元素，因此必須具有化學穩定性。
1.4 良好的透水性
土工布過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 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，我國還有采用維綸的。
聚丙烯原料用得 多，價格固然是一個重要因素，但主要是丙綸有優良的耐酸耐堿性、耐腐蝕、耐霉變，不受細菌侵蝕；且有較好的芯吸效應，對水的滲透性能好。其機械性能亦十分優良，尤其是近年來國內已開發出高強丙綸長絲，強度達到8g/D，制作高強度的丙綸機織土工布及袋布都很適合。
丙綸的缺點是抗紫外線性能差，特別對UVB波段的紫外線很敏感，試驗表明，春夏季隔玻璃在光照下6個月，其強度即降為0，而滌綸仍能保持78%，尼龍為73%，因此丙綸在抽絲前必須經防老化處理，在使用和運輸中必須盡量避免在日光下暴曬。另外，丙綸的熔點較低(在135℃左右)，因此在與瀝青等密封材料及鋪地材料結合時受到一定限制。
滌綸機械物理性能好，熔點比丙綸高，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，但長期與堿性物質如石灰、水泥、混凝土、堿性土壤接觸，強力會受損失，其抗水解性能亦較差，在使用時應予以注意。
尼龍和維綸耐堿性好，但耐酸性差。聚酰胺長絲在pH為 4，25℃緩沖溶液中經11個月，強度只剩至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，當前非織造土工布占全部土工布的比例已達到70%左右，織造土工布約占30%。在美國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1992年曾對土工布市場作過分析(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，三者總和占美國土工布總量的95.7%。當然目前結構已有很大變化。
我國還沒有確切的統計數字，但大體上占主導的是短纖針刺土工布和丙綸扁絲織造土工布，二者所占份額達到85%-90%。紡粘長絲針刺土工布1998年實際產量不會超過1 500萬m2，約3 000t，占10%左右，單絲及復絲長絲織造土工布數量不多。
2.2 關于織造土工布
織造土工布包括以單絲、復絲、切膜絲、膜裂絲為原料的土工布。
織造土工布的主要特點是：
-- 抗拉強力及初始模量大、斷裂伸長及蠕變小。圖3是織造土工布和非織造土工布負荷－伸長曲線的比較。
-- 依靠經緯紗互相擠壓保持結構穩定。
-- 水力學性能看，織造土工布為平面過濾，孔隙尺寸大， 小為0.05-0.08mm，作反濾時，小砂礫易流失。扁絲織造布還容易淤堵。但單絲織物不易發生淤堵，適于作無粘性土的濾層。
-- 厚度小，水平排水能力差，不宜用作排水材料。
-- 彈性伸長小，與硬質材料接觸易刺破、頂破，影響反濾功能。
-- 生產工藝復雜，產量低，成本高。
總起來說，織造土工布特別適合增強、加固和隔離之用，對控制侵蝕，進行護底及其它防護的工程，有時必須用強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 長絲(噴絲板法)和扁絲(薄膜法)的差別
薄膜纖維固定資產投資小、技術難度相對較低，而且扁絲強度也是以滿足一般水土工程的需要為主，因此無論國內和國外，薄膜絲在土工布方面的用量較長絲要多得多。長絲只是在一些要求較高的織造土工布上應用。
2.2.2 平織機和圓織機的差別
目前，我國用切膜絲和膜裂絲生產的土工布，有的用平織機生產，有的用圓織機生產，圓織機有4梭、6梭、8梭， 寬的幅寬達4m以上。但需用刀割開，然后用熱熔等方法予以固定。這樣生產出的土工布在質量上與平織機生產的有差距。
由于圓織機無打緯機構，當緯紗進入梭口時沒有強制打緯，因此緯紗的密度較低，僅為一般平織機織出土工布的60%-70%，因此強度自然受影響。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。
目前國內使用 多的圓織機引緯機構與平織機有根本不同，平織機靠投梭機構或劍桿、噴氣、片梭、噴水等引緯機構。而圓織機只靠紗片下的傳動機構通過下層紗片摩擦傳動梭口中的梭子，由于傳動機構必須把紗片嵌入傳動梭子，因此紗層強度受損嚴重，一般在10%以上。
由此可見，圓織機作為加工袋形織物是合適的，但用以加工土工織物，質量必然受限制。
2.3 短纖維針刺土工布
短纖維針刺土工布是目前應用 廣泛的非織造土工布之一。纖維經過開松混合、梳理(或氣流)成網、鋪網、牽伸及針刺固結末尾形成成品，針刺形成的纏結強度足以滿足鋪放時的抗張應力，不會造成撕破、頂破。由于其厚度較大、結構蓬松，且纖維通道呈三維結構，過濾效率高，排水性能好。其滲透系數達10-1-10-2，與沙粒濾料的滲透系數相當，但鋪起來更方便，價格也不貴，因此用作反濾和排水 為合適。還具有一定增強和隔離功能，也可以和其它土工合成材料復合，具防護等多種功能。
由于非織造土工布具反濾和排水的特點，因此在水力學性能方面要特別予以重視，一是有效孔徑；二是滲透系數。要利用非織造布多孔的性質，使孔隙分布有利于截留細小顆粒泥土又不致于淤堵，這必須結合工程的具體要求，予以滿足。
短纖針刺土工布加工技術具有以下幾個特點：
-- 適應性強，比較機動靈活：同一加工設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。改變纖維的規格也比較容易。
-- 技術容易掌握：設備與傳統紡紗設備相似，調整工藝和設備都比較有基礎，對工程上提出的要求，如強度、縱橫向強度比、各項水力學性能等都容易通過工藝調整得到滿足。
-- 國內具有一定機械制造基礎：市場上已有國產寬幅設備供應，應用效果較好，且價格低廉。
2.4 長絲紡粘非織造土工布
長絲紡粘技術是非織造布中發展 為迅速的一種工藝，在土工布領域這種工藝也以很快的速度發展。紡粘土工布具有一系列的優點：
-- 各項力學性能十分優異。國內一些試驗表明，抗張強度是同克重短纖針刺非織造土工布的1.5-1.9倍。國外的一些資料則表明其相差倍數還要大。撕破、頂破等強度、蠕變性能亦明顯優于短纖針刺土工布。
-- 水力學性能大體和短纖針刺土工布相當，滲透系數與短纖針刺土工布同一數量級。只要使用得當，一段時間后滲透系數大體能達到穩定，土粒不再隨水流流失。
-- 紡絲速度高，單機產量遠高于短纖針刺設備。
-- 當前存在的主要問題是，尚無國產紡粘土工布設備供應， 設備價格又貴，因而造成紡粘土工比短纖針刺土工布更貴。雖國產厚型的滌綸紡粘設備已基本過關，但在技術上與國外新穎的紡粘設備有差距。
除以上3類目前國際上占有份額 多的土工布外，針織經編土工布盡管用量不大，但近年來發展很快，具有很強的生命力，另外熱粘合非織造土工布、化學粘合非織造土工布在國外也有一定數量，我們應充分予以關注。
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 土工布的物理機械性能
土工布的物理性能包括單位面積質量、厚度、比重、撓曲性等。單位面積質量是土工布的一個基本性能，它影響其它很多指標；厚度是在承受一定壓力下測試的(2×104Pa)，厚度影響水流沿平面流動的性能；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；絕大多數土工布都很容易撓曲，卷成卷狀運輸方便。
土工布的機械性能包括抗拉強度、接合強度、抗撕裂強度、頂破強度、刺破強度、抗壓縮性能等。
抗拉強度是土工布的一個基本性能，無論在鋪設或在起增強作用時，土工布必須具有抗拉強度。其它各項強度也都是在現場實際受力時必須具有的性能，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 土工布是高拉伸強度材料，而泥土是低拉伸強度材料。土壤與土工合成材料結合后可提高承受負載的能力。其強度提高的程度既取決于鋪放土工合成材料的強度，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)可改變土中的應力分布，約束土體的側向變形，從而提高結構的穩定性。據資料介紹，土工布發揮增強作用時有3種不同的形式：(1)膜片型：發生在土體表面鋪設土工布，作臨時道路時；(2)剪切型：發生在土體受力，土工布與土體界面間產生直接剪切作用時；(3)錨固型：土工布包住土體，受力后對土工布產生拉拔作用時。其關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，對土工布的性能必須模擬實際情況(采用工程中的實際土壤)作直接剪切和拉拔試驗，以確定摩擦和咬合情況。一般用于以增強作用為主的工程可使用機織土工布、土工格柵、土工帶等。
3.2.2 土工布的水力學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。
土工布的有效孔徑(EOS)或表觀孔徑(AOS)表示能有效通過的 顆粒直徑。目前具體試驗方法有2種：干篩法(GB/T 14799－1993)和濕篩法(GB/T 17634－1998)。干篩法相對較簡便但振篩時易產生靜電，顆粒容易集結。濕篩法是根據ISO標準新制訂的，在理論上可消除靜電的影響，但因噴水后產生表面張力，集結現象并不能完全消除。2個標準的顆粒準備也不一樣，干法標準制備是分檔顆粒(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，當某一粒徑的篩余率等于總量的90%或95%時，該粒徑即為該土工布的表觀孔徑或有效孔徑，相應用O90或O95表示。至于濕法則采用混合顆粒(按一定的分布)經篩分后再測粒徑，并求出有效孔徑。目前國內應用的仍以干法為主。
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(垂直滲透系數及透水率)及沿織物平面排水的特性(平面滲透系數及導水率)，這些試驗都已納入 標準。為了滿足工程的需要，有時可將國標中的標準測試與現場泥土結合起來作專門的試驗。
土工布的水力學指標在實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：防止材料被細土粒堵塞失效。
這被稱為反濾三準則，都與上述土工布的水力學性能密切相關。
3.3 土工布的耐用性能
土工布的耐久性包括多個方面，主要是抗紫外線輻射、溫度變化、化學與生物侵蝕、水解影響、凍融變化、機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鍵。土工布產生蠕變，其厚度會逐漸變薄，各項指標都會變壞。
織造土工布蠕變一般優于非織造土工布，長絲針刺又優于短纖維針刺土工布。這說明在用于增強目的時，織造土工布具有一定的優越性。但是非織造土工布在側限狀態下要比非側限狀態好。
蠕變受聚合物種類影響。將滌綸、丙綸、錦綸進行比較。滌綸的蠕變值 小，錦綸次之，丙綸 。其影響之大超過因結構不同而產生的影響。
溫度對蠕變性能也有影響，應變超過一定值時，溫度愈高，蠕變量明顯增大。
因此在實際應用中，應考慮聚合物蠕變的特性，在設計時應采用一定的安全系數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 主要因素，紫外光特別是UVB的能量能引起高分子化學鍵斷裂(聚丙烯對紫外線 敏感的波長是300-310μm)，聚酯則相對好一些。
溫度可直接影響聚合物裂解，溫度也可和其它因素結合在一起引起聚合物降解。已有文獻闡明：土工布強度的變化，與季節氣候有很大關系。秋冬季節氣溫低、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，促使降解反應加快，一般丙綸在紫外線作用下半年后，其剩余強度為0。
但是只要土工布表面加以覆蓋，避免紫外線直接照射，則其強度和延伸度的變化 甚微，有關試驗表明，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 主要因素，而水份、溫度和紫外線結合將進一步促進老化。滌綸土工布抗老化性能好于丙綸織物，但當紫外線和水份聯合作用時，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。-
上一張：環境工程中土工合成材料的應用
