土工布發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)展望

楊廣慶

摘要：總結(jié)分析了土工布的生產(chǎn)工藝類型和原料種類，提出非織造型土工布具有更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域；介紹了長(zhǎng)絲紡粘針刺技術(shù)和短纖針刺技術(shù)兩種非織造型土工布生產(chǎn)工藝；基于土工布的功能分析，指出防滲工程、高鐵無(wú)砟軌道滑動(dòng)層、粉煤灰堆場(chǎng)工程、尾礦庫(kù)堆場(chǎng)工程、礦山堆浸場(chǎng)工程和生態(tài)袋邊坡防護(hù)工程等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν凉げ继岢隽烁邚?qiáng)度、耐酸堿性、耐腐蝕性和耐霉變性等高標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了高強(qiáng)、耐環(huán)境型聚丙烯長(zhǎng)絲紡粘針刺土工布是土工布行業(yè)的重要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：織造型土工布；非織造型土工布；生產(chǎn)工藝；應(yīng)用現(xiàn)狀；建議

中圖分類號(hào)：TS176+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Development Status-quo and Outlook of Geotextiles

Abstract： Based on analyzing different production processes and types of raw materials for geotextiles， the paper points out that nonwoven geotextiles have broader application fields. It also introduces two kinds of nonwoven geotextiles production processes， one is based on filament spun-bonding and needle-punching technology， and the other is based on staple needle-punching technology. Then， by analyzing the functions of geotextiles， it further points out that current applications， such as seepage prevention projects， the sliding layer of ballastless track of high-speed railway， fly ash dump yard projects， tailings dump yard projects， mine dump leaching projects and ecological bag for slope protection， have posed higher requirements on the tenacity， alkali/acid resistance， corrosion resistance and mildew resistance， etc. of geotextiles， therefore， high-tenacity and environment-resistant polypropylene filament spun-bonded and needle-punched geotextiles represent a key developing trend of the geotextiles industry.

Key words： woven geotextiles； nonwoven geotextiles； production process； status-quo of application； suggestion

1 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(rùn)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(guò)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幙棧ㄆ娇椃āA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)60年代末期，我國(guó)在80年代初期開始應(yīng)用該材料于工程實(shí)體中。中國(guó)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(lái)，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)域較織造型土工布更為廣泛，得到快速發(fā)展，我國(guó)已發(fā)展成為世界非織造布生產(chǎn)大國(guó)，并逐步邁向生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。

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(chǎng)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(guò)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 ℃，耐光性差、在日光下易于老化分解，但可以通過(guò)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、聚乙烯纖維、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)域，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(lái)越多的功能型土工布展露市場(chǎng)，顯示出土工布發(fā)展的蓬勃生機(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(lái)非織造土工布發(fā)展迅速。按成網(wǎng)方法的不同，常見(jiàn)的非織造型土工布生產(chǎn)工藝包括長(zhǎng)絲紡粘針刺技術(shù)和短纖針刺技術(shù)。

長(zhǎng)絲紡粘針刺技術(shù)是將聚合物加熱熔融，紡成連續(xù)的長(zhǎng)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(zhǎng)絲束還未完全凝固時(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(zhǎng)以及縱橫向比等性能均比短纖維針刺土工布優(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(guò)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)、針刺固結(jié)成布兩步法成形的非織造技術(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(guò)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(jiǎn)單，一次性投資少，因此以短纖針刺加工的土工布是我國(guó)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(guò)濾、排水、隔離、加筋、防護(hù)和防滲等。

2.1 過(guò)濾作用

由于土工布具有良好的透水、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(guò)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滲入排水骨料或排水管，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

土工布作為一種良好的導(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(lái)，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，從而能夠建造加筋土陡邊坡或加筋土擋墻；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)合后具有較低的透水（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(kù)防滲、土石壩防滲以及垃圾填埋場(chǎng)防滲等。

2.6 防護(hù)作用

通過(guò)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徑流的侵蝕；用土工布制成的泥沙柵欄能夠?yàn)V掉渾濁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樁的強(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，非織造土工布在應(yīng)用過(guò)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(lái)越高。

3.1 防滲工程

在垃圾填埋場(chǎng)、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)域，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(chǎng)垃圾成分較為復(fù)雜，同一垃圾填埋場(chǎng)不同區(qū)域垃圾滲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。基于工程的長(zhǎng)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(wú)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(guó)鐵路客運(yùn)專線對(duì)橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)的重要組成部分 ——“兩布一膜”滑動(dòng)層，即 2 層土工布中間夾 1 層土工膜（400 g布 + 1.0 HDPE膜 + 200 g布）的下層土工布以及CRTS III型板式無(wú)砟軌道隔離層土工布提出了嚴(yán)格要求。通過(guò)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(chǎng)工程

粉煤灰是電廠的廢棄物，長(zhǎng)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(zhǎng)pH值繼續(xù)增長(zhǎng)，最大可達(dá)12以上，呈強(qiáng)堿性，因此粉煤灰堆場(chǎng)對(duì)土工布的耐久性要求非常嚴(yán)格。

3.4 尾礦庫(kù)堆場(chǎng)工程

為了提高尾礦庫(kù)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(kù)堆場(chǎng)進(jìn)行防滲和加筋防護(hù)處理，而金、鉛、銅、氧化鋁、汞、鎘、鉻和鉬等金屬尾礦庫(kù)的滲瀝液基本呈堿性，甚至呈強(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(chǎng)工程

中國(guó)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)，堆浸采礦技術(shù)是我國(guó)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(yíng)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(zhǎng)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(guò)袋體自由生長(zhǎng)，根系進(jìn)入工程基礎(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(jiàn)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(zhǎng)絲紡粘針刺土工布由于強(qiáng)度高、延伸率低、抗形變能力強(qiáng)，密度小、施工簡(jiǎn)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(guó)家中長(zhǎng)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)力為出發(fā)點(diǎn)，以國(guó)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)材料產(chǎn)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(wèn)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(guò)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(guó)產(chǎn)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(guó)基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力，滿足我國(guó)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(guó)參與全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革與競(jìng)爭(zhēng)提供支撐，實(shí)現(xiàn)我國(guó)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(lái)看，我國(guó)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、耐老化土工布的生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品在我國(guó)尚未取得重大突破。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，高強(qiáng)聚丙烯長(zhǎng)絲紡粘針刺土工布已占土工布行業(yè)產(chǎn)量的30% ～ 40%，有的國(guó)家甚至達(dá)到了50%，國(guó)外生產(chǎn)聚丙烯紡粘針刺土工布的知名企業(yè)有位于馬來(lái)西亞、隸屬于荷蘭TENCATE公司的POLYFELT公司等。相比看來(lái)，我國(guó)高強(qiáng)聚丙烯長(zhǎng)絲紡粘針刺土工布已落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。

近年來(lái)，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)粗旦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(guó)產(chǎn)化，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到并超過(guò)POLYFELT公司產(chǎn)品指標(biāo)，改變了國(guó)外壟斷該技術(shù)以及國(guó)內(nèi)長(zhǎng)絲布幾乎全部是PET長(zhǎng)絲布的現(xiàn)狀，結(jié)束了我國(guó)工程應(yīng)用中長(zhǎng)期依賴進(jìn)口國(guó)外聚丙烯紡粘針刺土工布的歷史。可以預(yù)測(cè)，未來(lái)土工布市場(chǎng)仍將快速增長(zhǎng)，聚丙烯非織造土工布勢(shì)必將成為我國(guó)土工布行業(yè)發(fā)展的潮流方向之一。