紡織材料在土木工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

1. 江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201 2. 江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330201

近年來(lái)，我國(guó)土木工程建設(shè)領(lǐng)域的紡織產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其中部分產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。隨著國(guó)家“十三五”規(guī)劃的實(shí)施，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將達(dá)到一個(gè)更新的水平，一些欠發(fā)展地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)將得到極大的改善，大量的紡織材料將不斷地應(yīng)用在工程建設(shè)過(guò)程中。與此同時(shí)，我國(guó)提出的“一帶一路”倡議也促進(jìn)了亞洲和歐洲的沿線國(guó)家土工用紡織品市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)[1]。巨大的市場(chǎng)需求為土木工程建設(shè)用紡織品的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。因此，新技術(shù)應(yīng)用和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)對(duì)于土木工程建設(shè)用紡織品的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)查閱有關(guān)土木工程建設(shè)領(lǐng)域中應(yīng)用紡織品的文獻(xiàn)，總結(jié)紡織材料在土木工程建設(shè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)，以期為新型土木工程建設(shè)用紡織品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論參考。

1 土木工程建設(shè)用紡織材料的定義及產(chǎn)品分類

土木工程建設(shè)用紡織材料主要指應(yīng)用在建筑、水利和交通等現(xiàn)代土木工程建設(shè)過(guò)程中的各類紡織產(chǎn)品，是產(chǎn)業(yè)用紡織品的重要組成部分。

1.1 建筑工程用紡織品

建筑工程用紡織品是指在建筑領(lǐng)域作為特殊建筑材料使用的紡織品，包括混凝土增強(qiáng)纖維、防水基材、隔聲材料和隔熱材料等。林艷杰等[2]在設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25的天然浮石輕骨料混凝土中摻入不同含量的聚丙烯纖維，然后研究立方體的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在浮石輕骨料混凝土中摻入聚丙烯纖維會(huì)不同程度地提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，且隨著聚丙烯纖維摻入量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后減小，繼而得到混凝土中聚丙烯纖維的最佳摻入量為0.9 kg/m3。美國(guó)Johns Manville公司開(kāi)發(fā)了玻璃纖維/聚合物復(fù)合非織造材料地板，其彈性明顯提高。同時(shí)，該公司利用特殊浸漬工藝制成的玻璃纖維非織造布門面板，不僅彈性優(yōu)良，還具有阻燃性能，滿足了阻燃級(jí)別A2的需求[3]。涂征[4]為了制備具有良好隔聲性能的層合板，以常用的松木壓制板為基材，玻璃纖維增強(qiáng)聚氯乙烯隔聲材料為芯層，設(shè)計(jì)制備了幾種結(jié)構(gòu)的層合板(圖1)，并采用雙聲道聲學(xué)分析儀，對(duì)樣品的隔聲性能進(jìn)行測(cè)試和分析，結(jié)果表明：厚度為20.0 mm的層合板的隔聲量大于30 dB，能夠滿足一般場(chǎng)合的聲音隔斷要求。

圖1 層合板的結(jié)構(gòu)示意[2]

1.2 水利工程用紡織品

我國(guó)水資源分布不均，在南方地區(qū)雨水充沛，經(jīng)常會(huì)遭遇洪澇災(zāi)害；在北方地區(qū)則雨量匱乏，常常會(huì)發(fā)生干旱。這就需要大量的水利工程來(lái)調(diào)節(jié)水資源的分布。在建造水利工程過(guò)程中，水利工程用紡織品在護(hù)坡、護(hù)岸和防滲等方面起到了非常重要的作用[5]。

將土工布與塊石或混凝土板組成濾層護(hù)坡結(jié)構(gòu)，或者土工布與混凝土組成模袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)，并將其應(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掉，防止塌岸、滑坡等現(xiàn)象的發(fā)生。土工布在坡岸護(hù)腳工程中的應(yīng)用，主要采用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)，避免水流對(duì)護(hù)坡基底的沖擊，保證護(hù)坡的穩(wěn)定性。山東宏祥化纖集團(tuán)有限公司研發(fā)的糙面復(fù)合土工膜在南水北調(diào)工程中的大量應(yīng)用，展示了其良好的防滲功能[6]。此外，該產(chǎn)品還具有很好的防滑功能，受到200 kPa法向應(yīng)力時(shí)其摩擦因數(shù)為0.8，其拉伸強(qiáng)度比傳統(tǒng)土工布提高了14.5%，且具有較好的耐腐蝕性。

水利工程的數(shù)量不斷增加使得因邊坡開(kāi)挖而造成的裸露坡面現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，導(dǎo)致了嚴(yán)重的水土流失，因此需要進(jìn)行護(hù)坡。傳統(tǒng)護(hù)坡主要采用水泥和石塊等材料，不僅對(duì)地基的承載力要求較為嚴(yán)格，還會(huì)破壞周圍的自然環(huán)境，不符合生態(tài)護(hù)坡的要求。另外還有移植植物進(jìn)行護(hù)坡的傳統(tǒng)方式，但植物的生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，不能及時(shí)地控制水土流失。山東省紡織科學(xué)研究院將黃麻纖維針刺非織造布與黃麻網(wǎng)布進(jìn)行復(fù)合，開(kāi)發(fā)出一種復(fù)合植生材料，其鋪設(shè)方式及護(hù)坡原理如圖2所示[7]。該材料可以自然降解，轉(zhuǎn)化為植物的養(yǎng)料，植物根系與自然降解的纖維、泥土牢固地結(jié)合在一起，根系錨固到深處較穩(wěn)定的巖土層上，起到頂應(yīng)力錨桿的作用，可影響到地下更深的巖土層，有明顯的土壤加強(qiáng)作用，形成一層堅(jiān)固的綠色復(fù)合保護(hù)層。

圖2 黃麻護(hù)坡復(fù)合植生材料鋪設(shè)方式及護(hù)坡原理示意[7]

1.3 交通工程用紡織品

隨著“十三五”規(guī)劃的實(shí)施，我國(guó)公路建設(shè)速度及規(guī)模都達(dá)到了一個(gè)新的高度，僅高速公路總里程已突破13萬(wàn)公里。大量的紡織品已在軟基加固、舊路修復(fù)、公路路基防護(hù)和公路綠化中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是我國(guó)有些地區(qū)的土質(zhì)松軟，地基中的含水量較高，這會(huì)導(dǎo)致其承載能力較低，在公路建設(shè)過(guò)程中容易產(chǎn)生材料沉陷或變形現(xiàn)象，所以，在軟土基上施工時(shí)常鋪設(shè)土工布，以增強(qiáng)路基的承載能力，如圖3(a)所示[8]。公路在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞，在修復(fù)中將土工布用于路面底層，取代應(yīng)力消減層和封閉層，可以控制和防止路面裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，防止地表水進(jìn)入，同時(shí)也可以在路面中起到良好的加筋作用，如圖3(b)所示[9]32。

(a) 增強(qiáng)路基用紡織品

(b) 公路修復(fù)用紡織品

粟嫻等[10]結(jié)合靖那(靖西—那坡)高速公路炭質(zhì)頁(yè)巖邊坡滑塌處治實(shí)例，在《土工膜+掛網(wǎng)客土噴播防護(hù)技術(shù)在炭質(zhì)邊坡處治中的應(yīng)用》中介紹了土工膜+掛網(wǎng)客土噴播防護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)原理、技術(shù)要求、施工工藝及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，闡述了該防護(hù)技術(shù)在炭質(zhì)頁(yè)巖邊坡滑塌處治中的應(yīng)用效果和推廣價(jià)值。結(jié)果表明：土工膜+掛網(wǎng)客土噴播防護(hù)技術(shù)處理后的邊坡坡面穩(wěn)定性好，且整個(gè)坡面綠化防護(hù)效果較好，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益、自然協(xié)調(diào)等方面都有較大優(yōu)勢(shì)，具有重要的推廣價(jià)值。

1.4 其他工程用紡織品

1.4.1 高鐵無(wú)砟軌道滑動(dòng)層

在鐵路橋梁建設(shè)過(guò)程中，為了減小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(guó)鐵路客運(yùn)專線對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)的重要組成部分廣泛采用“兩布一膜”滑動(dòng)層，即2層土工布中間夾1層土工膜(400 g/m2土工布+1.0 mmHDPE膜+200 g/m2土工布)，其在鐵路軌道中的位置如圖4所示[11]。利用膠黏劑將上述滑動(dòng)層粘在梁面防水層或梁面上，可以起到很好的加固作用。

1.4.2 垃圾填埋場(chǎng)土工膜

我國(guó)每年產(chǎn)生近10億t垃圾，其中大部分生活垃圾直接進(jìn)行填埋，還有一部分生活垃圾通過(guò)焚燒和其他生活垃圾混合后進(jìn)行填埋[12]。在建設(shè)大型的垃圾填埋場(chǎng)過(guò)程中，為了防止垃圾產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，往往會(huì)在垃圾填埋場(chǎng)的底部鋪設(shè)多層土工布。由于垃圾填埋場(chǎng)的不同區(qū)域所存在的垃圾滲瀝液的酸堿性不同，在土工布設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)土工布的耐酸堿性提出了更加嚴(yán)格的要求。同時(shí)，該土工布還要具有良好的耐環(huán)境溫度、抗腐蝕、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。此外，部分生活垃圾經(jīng)過(guò)焚燒會(huì)產(chǎn)生大量的爐渣，這些爐渣與其他生活垃圾一起填埋時(shí)，滲濾液中的鈣含量會(huì)上升，當(dāng)鈣離子與填埋氣中的二氧化碳接觸，將加速土工膜結(jié)垢現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了填埋場(chǎng)土工膜堵塞的風(fēng)險(xiǎn)[13]。所以，開(kāi)發(fā)適合填埋焚燒爐渣的填埋場(chǎng)土工膜是將來(lái)的研究熱點(diǎn)。

2 土木工程建設(shè)用紡織材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著我國(guó)大力推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，土木工程建設(shè)用紡織品的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品性能也越來(lái)越高。2016年，我國(guó)土木工程建設(shè)用紡織品的纖維加工總量達(dá)到93.23萬(wàn)t，與2015年相比，增長(zhǎng)了9.2%[14]。高性能土工材料、礦山支護(hù)材料和智能土工材料等，在保障基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量方面發(fā)揮了積極作用，成為土壤加固、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控和預(yù)警工程中重要的組成部分。隨著“一帶一路”倡議的提出和實(shí)施，土木工程建設(shè)用紡織品將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)的土木工程建設(shè)用紡織品，部分已達(dá)到國(guó)際水平，但產(chǎn)品性能及精度還有待提高，高端產(chǎn)品與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距，創(chuàng)新能力也不足，缺少自己的品牌。此外，我國(guó)土木工程建設(shè)用紡織品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也需要逐漸完善。特別是近些年新型城鎮(zhèn)化和綠色建筑環(huán)?；牟粩嗤七M(jìn)，一些具有綠色建材因子的新型紡織復(fù)合材料，由于沒(méi)有相應(yīng)的綠色評(píng)價(jià)體系，其應(yīng)用受到了很大限制。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

2.2.1 生態(tài)環(huán)?；?/p>

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的不斷深入，環(huán)?；殉蔀橥聊竟こ探ㄔO(shè)用紡織材料的發(fā)展趨勢(shì)[9]36。生物可降解土工布和生態(tài)型垃圾填埋用復(fù)合土工布膜的應(yīng)用，不僅滿足了土木工程建設(shè)的需要，還可以提高土木工程用紡織品的生態(tài)相容性，減少對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的不良影響?？梢詫⒕廴樗?PLA)、聚丙烯(PP)和聚酯(PET)紡織品用于耐久性要求不高的土木工程，大力推廣黃麻、椰殼和秸稈等天然纖維土工布在公路坡面綠化防護(hù)和生態(tài)修復(fù)等工程中的應(yīng)用。

2.2.2 智能化

隨著智能技術(shù)在紡織品生產(chǎn)過(guò)程中的不斷應(yīng)用，智能化也是土木工程建設(shè)用紡織品的發(fā)展趨勢(shì)。目前，智能土工布中常加入光纖傳感器和石墨烯纖維[15]。在土工布中加入集成光纖傳感器，可以監(jiān)測(cè)堤壩應(yīng)變、濕度、孔隙壓力、化學(xué)物質(zhì)等的變化，判斷堤壩巖石結(jié)構(gòu)的完整性，可以提前發(fā)現(xiàn)高失效和具有破壞風(fēng)險(xiǎn)的巖土結(jié)構(gòu)及其位置，有利于提前預(yù)防或進(jìn)行維修。石墨烯復(fù)合導(dǎo)電土工布應(yīng)用在河堤或水庫(kù)漏液檢測(cè)上，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏，并通過(guò)不同位置檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)比確定滲漏點(diǎn)的位置，及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，防止河堤或水庫(kù)發(fā)生更大的危害。目前，我國(guó)有關(guān)光纖傳感器和石墨烯的研究取得了階段性的成果，但在土工布上將光纖傳感器或石墨烯進(jìn)行有效集成的技術(shù)卻鮮有報(bào)道。

2.2.3 新型化

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，我國(guó)在長(zhǎng)絲紡黏針刺土工布領(lǐng)域取得了較大成就，其中滌綸土工布的主要指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，但具有高強(qiáng)度和耐老化性能的高強(qiáng)丙綸長(zhǎng)絲紡黏針刺土工布的發(fā)展相對(duì)滯后。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，高強(qiáng)丙綸長(zhǎng)絲紡黏針刺土工布在整個(gè)行業(yè)總產(chǎn)量中的占比超過(guò)了30%，有的國(guó)家甚至達(dá)到了50%。浙江省勵(lì)達(dá)無(wú)紡布有限公司[16]從2013年開(kāi)始研發(fā)高強(qiáng)丙綸長(zhǎng)絲紡黏針刺土工布生產(chǎn)線項(xiàng)目，攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，生產(chǎn)出的高強(qiáng)丙綸長(zhǎng)絲紡黏針刺土工布樣品的纖維強(qiáng)度達(dá)到 9 cN/dtex， 達(dá)到了國(guó)際著名企業(yè)Polyfelt(百利福)公司的標(biāo)準(zhǔn)。該公司是我國(guó)第一個(gè)具備高強(qiáng)丙綸長(zhǎng)絲紡黏針刺土工布生產(chǎn)能力的企業(yè)，大量的高強(qiáng)高強(qiáng)長(zhǎng)絲紡黏針刺土工布將逐漸代替滌綸土工布。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)投入力度的不斷增強(qiáng)，土木工程建設(shè)用紡織品在我國(guó)建筑工程、水利工程、公路工程、鐵路工程和垃圾填埋工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的提出和實(shí)施，土木工程建設(shè)用紡織品在沿線國(guó)家的基礎(chǔ)建設(shè)中也將發(fā)揮重要作用，這將為該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入強(qiáng)大的動(dòng)力。但是，我國(guó)的土木工程建設(shè)用紡織品主要集中在中低端產(chǎn)品，創(chuàng)新能力不足，在高端產(chǎn)品市場(chǎng)中缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，需投入更多的精力和政策支持以補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)短板。此外，隨著土木工程建設(shè)用紡織品向生態(tài)環(huán)?；?、智能化和新型化方向發(fā)展，相關(guān)的評(píng)價(jià)體系及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定需逐步完善。特別是近些年新型城鎮(zhèn)化和綠色建筑環(huán)?；牟粩嗤七M(jìn)，部分具有綠色建材因子的新型紡織復(fù)合材料，由于沒(méi)有相應(yīng)的綠色評(píng)價(jià)體系，其應(yīng)用受到了很大的限制。土木工程建設(shè)用紡織品擴(kuò)展了紡織產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，為紡織材料的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)用紡織生產(chǎn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了更廣闊的空間。

[1] 梁瑞麗. 亞歐土工領(lǐng)域發(fā)出合作最強(qiáng)音[J]. 中國(guó)紡織, 2017, 68(7): 32-33.

[2] 林艷杰, 李紅云. 聚丙烯纖維輕骨料混凝土的抗壓性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2013, 32(10): 2160-2164.

[3] 蔡倩. 建筑用紡織品筑就綠色宜居生活[J]. 紡織服裝周刊, 2015, 16(2): 30-31.

[4] 涂征. 基于玻璃纖維增強(qiáng)隔音復(fù)合材料的層合板的隔音性能[J]. 現(xiàn)代紡織技術(shù), 2015, 23(2): 27-30.

[5] 劉黎昕. 土工薄膜防滲技術(shù)的應(yīng)用克服了土石壩施工的瓶頸[J]. 建材與裝飾, 2017, 12(21): 264-265.

[6] 韓競(jìng). 南水北調(diào)經(jīng)驗(yàn)談——訪山東宏祥化纖集團(tuán)有限公司董事長(zhǎng)崔占明[J]. 非織造布, 2012, 19(5): 44-45.

[7] 王中珍, 馮洪成, 丁帥, 等. 可降解黃麻護(hù)坡復(fù)合植生材料的研究開(kāi)發(fā)[J]. 山東紡織科技, 2017, 58(1): 13-18.

[8] 趙永霞. 國(guó)內(nèi)外土工用紡織品的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2014, 33(5): 35-42.

[9] 《紡織導(dǎo)報(bào)》編輯部. 高效率、高性能土工布生產(chǎn)技術(shù)及其應(yīng)用展望[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2017, 36(5).

[10] 粟嫻, 黃華顯. 土工膜+掛網(wǎng)客土噴播防護(hù)技術(shù)在炭質(zhì)頁(yè)巖邊坡處治中的應(yīng)用[J]. 公路與汽運(yùn), 2016, 32(4): 115-118.

[11] 楊廣慶. 土工布發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)展望[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2017, 36(5): 20-25.

[12] 環(huán)境保護(hù)部, 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局. 生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn): GB 16889—2008[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[13] 王前, 楊帆, 徐期勇. 焚燒爐渣填埋對(duì)填埋場(chǎng)土工膜結(jié)垢的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2017, 11(9): 5262-5266.

[14] 梁瑞麗. 積聚能量開(kāi)啟新紀(jì)元——2017中國(guó)國(guó)際非織造材料展覽會(huì)暨高端論壇即將召開(kāi)[J]. 中國(guó)紡織,2017, 68(6): 80-83.

[15] 《紡織導(dǎo)報(bào)》編輯部. 光纖傳感器和石墨烯技術(shù): 開(kāi)啟土工布智能化應(yīng)用新紀(jì)元[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2017, 36(5): 38-40.

[16] 王俊輝. 首條國(guó)產(chǎn)丙綸土工布生產(chǎn)線問(wèn)世[N]. 中國(guó)紡織報(bào), 2016-04-18(007).