高效率、高性能土工布生產(chǎn)技術(shù)及其應用展望

過去，土木工程施工中遇到不適合施工的土壤時，通常采用替換土壤或者通過深基礎(chǔ)施工的方法來規(guī)避施工困難土壤，這使得工程造價更高、施工難度加大，尋求一種可改善施工條件和工程質(zhì)量的材料成為緊迫的訴求。加之長期以來的土地稀缺、老舊城市基礎(chǔ)設(shè)施改造問題以及基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量提升和環(huán)境治理需求，土工合成材料應運而生，并在過去的25年中迅速擴大應用領(lǐng)域到民用、巖土、環(huán)境、沿海和水利工程等幾乎所有的土木工程領(lǐng)域，成為一種不可或缺的新型土工材料。

土工合成材料具有節(jié)省空間、性能可設(shè)計、材料質(zhì)量和施工質(zhì)量易于控制、節(jié)約成本、施工方便等優(yōu)點。常見的土工合成材料包括土工膜、土工織物、土工格網(wǎng)、土工格柵、土工復合材料等。本文主要探討非織造和織造土工布的主要應用及性能要求，并介紹幾種能夠滿足各種土工布用途和幫助提高土工布生產(chǎn)效率和性能的關(guān)鍵技術(shù)。

1 非織造土工布的應用及其關(guān)鍵技術(shù)進展

非織造土工布包括短纖針刺土工布和紡粘土工布，主要應用于淺地表排水、土壤侵蝕防治以及濕度敏感土壤道路的穩(wěn)定和加固等領(lǐng)域，尤其是在延長道路使用壽命方面，土工布是最具成本效益的材料。早在上世紀70年代，土工布就作為瀝青嵌體率先在德國公路中得到應用。為了進一步提升使用土工布的信心，德國自2008年起還對土工布產(chǎn)品啟用了CE安全標志。目前，土工布已經(jīng)作為道路建設(shè)和改造工程中關(guān)鍵材料而在世界范圍內(nèi)得到廣泛應用，其中非織造土工布的應用最為廣泛。據(jù)EDANA（歐洲非織造布協(xié)會）估計，全球每年生產(chǎn)和銷售約7.5億m2的非織造土工布，其中60%都用于道路施工，隨著大型基礎(chǔ)設(shè)施項目的實施，尤其是在中國等新興經(jīng)濟體國家，非織造土工布的增長趨勢仍在繼續(xù)。

1.1 非織造土工布在延長道路使用壽命中的優(yōu)勢和作用

土工布在延長道路使用壽命中發(fā)揮的作用包括路基隔離和穩(wěn)定、路基加固、路基與面層間的應力吸收以及面層加固等，在老舊道路維修中，土工布可鋪設(shè)在瀝青加鋪層底部而發(fā)揮延長維修道路使用壽命的作用。下文主要介紹非織造土工布在老舊路面維修中的作用。

1.1.1 使用非織造土工布降低道路維護成本

高等級公路的路面結(jié)構(gòu)主要有瀝青路面和水泥混凝土路面。瀝青路面又稱柔性路面，具有減振、對路基和地基變形或不均勻沉降的適應性強、修復速度快、碾壓后即可通車等優(yōu)點。但是由于瀝青路面壓實的混合料空隙率大，耐水性差；溫度穩(wěn)定性差，冬季易脆裂，夏季易軟化；耐老化性差，長時間使用后會產(chǎn)生老化龜裂破壞；平整度的保持性差等原因，經(jīng)較長時間使用后，瀝青路面容易出現(xiàn)縱橫向裂縫、車轍、平整度差、抗滑性能衰退等結(jié)構(gòu)性和功能性損壞。水泥混凝土路面又稱剛性路面，由于剛性路面不減振，行車舒適性不及瀝青路面，且存在噪音較大、對路基穩(wěn)定性要求高、新澆筑面板的養(yǎng)護期較長等缺點，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)已逐步被瀝青路面所替代。據(jù)統(tǒng)計，德國地方當局交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施中約有95%由瀝青構(gòu)成，而瀝青在聯(lián)邦公路與高速公路中的使用比例則超過70%。

由于新建道路與交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施的投入巨大，因此，不論是達到使用年限的舊水泥混凝土路面，還是瀝青路面，改造和維修仍是首選。通常采取的維修方法是在老舊路面上加鋪瀝青層以覆蓋舊路面，而這種維修路面的使用壽命則嚴重依賴于路面狀況，即原路面的裂縫很快（一般為 2 ～ 3 年）就會反射到加鋪瀝青覆蓋層表面上來，造成加鋪層的損壞，再次產(chǎn)生裂縫。實踐證明，將土工布作為瀝青嵌體鋪設(shè)于舊瀝青路面或舊水泥混凝土路面的瀝青加鋪層底部，或新建道路瀝青面層底部，可以減少或延緩舊路面對瀝青加鋪層的反射裂縫，同時還可以減少瀝青路面車轍和低溫開裂，提高路面的使用壽命，延長檢修間隔，從而降低維護成本。瀝青嵌體既可以局部使用，也可以應用于整個路面。

相比于織物，非織造布不僅工藝流程短、生產(chǎn)速度快，產(chǎn)量高、成本低，在道路施工應用中，還具有易加工成寬幅產(chǎn)品、容易吸收張力、施工方便等優(yōu)勢。通過非織造土工布的使用，還可顯著減少道路施工所需礦物材料的使用。

1.1.2 土工布在道路維修中的作用

歐洲標準DIN EN 15381：2008-11（土工布和土工布相關(guān)產(chǎn)品 —— 公路和瀝青覆蓋層要求的使用特性）中概述了土工布在道路新建和維修中的主要功能，主要概括為以下 3 個方面。

（1）增強功能

在已產(chǎn)生裂縫的路面上加鋪瀝青層，原來的裂縫很快就會發(fā)射到瀝青加鋪層，并產(chǎn)生張力，導致加鋪層結(jié)構(gòu)破壞。鋪設(shè)于瀝青加鋪層底部的非織造土工布可利用其較大的延展性，將裂紋處產(chǎn)生的張力擴散至其巨大的表面上，從而緩解裂紋處的應力集中，并縮短裂縫的尖端，減少反射裂紋。研究表明，通過加鋪土工布防止反射裂縫，瀝青面層厚度可減薄36%，車轍可減少50%，延長道路的使用壽命 3 ～ 6 年。

（2）釋放張力功能

當基層受溫度降低影響而收縮時，由于基層和面層之間的粘附阻力，會導致基層和面層之間產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過面層抗拉強度時道路就會產(chǎn)生開裂，從而損壞道路結(jié)構(gòu)。通過在面層和基層之間鋪設(shè)土工布作為應力吸收層，可降低兩層間的粘附阻力，從而降低層間拉應力，避免面層開裂。

值得注意的是，非織造土工布對于拉伸應力的吸收相對有限，相比之下，土工格柵則更加適合吸收張力，并將其分散在更大的表面上。通過非織造布與土工格柵組合制成復合土工布能夠發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，起到隔水防滲作用的同時又能夠最大限度地降低張力。此外，許多制造商還在不斷開發(fā)非織造土工布的創(chuàng)新應用，如非織造布常與氣泡膜或土工膜復合土工合成材料等，從而實現(xiàn)多種功能的復合。

（3）隔水防滲功能

損壞的道路形成裂縫后如果不及時維修，水就會進入已有損壞的區(qū)域。而在冬季，進入裂縫中的水因為結(jié)冰、膨脹很容易破壞路面。土工布可以起到隔水和防滲作用，防止水進入基層，避免對基層結(jié)構(gòu)造成更為嚴重的損壞。

1.2 高品質(zhì)、高效率非織造土工布生產(chǎn)技術(shù)進展

1.2.1 非織造土工布的技術(shù)要求

非織造土工布在用于道路維修時需要達到一些技術(shù)要求，主要包括以下幾個方面。

（1）強度和延伸性

非織造布的強度在土工布的應用中極為重要，需要具備良好的抗撕裂強度。同時，非織造土工布還需要具備較好的延展性，并在縱、橫兩個方向上具有相似的拉伸特性（MD/CD = 1），即各向同性。

（2）耐久性

土工布通常需要在地下發(fā)揮作用長達50年，因此，必須具有良好的耐久性，包括耐化學腐蝕、耐水解、耐霉變等性能。與聚酯（PET）相比，聚丙烯（PP）的耐化學性和耐水解性更好，適用于對強度和化學性能要求更高的應用場合。

（3）抗紫外線

靠近地表鋪設(shè)的土工布暴露在陽光中的時間更長，因此要求土工布具有良好的抗紫外線性能，相比于PP，PET不僅成本更低，抗紫外性能也更好，因此適于對強度的壽命周期要求更短或是靠近地表鋪設(shè)的土工布。

（4）較高的熔點

土工布要與瀝青等工程材料接觸使用，在施工過程中需要承受較高的溫度，因此要求熔點較高。

1.2.2 高品質(zhì)、易加工：針刺土工布對纖維品質(zhì)提出更高需求

短纖針刺土工布是目前應用最為廣泛的土工布之一，由纖維經(jīng)開松混合、梳理（或氣流）成網(wǎng)、鋪網(wǎng)、牽伸和針刺等工序制成。

高品質(zhì)的纖維是決定短纖針刺土工布的關(guān)鍵因素之一。Oerlikon Neumag（歐瑞康紐馬格）在該領(lǐng)域具有數(shù)十年經(jīng)驗，其針對土工布而優(yōu)化的高品質(zhì)短纖制造系統(tǒng)產(chǎn)能約為40 ～ 80 t/d，除白色纖維外，還允許使用紡前染色以生產(chǎn)有色纖維，或使用功能性添加劑（如抗UV功能助劑等）以滿足相應應用領(lǐng)域的要求。此外，該系統(tǒng)對原材料的適應性和靈活性極強，可用于PP、PE以及再生PET和PA6等纖維的生產(chǎn)，并能提供最高的產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性。

生產(chǎn)短纖針刺土工布，不僅要求纖維具有優(yōu)異的物理機械性能（包括高強度和伸長性能等）和最終產(chǎn)品品質(zhì)可控，更需具備生產(chǎn)過程（梳理和針刺）的可加工性和可靠性性，這就要求纖維具有優(yōu)異、均勻的卷曲以及適量的紡絲油劑。卷曲和紡絲油劑的應用越好，梳理工序就越快、越容易達到均勻。歐瑞康紐馬格波羅的海卷曲機（Baltic Crimper）非常適合生產(chǎn)短纖針刺非織造土工布所需的二維卷曲纖維，即卷曲弧在兩個方向上形成，可確保卷曲均勻。

1.2.3 高效率、高強度、節(jié)省材料：紡粘土工布發(fā)展勢頭強勁

市場對更高效的非織造生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的需求正在日漸增加，紡粘非織造工藝可在投入更少原材料的同時產(chǎn)出同樣甚至性能更好的非織造產(chǎn)品，從而正在土工布等眾多工業(yè)應用領(lǐng)域中興起，并有逐步取代傳統(tǒng)的短纖針刺非織造布的趨勢。

歐瑞康紐馬格最新的紡粘非織造布生產(chǎn)系統(tǒng)能夠以更少的原材料生產(chǎn)出適用于土工布的更高強度的非織造布，將非織造土工布的品質(zhì)最大化。尤其是在選用聚酯時，與前其前一代生產(chǎn)系統(tǒng)相比，能源消耗可降低20% ～ 30%；與滿足歐洲標準的一般基準土工布產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)生產(chǎn)的紡粘非織造布在產(chǎn)品克重相當?shù)那闆r下，能獲得更高的強度，反之能以更低的產(chǎn)品克重獲得與基準產(chǎn)品相同的強度，從而實現(xiàn)節(jié)省原料的目的。試驗表明，該技術(shù)可幫助節(jié)約5%以上的原材料。根據(jù)產(chǎn)品類型和非織造布厚度，該系統(tǒng)的產(chǎn)能可達800 ～ 1500 kg/h。

另外，歐瑞康紐馬格紡粘非織造布生產(chǎn)系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)高強度長絲所必需的極高的紡絲速度，從而能夠制造收縮率極低的超強PET長絲非織造布；為了獲得土工布所需的各向同性，歐瑞康紐馬格紡粘非織造生產(chǎn)線可在針刺之后直接進行在線橫向拉伸；柔性化的生產(chǎn)系統(tǒng)可生產(chǎn)性能卓越或性價比突出等多種類型的紡粘土工布最終產(chǎn)品。

2 織造土工布的應用及工業(yè)絲關(guān)鍵技術(shù)進展

織造土工布是以單絲、復絲或扁絲為原料交織或編織而成的土工織物，具有非常廣泛的用途。由扁絲織成的土工布常用于泥沙控制，如淤泥圍欄和路基穩(wěn)定等領(lǐng)域。扁絲雖具有很好的物理機械性能，但織成織物的滲透性很差，因此不適用于淺地表排水和土壤侵蝕防治等領(lǐng)域。相比之下，采用原纖化的扁絲織成的織物滲透性更好，并具有更均勻的空隙分布。由單絲織成的土工布具有較好的滲透性，適用于排水和侵蝕防治等領(lǐng)域。高強度復絲織成的土工布則主要做增強方面的應用。

2.1 土工布對工業(yè)絲的技術(shù)要求

土工布對工業(yè)絲的性能的首要要求是在各種應用領(lǐng)域中都必須非常耐用，因此，要求工業(yè)絲高度穩(wěn)定、抗蠕變，并具備低收縮率、超高強度或高模量等性能。根據(jù)土工布的應用領(lǐng)域不同，對工業(yè)絲性能的側(cè)重有所不同，如在作為增強材料應用或在高沖擊作業(yè)時，要求工業(yè)絲同時具備高強度和低收縮率（即高模量）；在要求較高性價比的應用領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域時，則要求在最少的用料情況下達到最優(yōu)性能，這就需要工業(yè)絲同時具備高強度和高收縮性能；而幾乎所有應用中均要求工業(yè)絲具有優(yōu)異防紫外線功能（可通過在原材料中添加抗紫外功能助劑實現(xiàn)）。

不同應用領(lǐng)域?qū)I(yè)絲的性能提出差異化的要求，纖維的強度和伸長性能有較大的變化范圍，根據(jù)不同的應用配備使用高強度/低收縮或高強高收縮工業(yè)絲；同時，不同應用領(lǐng)域的土工織物克重也有較大的變化范圍，如輕型土工織物的克重范圍為70 ～ 200 g/m2，重型土工織物則為200 ～ 800 g/m2，因此，織制土工布的工業(yè)絲的纖度規(guī)格范圍也很廣，如用于織造土工布的扁絲或原纖化扁絲纖度范圍一般為500 ～ 10 000 dtex。這些都對工業(yè)絲生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性和靈活性提出了更高的要求。

2.2 土工織物用工業(yè)絲：高品質(zhì)、高效率和靈活性

Oerlikon Barmag（歐瑞康巴馬格）工業(yè)絲系統(tǒng)開發(fā)了適用于眾多領(lǐng)域需求的配置，靈活的系統(tǒng)理念能夠以最低的轉(zhuǎn)換成本實現(xiàn)最多樣化的工業(yè)絲產(chǎn)品以及高品質(zhì)和高效率，從而使用戶的收益最大化，如其卷繞單絲纖度最高可達8 800 dtex，因而可以省去特殊用途所需的合股工藝。

2.2.1 HT/LS和 HMLS長絲制造系統(tǒng)

生產(chǎn)土工織物用PET長絲，可選擇歐瑞康巴馬格的 8頭HT/LS（高強度/低收縮）紡絲系統(tǒng)，通過合股后工業(yè)絲纖度可高達 8×2 200 dtex或 2×8 800 dtex，拉伸單元配置不僅能夠提供最優(yōu)的工業(yè)絲品質(zhì)，同時生產(chǎn)率也達到最高水平；用于土工織物的高模量低收縮類絲線可以采用 4 頭HMLS系統(tǒng)制造。2 種系統(tǒng)均可通過配備有 6 個導絲輥系統(tǒng)組成的拉伸單元，從而提高系統(tǒng)的靈活性，實現(xiàn)能夠覆蓋各種終端應用的土工布及其他工業(yè)用絲的生產(chǎn)，如纜繩、防水織物、汽車用紡織品等。

歐瑞康巴馬格工業(yè)絲系統(tǒng)實現(xiàn)低轉(zhuǎn)換成本和優(yōu)異利潤率的決定性因素不僅是由于產(chǎn)品品質(zhì)和系統(tǒng)靈活性，還體現(xiàn)在包括按照工藝要求定制的所有部件及其整體理念，從而以極高的生產(chǎn)速度實現(xiàn)了卓越的生產(chǎn)率。以HMLS系統(tǒng)為例，可實現(xiàn)高于6 000 m/min生產(chǎn)速度；使用常規(guī)的 8 頭紡絲工藝可實現(xiàn)高達17 600 dtex的總纖度。部件方面，3LA紡絲組件的專利過濾器由于優(yōu)良的過濾性能，可實現(xiàn)高度的工藝可靠性和出色的使用壽命，而6LA紡絲組件在具有以上優(yōu)勢的同時還具有高紡絲頭數(shù)的緊湊型紡絲系統(tǒng)構(gòu)造；SP8紡絲箱中，熔體得到最佳的引導，以及側(cè)吹風冷卻或HMLS理念的Evo-Quench環(huán)吹冷卻單元的高速冷卻，均為良好的工業(yè)絲品質(zhì)奠定了基礎(chǔ)；HF導絲輥也體現(xiàn)了這樣的高能效理念，系統(tǒng)中每個導絲輥均具備 4 或 8 個可單獨控制的加熱區(qū)，從而長絲可精確獲得所需熱量，這也是達到土工織物用絲性能要求的前提；高頻加熱器在效率和能源消耗方面也大大優(yōu)于傳統(tǒng)的50 Hz加熱技術(shù)；針對工業(yè)絲需求而開發(fā)的ACW IY卷繞機速度范圍高達4 000 m/min或7 000 m/min，單絲纖度可高達8 800 dtex，從而可提供最佳筒子卷裝。

除此之外，其工廠操作中心（POC）還可實現(xiàn)包括配方管理在內(nèi)的完整工藝流程控制，從而可以進一步增進機器加工的效率，改善錯誤識別并改進產(chǎn)品。同時，歐瑞康巴馬格緊湊型長絲紡絲設(shè)備Variofil理念還可為不同需求的客戶定制工業(yè)絲解決方案和包括空調(diào)系統(tǒng)、壓縮空氣供應等設(shè)備設(shè)施在內(nèi)的交鑰匙工程，從而滿足客戶對各種PET、PA或PP產(chǎn)品的需求。

2.2.2 高強度、中高收縮扁絲生產(chǎn)技術(shù)

由扁絲和/或單絲所制成的土工織物最主要的工業(yè)織物之一，可作為增強物用于穩(wěn)定路基和堤壩建筑，用于地基的分離織物，用作過濾材料、排水和農(nóng)用紡織品等領(lǐng)域。用于土工織物的扁絲一般是聚丙烯（PP）或高密度聚乙烯（HDPE），通常以白色或黑色制造（紡染）。歐瑞康巴馬格公司的擠出系統(tǒng)在生產(chǎn)土工織物用高品質(zhì)、高性能扁絲和單絲方面具有優(yōu)勢，其單絲生產(chǎn)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的應用選用適當?shù)膰娊z板直徑制造用于土工布的不同規(guī)格的單絲產(chǎn)品，組合系統(tǒng)在更換產(chǎn)品時更容易轉(zhuǎn)換，滿足不同應用領(lǐng)域的土工織物用絲的靈活性生產(chǎn)要求。在扁絲生產(chǎn)中，拉伸系統(tǒng)是決定扁絲性能的關(guān)鍵工序。歐瑞康巴馬格的常規(guī)拉伸系統(tǒng)可用于生產(chǎn)土工布用高模量（高強度、低收縮）扁絲； EvoTape系統(tǒng)則非常適合生產(chǎn)高強度和中高收縮的扁絲，同時還具有投資回報期（ROI）極短、能耗低等優(yōu)勢。

EvoTape系統(tǒng)依靠新的配置產(chǎn)量可以增加至原來的 3倍，其拉伸單元包含冷預拉伸和后續(xù)的二次拉伸，冷預拉伸可實現(xiàn) 3 倍拉伸，二次拉伸在使扁絲變得更輕的同時也更容易接收來自烘箱中熱空氣的熱量，從而保證了產(chǎn)品較好的工藝穩(wěn)定性。因此該工藝可在更高的加工速度下得到相同強度的扁絲，或者在相同加工速度下生產(chǎn)性能更優(yōu)的扁絲。

原纖化和非原纖化扁絲在寬度和厚度上的規(guī)格范圍很廣，根據(jù)不同的應用領(lǐng)域，纖維的強度和伸長性能也有較大的變化，如典型的土工布用非原纖化扁絲的強度應大于6.7 cN/dtex，原纖化扁絲強度約為6.0 cN/dtex，根據(jù)不同應用領(lǐng)域收縮性能從極高模量產(chǎn)品的5%到較低模量產(chǎn)品的25% ～ 30%。為了獲得用于不同領(lǐng)域的各種規(guī)格和性能的扁絲，牽伸系統(tǒng)的拉伸比應在在1∶5 ～1∶15之間。EvoTape系統(tǒng)在拉伸過程中的膜裂確保了較低的整體拉伸比，由于整體拉伸的切割寬度是固定的，因此可以在不提升工藝速度的前提下制備更多的扁絲，即增加了系統(tǒng)的產(chǎn)量?？梢愿哌_600 m/min的速度制造各種土工織物用扁絲，通過整體拉伸比與高速的結(jié)合，可實現(xiàn)高達800 kg/h的輸出速度。

EvoTape系統(tǒng)更高的速度可減少成卷運行的時間，因此還需要一個與之配套自動卷繞機。如與WinTape或 WinOro卷繞系統(tǒng)配合，可分別實現(xiàn)對高達4 000 dtex和20 000 dtex產(chǎn)品的卷繞。WinTape不僅能夠確保完美的卷繞成型，還可獲得一致的卷裝長度，并將卷裝傳送過程中產(chǎn)生的廢物直接傳送回擠出機，從而減少浪費。

3 土工布的市場趨勢及在我國的應用展望

隨著世界各國工業(yè)化程度的不斷提高，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造工程對土工布的需求將不斷進步，尤其是由于亞太地區(qū)新興經(jīng)濟體的快速崛起，將帶動巨大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造工程，對土工布市場的需求巨大。根據(jù)Markets and Markets的預測，2019年全球土工布市場將達到86億美元，年均復合增長率達到10.59%，亞太地區(qū)市場份額有望在2019年占主導地位。我國的土工布的生產(chǎn)與應用雖然起步較晚，但是通過近年的快速發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，據(jù)統(tǒng)計，2006 — 2010年我國土工布產(chǎn)量年均增長高達35%。未來幾年，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)，將繼續(xù)為土工布的應用創(chuàng)造更廣闊的應用空間。