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土工布類型及生產(chǎn)工藝
土工合成材料作為一種新型的巖土工程材料，可以天然或人工合成聚合物（塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成各種類型的產(chǎn)品，置于土體內(nèi)部、表面或各層土體之間，發(fā)揮加強(qiáng)（加固）或保護(hù)土體的作用。目前，土工布己經(jīng)廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利、電力、建筑、海港、采礦、軍工、環(huán)保等工程的各個(gè)領(lǐng)域。土工合成材料的主要品種有土工織物、土工格柵、土工網(wǎng)、土工膜、土工格室、土工復(fù)合材料、土工合成材料膨潤土墊(GCL)、土工管、土工泡沫等。
1.1土工布類型
土工織物是以聚合物纖維為原料通過熱壓針刺、膠結(jié)、編織而成的透水性土工合成材料，又稱土工布，包括織造、非織造等幾種類型?？椩煨屯凉げ及ň幙?平織法、圓織法)、機(jī)織（平紋法、斜紋法)、針織(經(jīng)編法、縫編法）等生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品。非織造型土工布包括機(jī)械加固（針刺法、水刺法）、化學(xué)粘合(噴膠法、浸漬法）、熱粘合（熱軋法、熱空氣法）等生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品。工程應(yīng)用上可單獨(dú)使用土工布，也可與土工格柵、土工膜、土工網(wǎng)等其他土工合成材料復(fù)合后使用。
織造型土工布出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高、造價(jià)高，反濾、排水功能差，在工程應(yīng)用中具有局限性。非織造型土工布開始于20世紀(jì)6O年代末期，我國在8O年代初期開始應(yīng)用該材料于工程實(shí)體中。中國的非織造布工業(yè)雖然起步較晚，但是發(fā)展速度很快，高性能的原料賦予產(chǎn)品高的強(qiáng)力與耐用性，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝賦予產(chǎn)品良好的功能，使其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。特別是近30年來，隨著針刺非織造、紡粘非織造工藝的推廣，使非織造型土工布應(yīng)用領(lǐng)城較織造型土工布更為廣泛，得到快速發(fā)展，我國已發(fā)展成為世界非織造布生產(chǎn)大國，并逐步邁向生產(chǎn)強(qiáng)國。
1.2土工布原料
目前土工布原料主要以合成纖維為主。各種合成纖維的選用需結(jié)合工程實(shí)際情況，既要考慮所使用領(lǐng)域?qū)ζ湮锢砘瘜W(xué)性能的要求，又要考慮產(chǎn)品成本，其中應(yīng)用最普遍的是聚酯纖維和聚丙烯纖維，其次是聚酰胺纖維和聚乙烯醇縮醛纖維。聚酯纖維物理機(jī)械性能良好，具有優(yōu)良的韌度和蠕變特性，熔點(diǎn)高、耐高溫、耐老化，生產(chǎn)工藝成熟、市場占有率高。缺點(diǎn)是疏水性差、用于保溫材料時(shí)容易積存冷凝水，低溫下性能差、易玻璃化、強(qiáng)度降低，對(duì)酸、堿的耐抗性較差。聚丙烯纖維彈性好、瞬間彈性恢復(fù)優(yōu)于聚酯纖維,耐酸堿性、耐磨性、耐霉變、耐低溫性能優(yōu)良﹔具有很好的疏水性和芯吸性能，能使水分沿纖維軸向傳遞到外層表面,密度小、僅為聚酯纖維的66%，經(jīng)多次牽伸可以得到結(jié)構(gòu)緊密、性能優(yōu)越的細(xì)旦纖維，再配合加固過程可使其強(qiáng)度更加優(yōu)越。缺點(diǎn)是不耐高溫、軟化點(diǎn)為130~ 160 ℃，耐北性差、在日光下易于老化分解，但可以通過添加紫外線吸收劑等助劑使其具備抗紫外線性能。
非織造土工布的原料除采用以上纖維外，還可采用黃麻纖維、聚て烯纖維、聚乳酸(PLA)纖維等。天然纖維和特種纖維已逐步進(jìn)入土工布各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)城，如天然纖維（黃麻、椰子殼纖維、竹漿纖維等）在路基、排水、護(hù)岸、控制土壤侵蝕等領(lǐng)域都有應(yīng)用。隨著新材料的不斷開發(fā)，非織造土工布原料的選用范圍不斷擴(kuò)展，加之生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的功能型土工布展露市場，顯示出土工布發(fā)展的瑾勃生機(jī)。
1.3非織造型土工布生產(chǎn)工藝
相對(duì)于織造土工布，非織造土工布生產(chǎn)工序較少，生產(chǎn)效率較高、生產(chǎn)成本低，同時(shí)能制成較寬幅制品，因此近年來非織造土工布發(fā)展迅速。按成網(wǎng)方法的不同，常見的非織造型土工布生產(chǎn)工藝包括長絲紡粘針刺技術(shù)和短纖針刺技術(shù)。
長絲紡粘針刺技術(shù)是將聚合物加熱熔融，紡成連續(xù)的長絲束，經(jīng)氣流牽伸，賦予纖維強(qiáng)力，不規(guī)則地鋪放在傳送帶上形成纖網(wǎng)，當(dāng)長絲束還未完金凝固時(shí)，用針刺法加固后一步法成形的非織造技術(shù)。這種技術(shù)工藝流程短、產(chǎn)量高，生產(chǎn)出的土工布在同等規(guī)格條件下抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、斷裂伸長以及縱橫向比等性能均比短纖維針剌土工布優(yōu)越得多，適用于增強(qiáng)和加固等工程應(yīng)用。但紡粘針刺工藝設(shè)備投資大，成網(wǎng)均勻度、產(chǎn)品變換的靈活性差，不適合小批量、多品種的生產(chǎn)。
短纖針刺技術(shù)是通過聚合物加熱熔融、紡絲、牽伸、卷曲定形、切斷、打包制成短纖維材料，以及短纖維開清、梳理、鋪網(wǎng)、針刺因結(jié)成布兩步法成形的非織遣技術(shù)，該產(chǎn)品厚度大、密度高、結(jié)構(gòu)蓬松，吸水和透水性能好，抗形變能力強(qiáng)，尤其適合做反過濾材料。針刺法非織造布工藝流程短，運(yùn)用原料品種多，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，一次性投資少，因此以短纖針刺加工的土工布是我國目前用量最大的非織造土工布。
2土工布主要功能
土工布的用途多種多樣，其主要功能包括過德.排水、隔離、加筋、防護(hù)和防滲等。
2.1過濾作用
由于土工布具有良好的遺水、透氣性，,將其置于土體結(jié)構(gòu)中可允許土體內(nèi)部的液體通過并排出，同時(shí)起到保土作用，能有效阻止上游土顆粒、細(xì)砂及小石料的流失，防止土體破壞，保持工程的安全穩(wěn)定。如用土工布阻止土粒遷移摻人排水骨料或排水管，同時(shí)保持排水系統(tǒng)正常工作，在海岸和河岸的拋石防護(hù)層和其它護(hù)岸材料下面鋪設(shè)土工布，能阻止土壤的沖蝕，防止河岸塌陷等。
2.2排水作用
土工布作為- -種良好的導(dǎo)水材料，材料本身做為排水通道，可將土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分匯集在土工布內(nèi)，沿著材料緩慢地排出土體。目前已廣泛用于土石壩排水。地下排水、路基、擋土墻及軟土地基排水等工程。如鋪設(shè)于路堤底部墊層中的土工布可作為排水通道排除地下水，也可作為加筋材料提高路堤穩(wěn)定性。
2.3隔離作用
隔離作用是指土工布能夠把兩種具有不同性質(zhì)的材料隔離開來，以免相互混雜而失去各種材料的整體性和結(jié)構(gòu)完整性。如鋪設(shè)于普通鐵路道砟與路基之間的土工布可有效隔離碎石道碴與土路基。
2.4加筋作用
土工布置于土體內(nèi)部作為加筋材料，或土工布與土相結(jié)合形成-一個(gè)復(fù)合體，加筋復(fù)合土體與未加筋土體相比，其強(qiáng)度及變形性能都得到明顯的改善。如用土工布加筋可提高土體的抗拉強(qiáng)度，從而能夠建遭加筋土隨邊坡或加筋土擋墻;加筋墊層中的土工布可提高路堤的穩(wěn)定性等。
2.5防滲作用
將土工布和土工膜等復(fù)合后具有較低的遺水(氣)性，可阻止液體或氣體流動(dòng)和擴(kuò)散，發(fā)揮防滲作用或包容作用。如水庫防滲、土石壩防滲以及垃圾填埋場防滲等。
2.6防護(hù)作用
通過設(shè)置土工布防護(hù)措施，可減少由降雨沖擊和地表水徑流造成的土壤流失。如將土工布與土工網(wǎng)復(fù)合后鋪在邊坡裸露土體的表面，可以有效地避免或減輕降水和地表經(jīng)流的侵蝕;用土工布制成的泥沙柵欄能夠謔掉渾獨(dú)徑流中的懸浮泥土顆粒等。
2.7其他
除此以外，土工布還能發(fā)揮其它方面的作用。如土工布織袋包裹碎石樁可有效提高碎石柱的強(qiáng)度、減小樁體側(cè)向位移。土工布也可用作混凝土模袋和沙袋。用土工布制成的圓柱形土工管袋可以采用水力充填方式構(gòu)成海岸線堤防等。
3土工布應(yīng)用現(xiàn)狀分析
隨著社會(huì)發(fā)展、應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和使用功能需要的提高，非織遣土工布在應(yīng)用過程中會(huì)遇到各種使用環(huán)境，進(jìn)而對(duì)土工布的性能要求也越來越高。
3.1防滲工程
在垃圾填埋場、污染物儲(chǔ)存池、污水處理廠、環(huán)保及水工結(jié)構(gòu)防滲等領(lǐng)城，土工布與土工膜復(fù)合后可實(shí)現(xiàn)其防滲功能。但由于垃圾填埋場垃圾成分較為復(fù)雜，同一垃圾填壇場不同區(qū)城垃圾摻瀝液的酸堿性也不盡相同，復(fù)雜的酸堿性條件對(duì)土工布的耐酸堿性能提出了嚴(yán)格要求?；诠こ痰拈L期性考慮，要求土工布具有耐環(huán)境溫度、抗腐蝕、高強(qiáng)度、耐酸堿性能好。耐久性好等
特點(diǎn)。
3.2高鐵無砟軌道滑動(dòng)層
為了阻斷橋梁因溫度變化而產(chǎn)生的伸縮變形對(duì)縱連軌道結(jié)構(gòu)的影響、減小軌道系統(tǒng)與橋梁間的相互作用,確保軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和平順，我國鐵路客運(yùn)專線對(duì)橋上CRTS I型板式無砟軌道系統(tǒng)的重要組成部分一-“兩布一膜”滑動(dòng)層，即2層土工布中間夾1層土工膜(400g .布+ 1.0 HDPE膜+ 200g布)的下層土工布以及CRTS m型板式無砟軌道隔離層土工布提出了嚴(yán)格要求。通過膠粘劑將該層土工布粘在梁面防水層或梁面上時(shí)，由于底座混凝土板呈堿性，土工布應(yīng)具有優(yōu)良的耐酸堿性、耐腐蝕耐霉變性和耐磨性。
3.3粉煤灰堆場工程
粉煤灰是電廠的廢棄物，長期堆放時(shí)需要進(jìn)行隔離處置。粉煤灰遇水后pH值會(huì)瞬時(shí)增加，且隨著時(shí)間的延長pH值繼續(xù)增長，最大可達(dá)12以上， 量強(qiáng)堿性，因此粉煤灰堆場對(duì)土工布的耐久性要求非常嚴(yán)格。
3.4尾礦庫堆場工程
為了提高尾礦庫壩體的穩(wěn)定性并減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，需對(duì)尾礦庫堆場進(jìn)行防滲和加筋防護(hù)處理，而金、鉛、銅、氧化鋁、秉。鎘、鉻和鉬等金屬尾礦庫的滲瀝波基本量堿性，甚至量強(qiáng)堿性，土工布及復(fù)合土工布的耐酸堿性需滿足耐久性要求。
3.5礦山堆浸場工程
中國礦產(chǎn)資源總量豐富，但具有品位低、礦石復(fù)雜難處理等特點(diǎn)，堆浸采可技術(shù)是我國礦冶界應(yīng)用最廣泛的采礦技術(shù)，但選礦廠浸出液滲漏后會(huì)對(duì)地下水及土壤造成污染，破壞環(huán)境。為了有效地阻止呈酸堿性的浸出液滲漏，選用的土工布必須具有良好的耐酸堿性。
3.6生態(tài)袋邊坡防護(hù)工程
生態(tài)袋是由以聚丙烯為原料制成的高強(qiáng)度、平面穩(wěn)定的針刺非織造土工布加工而成的袋子。生態(tài)袋具有很強(qiáng)的耐腐蝕性、抗紫外線性能，不降解，可以抵抗蟲害的侵蝕，且抗老化、抗酸堿鹽侵蝕及微生物分解。其透水不透土的功能既能防止袋內(nèi)填充物(土壤及營養(yǎng)材料混合物)流失，又能實(shí)現(xiàn)水分在土壤中的正常交流，植物生長所需的水分可得到有效的保持和及時(shí)的補(bǔ)充，植物能通過袋體自由生長，根系進(jìn)人工程基礎(chǔ)土壤中，形成袋體與土體坡面間的再次穩(wěn)固作用，是公路鐵路邊坡綠化防護(hù)、荒山礦山修復(fù)、河岸護(hù)坡和內(nèi)河整治中重要的施工方法之一。綜上所述，生態(tài)袋也應(yīng)具備良好的耐酸堿性能。
由于目前常見的聚酯土工布耐酸堿性能較差，在堿性環(huán)境中強(qiáng)度和延伸率會(huì)下降，影響其使用性能和耐久性。而高強(qiáng)聚丙烯長絲紡粘針剌土工布由于強(qiáng)度高、延伸率低、抗形變能力強(qiáng)，密度小。施工簡便，耐腐蝕性優(yōu)異、適用于各種酸堿環(huán)境，不吸水，透水。導(dǎo)水性能良好等特點(diǎn)，已成為土工布行業(yè)的重要發(fā)展方向。
4土工布行業(yè)發(fā)展建議
依據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006 -2020年)》.科技部啟動(dòng)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”重點(diǎn)專項(xiàng)，提出進(jìn)行土工材料在應(yīng)用環(huán)境條件下的服役行為與失效機(jī)理研究以及高強(qiáng)度、耐老化土工材料研制等系列研究工作。
該專項(xiàng)的目的是以提升大宗基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新能力和整體競爭力為出發(fā)點(diǎn)，以國家重大工程和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為牽引，著力解決重點(diǎn)基礎(chǔ)材料戶業(yè)面臨的產(chǎn)品同質(zhì)化、低值化，環(huán)境負(fù)荷重等重大共性問題，推進(jìn)基礎(chǔ)性原材料重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。通過基礎(chǔ)材料的設(shè)計(jì)開發(fā)、制造流程及工藝優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)和國戶化裝備的重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)基礎(chǔ)材料產(chǎn)品的高性能和高附加值，提升我國基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)整體競爭力，滿足我國高端制造業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的急需，為我國參與全球新- -輪產(chǎn)業(yè)變革與競爭提供支撐，實(shí)現(xiàn)我國材料產(chǎn)業(yè)由大變強(qiáng)、材料技術(shù)由跟跑型為主向并行和領(lǐng)跑型轉(zhuǎn)變。
從土工布生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量來看，我國聚酯土工布已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。但作為行業(yè)主要發(fā)展方向的高強(qiáng)度、耐老化士工布的生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品在我國尚未取得重大突破。在歐美發(fā)達(dá)國家，高強(qiáng)聚丙烯長絲紡粘針剌土工布已占土工布行業(yè)產(chǎn)量的30% ~ 40%，有
的國家甚至達(dá)到了50%，國外生產(chǎn)聚丙烯紡粘針剌土工布的知名企業(yè)有位于馬來西亞、隸屬于荷蘭TENCATE公司的POLYFeLT公司等。相比看來，我國高強(qiáng)聚丙烯長絲紡粘針剌土工布已落后于發(fā)達(dá)國家。
近年來，天鼎豐非織造布有限公司與意大利的FARE(法瑞)公司合作，成功研發(fā)了高強(qiáng)粗且聚丙烯紡粘針刺非織造土工布生產(chǎn)技術(shù)，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，其技木指標(biāo)達(dá)到并超過POLYFELT公司產(chǎn)品指標(biāo)，改變了國外壟斷該技術(shù)以及國內(nèi)長絲布幾乎全部是PET長絲布的現(xiàn)狀，結(jié)束了我國工程應(yīng)用中長期依賴進(jìn)口國外聚丙烯紡粘針剌土工布的歷史?？梢灶A(yù)測，未來土工布市場仍將快速增長，聚丙烯非織造土工布勢(shì)必將成為我國土工布行業(yè)發(fā)展的潮流方向之一。