國內(nèi)外土工布發(fā)展與研究現(xiàn)狀

黃順偉，錢曉明，周 覓

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

國內(nèi)外土工布發(fā)展與研究現(xiàn)狀

黃順偉，錢曉明，周 覓

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

闡述了土工布的概念、分類及原料，以及國內(nèi)外土工布性能研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用發(fā)展情況，并介紹了幾種新型土工布現(xiàn)狀。

土工布；性能；應(yīng)用；現(xiàn)狀

美國材料試驗協(xié)會(ASTM)規(guī)定：一切和地基、土壤、巖石、泥土以及其他土建材料一起使用，并作為工程結(jié)構(gòu)組成部分的紡織品，均稱為土工布(geotextile)[1]。土工布具有良好的加固、防護、隔離、排水、過濾、防滲、防漏等功能，因此被廣泛地應(yīng)用于公路鐵路、土木工程、水利工程、環(huán)保工程等領(lǐng)域，并同木材、鋼材、水泥一起被稱為四大建筑材料[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50年代末，美國首次在海灘護岸工程領(lǐng)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、水利部門中廣泛應(yīng)用。

1 土工布概況

1.1 分類

按照加工和生產(chǎn)方法的不同，土工布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大類[3]。其中，紡織土工布主要分為針織、機織和編織土工布3種。非織造土工布也可分為紡粘土工布、短纖針刺土工布及熱熔粘合土工布3種[4]。非織造土工布加工簡單、生產(chǎn)效率較高、成本較低，并且產(chǎn)品有良好的延伸性、力學(xué)性能和水平滲透過濾性能，因此應(yīng)用領(lǐng)域最廣，應(yīng)用量最大。合成土工布按產(chǎn)品分類分為土工膜、格柵、網(wǎng)格、絮片及土工板等。復(fù)合土工布按復(fù)合工藝的不同分為針刺復(fù)合土工布、針織縫編復(fù)合土工布、粘合復(fù)合土工布及超聲波復(fù)合土工布[5]。復(fù)合土工布既有非織造土工布特點，又兼顧機織、編織土工布的優(yōu)勢,其綜合性能優(yōu)良并能夠滿足各類工程的特殊需要,因此在工程中廣泛使用。

1.2 使用的原料

應(yīng)用環(huán)境中所需要的物理性能、化學(xué)性能、使用壽命等是選擇土工布原料的首要考慮因素，由于土工布的使用量很大，因此還須考慮到成本。一般而言，天然纖維相比合成纖維在強度、抗老化性、耐酸堿性和耐腐蝕性等方面要差，因此土工布所用原料多采用合成纖維，如聚酯纖維(滌綸)、聚丙烯纖維(丙綸)、聚酰胺纖維(錦綸)、聚乙烯醇縮醛纖維(維綸)和聚丙烯腈纖維(腈綸)等，其中應(yīng)用最多的是聚酯纖維和聚丙烯纖維。

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)外土工布原料中開始采用。相關(guān)研究表明，某些天然纖維可應(yīng)用于路基、排水、護岸、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。Amit Rawal等[8]對黃麻與滌綸非織造土工布的結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果表明前者的各向異性較小且織物緊密。DS Technical Nonwove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 國內(nèi)外土工布發(fā)展與應(yīng)用

據(jù)市場研究公司Transparency Market Research的研究報告，全球土工用紡織品市值預(yù)計在2018年達到64億美元。據(jù)預(yù)測，2018年全球土工用紡織品的需求將增至33.98億m2。

2.1 國外土工布應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

在土工布的應(yīng)用方面，歐美國家作為先驅(qū)，早在20世紀60年代就開始將其應(yīng)用于道路建設(shè)。70年代以來，鐵路建設(shè)、河堤、海岸的防護等工程中陸續(xù)使用了土工布。2013年，美國和加拿大土工合成材料市場規(guī)模為22億美元，與2012年相比增長了3%。預(yù)計未來5年，北美市場的銷售額以每年9.9%的速度增長，2018年歐洲土工用紡織品市場需求將達到16.477億美元。據(jù)Transparency Market Research預(yù)測，海灣合作委員會(不含阿拉伯)地區(qū)的土工用紡織品市場達1.01億美元，2013-2019年的市場銷售額以10.3%的速度增長，預(yù)計到2019年將超過2億美元；2012年，土工布產(chǎn)品市場需求量為5 200萬m2，2013-2019年期間，產(chǎn)品需求量的年均增長率為7.6%，預(yù)計到2019年將達8 680萬m2。

2.2 國內(nèi)土工布應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

土工布的生產(chǎn)與應(yīng)用在我國起步較晚，直到70年代末土工布才開始在我國生產(chǎn)及應(yīng)用。1986年前，我國土工布產(chǎn)品主要為丙綸編織物，累計用量不到100萬m2。80年代末，我國土工布的生產(chǎn)和應(yīng)用速度加快，特別是非織造土工布生產(chǎn)技術(shù)日益成熟。據(jù)統(tǒng)計，2006-2010年期間，我國土工布的產(chǎn)量年均增長率高達35%。直到2015年，我國土工布消費量已經(jīng)超過3億m2。近年來，隨著我國不斷加大鐵路、公路、垃圾填埋場等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，實施“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略，為土工布的發(fā)展提供了強勁動力。2016年上半年，我國在交通上的固定資產(chǎn)投資持續(xù)增長，公路水路行業(yè)完成固定資產(chǎn)投資高達7 813億元，同比增長8.7%；鐵路方面，我國2016年計劃投資8 000億元，在1-5月期間，鐵路的固定資產(chǎn)投資同比增長了11.8%。我國計劃構(gòu)建“八縱八橫”的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，到2025年高速鐵路里程將達到3.8萬km，大規(guī)模的鐵路建設(shè)將給土工材料帶來巨大的應(yīng)用市場。

3 土工布產(chǎn)品性能研究

3.1 物理機械性能

宋欽杰等[10]分別測試熱點黏合與熱壓黏合聚丙烯非織造土工布的斷裂強度、斷裂伸長率、抗拉強度及蠕變性能。結(jié)果表明：熱壓黏合非織造土工布只有在抗拉強力性能上要差于熱點黏合非織造土工布,其他性能均優(yōu)于熱點黏合非織造土工布。

Natália de Souza Correia等[11]評估2種經(jīng)常在抗反射裂縫系統(tǒng)中使用的非織造土工布聚酯和聚丙烯土工布。根據(jù)ABNT-NBR12824(1993)規(guī)格進行瀝青浸漬后的寬幅拉伸試驗，測試土工布初始剛度的增加。結(jié)果表明拉伸強度值顯著增加，在應(yīng)變小于0.05%的時候，強度值突增，應(yīng)變增加，獲得的剛度減小。

Amit Rawal等[12]提出了關(guān)于各向異性混合針刺非織造土工布的軸對稱拉伸強度的簡單模型，通過從在較弱方向大寬度拉伸試驗得到其內(nèi)部拉伸性能；采用軸對稱拉伸強度模型測試不同比例的聚丙烯/黏膠纖維混合土工布。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸對稱拉伸強度理論和實驗結(jié)果有很好的相關(guān)性。

3.2 滲透性能

王向欽等[13]討論了紡黏針刺非織造土工布滲透性能與孔徑特征和壓縮性能之間的聯(lián)系。結(jié)果表明：土工布的平均孔徑減小導(dǎo)致流速指數(shù)減?。粔簭娤嗤瑫r，土工布面密度的增大導(dǎo)致垂直滲透系數(shù)增大；面密度不變時，垂直滲透系數(shù)隨著壓強的增大而減小。

李志宏等[14]探討了機織土工織物的滲透性與織物組織、紗線細度、經(jīng)緯紗密度等因素之間的聯(lián)系,確定了土工布的滲透系數(shù)與織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的回歸關(guān)系。

Yiping Zhang等[15]在20～30 kN/m拉伸強力條件下對聚丙烯機織土工布進行一系列透水實驗。實驗結(jié)果表明，在張力條件下，土工布的介電常數(shù)在經(jīng)紗方向先迅速減小，然后接近一個值，該值是在沒有張力條件下水的介電常數(shù)的10%～25%。與此相反，在緯紗方向隨著張力的增加，水的介電常數(shù)增加并且沒有一個穩(wěn)定的值。根據(jù)結(jié)果，可以在經(jīng)紗與緯紗方向施加合理的負載，使土工布具有最佳的透水性能。

3.3 界面強度

劉湘元等[16]以2種聚酯有紡?fù)凉げ紴榧咏畈牧?，黏土為填料，采用直剪拉拔摩擦試驗系統(tǒng)(TUH-2C)進行一系列直剪試驗和拉拔試驗。結(jié)果表明:土工布與黏土的拉拔界面強度和直剪界面強度均符合莫爾庫侖強度型，直剪摩擦因數(shù)在0.87～1.71之間，拉拔摩擦因數(shù)在0.38～0.81之間。從數(shù)據(jù)可知，在應(yīng)用工程加筋時其界面摩擦性能可以滿足工程的需要。

MMA Sayeed等[17]以沙土為填料，分別以聚丙烯非織造土工布和黃麻/聚丙烯混合非織造土工布為加筋材料，在3種正應(yīng)力條件下進行直剪試驗，以確定沙土與土工布的界面剪切特性。結(jié)果表明：在較高的正應(yīng)力條件下，聚丙烯土工布與沙土的界面相比混合土工布與沙土的界面有較高初始剪切剛度。盡管如此，沙土與混合土工布相比沙土與聚丙烯土工布的接觸效率相似。

Andreia Moreira等[18]進行了實驗，基于循環(huán)加載和循環(huán)位移的條件下進行的大型直剪試驗，界面摩擦測試是在土工布與土工布之間、砂土填裝的土工布袋之間、砂土層與砂土填裝的土工布袋之間。結(jié)果表明，從土工標本得到的摩擦參數(shù)(即剪切強度和摩擦角)低于砂土填裝的砂袋。砂層界面測試表明，砂土填裝的土工布袋埋入砂層的剪切面的變化是可能發(fā)生的。形變可導(dǎo)致底部不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致?lián)p害累積以及整個結(jié)構(gòu)的塌陷。

3.4 環(huán)境對土工布的影響

Han Yong Jeon[19]模擬土工布在垃圾填埋場的應(yīng)用環(huán)境，在pH值分別為3、8、12的溶液和垃圾填埋場瀝出液中，運用修正的EPA9090測試方法，分別測試滌綸非織造土工布、丙綸非織造土工布和復(fù)合土工布等8種土工布的耐化學(xué)性能。

José Ricardo Carneiro等[20]研究了聚丙烯土工布的一些降解劑之間協(xié)同作用的存在。將土工布分別浸沒在一些液體中(水、硫酸和硝酸、氫氧化鈉和金屬離子溶液)，再進行熱氧化和人工氣候老化。結(jié)果表明，在一些情況下，2種降解劑的聯(lián)合作用比每種藥劑的單獨使用更具破壞性。比如：(1)浸沒在氫氧化鈉和熱氧化；(2)浸漬在硝酸鐵和熱氧化；(3)浸沒在鎘或銅硝酸鹽和人工老化。

錢程等[21]采用Y802A型八籃恒溫烘箱對丙綸機織土工布進行加熱處理，研究溫度對土工布性能的影響。結(jié)果表明，隨溫度升高,土工布的強力先升高后降低，而收縮率不斷增加。

4 國內(nèi)外幾種新型土工布現(xiàn)狀

4.1 玻璃纖維土工材料

玻璃纖維土工材料產(chǎn)品具有強度高、伸長率低、耐高溫、模量高、重量輕、韌性好、耐腐蝕、壽命長等特點，通常發(fā)揮其增強加筋功能。玻纖土工材料可分為玻纖格柵、玻纖網(wǎng)絡(luò)布、玻纖復(fù)合土工布3種類型。該產(chǎn)品特點決定其在路面改造、機場跑道維修、堤壩、河岸、邊坡防護等工程領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景[22-24]。

4.2 黃麻土工布

黃麻纖維作為一種天然纖維，有很多優(yōu)點適合用于生產(chǎn)土工布，其強力較高、適合紡織粗厚土工布、吸水性好、環(huán)保、價格低廉。例如：Ghosh等[25]設(shè)計出一種適用于護岸工程的黃麻土工布；設(shè)計并開發(fā)出一種在巖土工程領(lǐng)域有潛在應(yīng)用的編織黃麻土工織物[26]。黃麻土工布的生態(tài)和諧性以及優(yōu)越的控制土壤侵蝕能力使其在各種工程領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。

4.3 丙綸紡黏針刺土工布

丙綸長絲非織造土工布具有強度高、耐酸堿、耐腐蝕、耐霉變，耐低溫等優(yōu)點。根據(jù)丙綸長絲非織造土工布的特性，其在公路、鐵路路基鋪設(shè)、堤壩加固、污水處理廠、垃圾填埋場、水工結(jié)構(gòu)防滲、建筑防滲等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。然而，近20年來，我國長絲土工布發(fā)展相對滯后，實際應(yīng)用的只有滌綸這一種。目前，我國只有紹興勵達無紡布有限公司[27]成功開建了首條國產(chǎn)丙綸長絲土工布生產(chǎn)線。

4.4 土工布改性

含有機化合物和重金屬等有害成分的沉積物的存在可能影響周圍的環(huán)境，在一些港口，大量含有高濃度的重金屬如砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛和鋅的泥沙和淤泥雖然可以被疏通，但無法進一步使用它們。土工織物是一種有過濾和排水能力具滲透結(jié)構(gòu)的常用材料，當(dāng)土工布接枝一些生物分子，可以從污染水捕獲重金屬。M.Vandenbossche等[28]將殼聚糖接枝到聚丙烯非織造土工布上，可以從污染液中有效地捕獲金屬銅。M.Vandenbossche等[29-30]將半胱氨酸接枝到聚丙烯非織造土工布上，可以有效地捕獲金屬銅、鉛、鉻。

5 結(jié)語

土工用紡織品(土工布)是產(chǎn)業(yè)用紡織品中的重要品種，其在世界各國的土木工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，比如水利、公路、鐵路、海港、建筑等。隨著不斷加大工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造力度，我國的土工用紡織品產(chǎn)業(yè)已初成規(guī)模，但與歐美等先進國家和地區(qū)的整體技術(shù)水平及配套標準體系相比，仍處于較低階段。要與國際接軌，國內(nèi)必須加快相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的引進和開發(fā)，做到吸收再創(chuàng)新，國家標準要將科學(xué)性與實用性、先進性與成熟性、統(tǒng)一性與差別性、嚴肅性與靈活性矛盾地統(tǒng)一，以促進我國企業(yè)經(jīng)營與管理規(guī)范化，使產(chǎn)品質(zhì)量達到較高水平。

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Development and Research Status of International and Domestic Geotextiles

HUANG Shun-wei, QIAN Xiao-ming, ZHOU Mi

(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The concept, classification and raw materials of geotextiles were introduced. The properties research status and the application and development of international and domestic geotextiles were summarized. The present situation of several new types of geotextiles was proposed.

geotextiles; performance; application; present situation

2016-10-12

國家科技支撐項目(2014BAE09B00)

黃順偉(1990-)，男，安徽淮南人，在讀碩士研究生，主要從事非織造土工布結(jié)構(gòu)與性能的研究。

*通信作者：周 覓(1993-)，女，湖北仙桃人，在讀碩士研究生，主要從事服裝工效學(xué)的研究，E-mail：985897189@qq.com。

TS106.2

A

1673-0356(2017)01-0011-04