土工布是應用于土木工程中的紡織品,已經(jīng)成功替代了以往應用于各種增強領域的金屬條,克服土壤對張力的弱點。土工織物在增強領域中的普遍使用不僅是由于它們的低剛度性能,使得它們在變形性方面與土壤相容,而且它們可以增加土壤的剪切強度和延展性[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)等領域中推廣應用,具有排水、過濾、隔離、加固、保護、防滲、
防漏等作用,并同木材、鋼材、水泥一起統(tǒng)稱為四大建筑材料[2]。1926 年,土工布被荷蘭首次應用在巖土工程領域;20 世紀50 年代末,美國首次在海灘護岸工程領域中使用土工織物,用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂石濾料;20世紀80 年代初,土工布才開始在我國的鐵路、水利部門中應用。
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、合成土工布和復合土工布4 類[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]。在我國紡黏長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力高,熔點高,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足工程要求。近幾年聚丙烯紡黏長絲土工布逐漸進入國內(nèi)市場,比如天鼎豐非織造布有限公司開發(fā)的高強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用最為廣泛。且短纖針刺土工布質地松軟,結構蓬松,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,但其強力較差,抗撕裂性差;黏合法非織造土工布由于黏合點不能產(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用很少。
我國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,某些天然纖維、可生物降解纖維和無機纖維逐漸在國內(nèi)外重慶土工布所用原料中采用。已有相關研究表明某些天然纖維可應用于路基、排水、護岸、控制土壤侵蝕等領域[6-7],比如黃麻、紅麻、椰子殼纖維、竹漿纖維等。Rawal A[8]等對黃麻與滌綸非織造土工布的結構進行分析,結果表明:前者的各向異性較小且織物緊密。DS TechnicalNonwove 公司開發(fā)了一種用于保護植被的聚乳酸土工布,該產(chǎn)品的優(yōu)點是可生物降解[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,然后喂入擠壓機紡成連續(xù)的長絲束,并且不規(guī)則地鋪放在傳送帶上形成纖網(wǎng),在長絲還未完全凝固時,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。這種方法工藝簡單,產(chǎn)量高,成本低,價格便宜。由于是將長絲鋪設成網(wǎng),因此這類非織造布的強力高、伸長率好,不易被頂破、撕裂。目前市場上應用最廣的紡黏長絲土工布是聚酯長絲紡黏針刺土工布,其纖維排列成三維結構。除了具有良好的力學性能外,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、耐老化等化學穩(wěn)定性能。同時,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,因此聚丙烯長絲針刺土工布也逐漸出現(xiàn)在市場上,產(chǎn)品性能不斷完善。
2.2 短纖針刺工藝
纖維經(jīng)過開松混合、梳理(或氣流)成網(wǎng)、鋪網(wǎng)、牽伸及針刺固結后形成成品,針刺形成的纏結強度足以滿足鋪放時的抗張應力,不會造成撕裂和頂破。其特點是厚度大、密度高、結構蓬松,吸水和透水性能好,抗形變能力強,其滲透系數(shù)與沙粒濾料相當,但鋪起來更方便,價格較實惠,因此用作反濾材料尤為合適。此外,還具有一定的增強和隔離功能,也可以和其他土工合成材料復合,具有防護等多種功能。由于非織造土工布具有反濾和排水的特點,因此在水力學性能方面要特別予以重視,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 種熔點不同的合成纖維,經(jīng)開松、梳理、混合、鋪網(wǎng),通過一對加熱軋輥,使纖網(wǎng)的表層或網(wǎng)中的低熔點纖維熔融,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)過熱軋輥來達到纖維間的結合。熱熔黏合法的關鍵在于熱風烘燥,由于熱風穿透纖維網(wǎng),使纖維熔融并相互黏結在一起而形成絮片狀材料。熱黏合非織造布可以通過不同的加熱方法來實現(xiàn)。黏合方式、纖網(wǎng)種類、梳理工
藝和纖網(wǎng)結構都將影響到最終產(chǎn)品的性能和外觀質量。對于低熔點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,熱黏合工藝對非織造布的性能有重要影響,決定著產(chǎn)品的最終質量。
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功能、隔離功能、過濾功能、排水功能、反濾功能和防滲功能。
3.1 加強功能
非織造土工布的加強功能是利用土工布的拉伸性能改善土壤層的機械性能,限制土工工程在長時間使用過程中發(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行性能;二是阻止濾層的污染和腐蝕,保證工程質量,加快工程進度。
3.3 過濾功能
非織造土工織物具有良好的透水、透氣性,發(fā)揮過濾作用時起著類似過濾器的功效,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水材料,織物本身形成排水通道,將土體結構內(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的同時,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。
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、耐久、無污染。
4 非織造土工布的應用
4.1 在巖土工程中的應用
土工布與塊石或混凝土板組成的濾層護坡結構或者與混凝土組成模袋護坡結構,應用在堤岸的坡面上,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。土工布在坡岸護腳工程中的應用主要是以土工布軟體排及土工布土袋結構形式。作為防沖護底的結構,以此來避免水流對護坡基底的沖擊,保證護坡的穩(wěn)定性[10-11]。
4.2 在水利工程中的應用
土工布通常不是單獨使用,在堤坡護砌、河底護砌中都是覆蓋在塊石或混凝土預制板下面,從而構成穩(wěn)定的防護體。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置在兩種不同的土(材料)之間予以隔開,以免相互混雜失去各種材料和結構的完整性,或發(fā)生土粒流失現(xiàn)象。水壩、灌溉渠道和水池的迎水側鋪設防滲復合土工膜,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度,又有較好的柔性,當它以適當?shù)姆绞戒佋O在土中時,可以約束土的拉伸應變,減少土的變形,從而增加土的模量及穩(wěn)定性[12-13]。
4.3 在防滲工程中的應用
防滲工程主要應用在污水處理廠、粉煤灰堆場、尾礦庫堆場、礦山堆浸場、垃圾填埋場、污染物儲存池、環(huán)保及水工結構防滲、建筑防滲領域以及農(nóng)業(yè)領域等。
在這些廢物池中,長時間堆放擠壓,會產(chǎn)生有害氣體和液體且向地下滲漏,導致地下水和土壤受到污染。為此,在建造廢物池時,一般會使用防滲復合土工膜,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[14-16]。
4.4 在舊路修復和公路路基防護中的應用在舊路修復中,土工布用于路面底層,取代應力消減層和封閉層,可以控制和防止裂縫的發(fā)展,并防止地
表水進入,對地面起到加筋作用[17-18]。在公路路基防護中,將土工布設在路堤的底部,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,同時還可以進一步壓實土體。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用
由于軟土地基中含水量較高,土質松軟,地基的承載能力較低,施工過程中易導致建筑物沉陷或變形,因此施工時常將土工布鋪放在軟土基上,以解決施工中遇到的各種問題[21-23]。
5 結語
近年來,我國在土工布產(chǎn)品開發(fā)、推廣方面已取得一定的成績,有了較快的發(fā)展。但與世界上先進國家相比,在產(chǎn)品的品種、數(shù)量、質量及應用的廣度和深度等方面都存在著較大的差距。目前,國家有關部門對土工布的應用推廣工作十分重視,土工布標準正在加緊制定,相關政策法規(guī)也在醞釀出臺,相信土工布將在我國大江大河的堤壩修筑和公路、鐵路、機場建設,以及環(huán)保工程中發(fā)揮重要作用,其發(fā)展將上一個新臺階。
專業(yè)土工合成材料生產(chǎn)廠家
