針刺復合生態(tài)土工布的制備及植生性能研究*

婁輝清 曹先仲 楊光豪 李海偉 丁會龍

1. 河南工程學院紡織學院，河南 鄭州450007； 2. 河南宇清安全環(huán)保科技有限公司，河南 鄭州450007

我國高速公路、鐵路等基礎設施的建設，以及礦山的大規(guī)模開發(fā)，會形成大量裸露且難以恢復植被的土石邊坡，若不加以治理，不僅會造成植被的破壞和水土的流失，還易引發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災害，對周邊生態(tài)環(huán)境埋下極大的安全隱患[1-2]。傳統(tǒng)的邊坡防護技術主要采用水泥和塊石等硬體材料，這雖然可以減少水土流失，但施工周期長、造價高，對地基的承載力要求高，且坡面硬化后難以再進行綠化，施工過程中周圍自然環(huán)境易被破壞[3]。近年來，隨著國內(nèi)環(huán)境保護意識的逐步增強，生態(tài)護坡理念開始被業(yè)界廣泛接受，并被快速推廣到基礎設施建設和礦山生態(tài)修復中。

何旭東等[4]對首次在貴州省都勻市七星棚戶區(qū)安置房邊坡(二期)生態(tài)修復項目中應用的加筋麥克墊技術的原理、施工工法及效果進行了詳細探究，結果表明該技術固土、固坡效果明顯，能在短時間內(nèi)達到綠化的效果。葉建軍等[5]采用噴射生態(tài)護坡技術對曼大高速公路項目沿線3#取土場開展了生態(tài)修復，結果顯示生態(tài)恢復效果良好，修復1年后植物群落逐漸向自然邊坡演替。陳飛等[6]針對離子型稀土礦山原地浸礦開采方式容易誘導滑坡的特點，提出一種以竹子為主要材料，由竹子格構框架、竹樁和竹子排水管共同組成的生態(tài)護坡結構。發(fā)現(xiàn)使用該生態(tài)護坡結構經(jīng)歷6個月的生長周期之后，坡體被草木覆蓋，且無水土流失和邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。周翠英等[7]利用新型功能材料及其生態(tài)護坡施工工藝對深圳市龍城中專后山典型巖質(zhì)邊坡進行了生態(tài)修復，發(fā)現(xiàn)植被發(fā)芽率有效提高，坡面植被覆蓋速率加快，邊坡抗沖刷侵蝕能力提高，坡面淺層土體的穩(wěn)定性增強。竇維禹等[8]結合濟祁高速公路淮南至合肥段中路基邊坡防護的實際經(jīng)驗，對植物纖維草毯邊坡防護技術的工藝原理、施工工藝、質(zhì)量控制等進行了詳細的介紹。該技術已在安徽岳武、周六等高速公路邊坡防護中收到了顯著的效果。

在常用的邊坡生態(tài)防護形式中，利用生態(tài)型防護材料進行邊坡防護，其良好的經(jīng)濟效益和社會效益越來越受到人們的關注。其中，植被網(wǎng)和植被毯是近年來新開發(fā)的一種生態(tài)防護材料，其可將植物纖維層和草種、保水劑、營養(yǎng)土等組合形成三維復合草毯結構，不僅能夠提供防土壤侵蝕流失的保護層，還能夠為植物生長提供所需要的基質(zhì)、養(yǎng)料及水分，但強度較低，耐磨性和耐候性差，且加工過程繁瑣，故限制了其在土石邊坡防護領域的廣泛應用。非織造土工布因具有優(yōu)良的力學性能和水力學性能，且能夠很好地滿足植物生長的要求，已被作為新型的生態(tài)護坡材料為眾多學者研究。王中珍等[9-11]將麻纖維/黏膠纖維針刺布與椰殼纖維、麻網(wǎng)布復合，黃麻網(wǎng)與脫膠后的黃麻復合，以及椰殼纖維，分別制備成護坡復合植生材料，發(fā)現(xiàn)所制備的產(chǎn)品不僅能很好地滿足植物生長的要求，而且產(chǎn)品本身還可轉化為植物的營養(yǎng)基質(zhì)，改良土壤。李素英[12]以廢棉纖維、聚丙烯纖維和麻纖維為原料制備針刺非織造材料，用作公路護坡生態(tài)毯，發(fā)現(xiàn)該生態(tài)毯有利于植被穩(wěn)定生根生長，可起到有效的護坡作用。湯燕偉等[13]比較了不同材料和不同結構的非織造基質(zhì)對植物生長性能的影響，結果表明，天然或再生纖維和化學纖維基質(zhì)均適合草坪草的生長，只是天然或再生纖維稍優(yōu)于化學纖維，薄型針刺非織造材料優(yōu)于厚型針刺非織造材料。

我國關于生態(tài)護坡材料的研究尚處于初級階段，目前所開發(fā)的材料種類較少，投入實際工程應用的更少，因此發(fā)展具有優(yōu)良防護性能并能為植物提供良好生長環(huán)境的生態(tài)型植生護坡材料，對我國土石邊坡防護和生態(tài)修復具有重要的意義，且發(fā)展前景十分廣闊。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

黏膠纖維(82.0 mm×2.78 dtex，常熟市紅星毛紡化工有限公司)、再生植物纖維(自制)。

電子天平(FA2004A，上海恒平科學儀器有限公司)、針刺機機組(WL，太倉市萬龍非織造工程有限公司)、數(shù)字式織物厚度儀(YG141LA，寧波紡織儀器廠)、多功能電子織物強力機(YG026D-1000，寧波紡織儀器廠)、土工布有效孔徑測定儀(YT030，泉州市美邦儀器有限公司)、無紡布吸水性能測定儀(YG814-II，泉州市美邦儀器有限公司)、織物液體穿透試驗儀(LFY-244B，山東省紡織科學研究院)。

1.2 植生護坡用針刺復合生態(tài)土工布的制備

1.2.1 針刺復合生態(tài)土工布的原料及結構設計

為了滿足植生護坡用針刺復合生態(tài)土工布對結構可靠性和性能穩(wěn)定性的要求，本試驗采用基底層+中間層+面層的立體復合結構形式。黏膠短纖維經(jīng)梳理、成網(wǎng)后作為基底層和面層，破碎后的天然植物纖維即再生植物纖維作為中間層。

1.2.2 制備工藝及流程

采用短纖維干法成網(wǎng)-針刺加固工藝加工上述立體復合結構，制備植生護坡用針刺復合生態(tài)土工布。首先，黏膠短纖維送入開松機內(nèi)開松，待大的纖維束、塊、團等松解成小束后，再由梳理機梳理成由均勻伸展的單纖維組成的薄纖網(wǎng)；然后，鋪網(wǎng)設備將薄纖網(wǎng)鋪疊成具有一定厚度的勻質(zhì)黏膠短纖維網(wǎng)作為基底層，輸送帶將再生植物纖維均勻地鋪于基底層黏膠短纖維網(wǎng)之上，達到一定的厚度后，再在再生植物纖維之上鋪設一層具有一定厚度的勻質(zhì)黏膠短纖維網(wǎng)作為面層；最后，采用針刺機對鋪疊的立體復合結構材料進行反復針刺，使纖維網(wǎng)中的纖維互相纏結，纖維層貫穿連接為一體。

基底層和面層、再生植物纖維層和針刺復合生態(tài)土工布成品照片如圖1所示。

圖1 針刺復合生態(tài)土工布的結構組成及其成品照片

1.2.3 針刺工藝參數(shù)

針刺工藝參數(shù)主要包括針刺密度、針刺深度、針刺頻率等。在針刺加固生產(chǎn)過程中，合理分配針刺密度，嚴格控制針刺深度和針刺頻率，十分重要。本試驗中，鋪網(wǎng)纖維為黏膠短纖維，兩層黏膠短纖維網(wǎng)之間夾雜再生植物纖維。若單純采用短纖維針刺用刺針，針刺效果較差。此外，本試驗在制備不同規(guī)格的針刺復合生態(tài)土工布過程中，保持了基底層和面層的質(zhì)量、厚度基本一致，主要通過改變再生植物纖維的加入量來改變針刺復合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量，因此需合理選擇針刺工藝參數(shù)。

本試驗在前期預試驗的基礎上，確定不同規(guī)格的針刺復合生態(tài)土工布的針刺工藝參數(shù)如表1所示。

表1 針刺復合生態(tài)土工布的針刺工藝參數(shù)

1.3 性能測試

1.3.1 力學性能

分別測定針刺復合生態(tài)土工布的縱橫向斷裂強度和斷裂伸長率、縱橫向撕破強力及CBR頂破強力，其中斷裂強度和斷裂伸長率按照GB/T 15788—2017《土工合成材料 寬條拉伸試驗方法》，撕破強力按照GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破強力的測定》，頂破強力按照GB/T 14800—2010《土工合成材料 靜態(tài)頂破試驗(CBR法)》進行測試。

1.3.2 有效孔徑

利用O90(即土工布中90%的孔徑低于該值)表征針刺復合生態(tài)土工布的有效孔徑，其測試按照GB/T 14799—2005《土工布及其有關產(chǎn)品有效孔徑的測定 干篩法》進行。

1.3.3 滲透性能和吸收性能

以垂直滲透系數(shù)和透水率表征滲透性能，測試方法按照GB/T 15789—2016《土工布及其有關產(chǎn)品 無負荷時垂直滲透特性的測定》中的恒水頭法；以液體吸收量表征吸收性能，測試按照GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第6部分：吸收性的測定》進行。

1.4 植物種植試驗

分別選擇2#和4#樣品進行植物種植試驗。受試植物為黑麥草，草種用量為30 g/m2。為模擬土石邊坡環(huán)境，基質(zhì)層以砂石為主，自下而上分別為礫石層(5.00 cm)+粗砂層(10.00 cm)+細砂層(10.00 cm)+沙土層(5.00 cm)+針刺復合生態(tài)土工布層+土壤層(1.00 cm)+種子層+土壤層(2.00 cm)。考察植生性能的指標包括發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量。種植7 d后統(tǒng)計各組種子的發(fā)芽率，種植45 d后統(tǒng)計各組的植株高度和植株質(zhì)量。同步進行對照試驗，對照試驗的基質(zhì)層中不加入針刺復合生態(tài)土工布層，其他條件均與2#和4#樣品試驗相同。

分別統(tǒng)計各組發(fā)芽的植株數(shù)量，該數(shù)量與各組所播種種子數(shù)量的比值即為該組種子的發(fā)芽率；從每組植株樣品中隨機抽取長勢均勻的植株10株，然后從葉耳處開始用刻度尺測量，得到該植株的高度，10株植株的平均高度即為該組的植株高度；用分析天平分別測量10株黑麥草植株的地上部分及根部的質(zhì)量，10株植株的平均質(zhì)量即為該組的植株質(zhì)量。

2 結果與討論

2.1 針刺復合生態(tài)土工布的制備

按照1.2.2節(jié)所述方法和表1中的針刺工藝參數(shù)，制備不同規(guī)格的針刺復合生態(tài)土工布樣品，所得樣品的單位面積質(zhì)量(實測值)、厚度及再生植物纖維質(zhì)量分數(shù)如表2所示，樣品的截面形貌如圖2所示。

表2 針刺復合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量(實測值)、厚度及再生植物纖維質(zhì)量分數(shù)

圖2 針刺復合生態(tài)土工布樣品的截面形貌

從表2可以看出，針刺復合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量和厚度受再生植物纖維質(zhì)量分數(shù)的影響較大。再生植物纖維質(zhì)量分數(shù)增加，中間層越來越厚，針刺復合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量和厚度也隨之增加。

2.2 力學性能

本試驗所制備的針刺復合生態(tài)土工布樣品的力學性能如圖3所示。

圖3 針刺復合生態(tài)土工布樣品的力學性能

從圖3可以看出，隨著單位面積質(zhì)量的增加，針刺復合生態(tài)土工布的斷裂強度、撕破強力和CBR頂破強力等力學性能增加。這是因為隨著針刺復合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量的增加，再生植物纖維的質(zhì)量分數(shù)增多，加之針刺過程中再生植物纖維與基底層、面層中的黏膠短纖維已纏繞在一起，故作用于針刺復合生態(tài)土工布之上的外力除了要克服黏膠短纖維之間的縱向穿插纏結作用外，還要克服黏膠短纖維與再生植物纖維之間的纏繞作用，力學性能提高。

GB/T 17638—2017《土工合成材料 短纖針刺非織造土工布》對短纖針刺土工布的力學性能做了一些規(guī)定，其中要求縱橫向斷裂強度≥3 kN/m、縱橫向撕破強力≥0.1 kN、CBR頂破強力≥0.60 kN、縱橫向斷裂伸長率20.0%～100.0%。對照該標準，本試驗所制備的不同規(guī)格的針刺復合生態(tài)土工布，除單位面積質(zhì)量(設計值)為200 g/m2的1#樣品其橫向斷裂伸長率(16.2%)和CBR頂破強力(0.58 kN)不滿足最低要求外，其余樣品的力學性能均滿足標準的要求。

2.3 有效孔徑

試驗制備的針刺復合生態(tài)土工布樣品的有效孔徑如圖4所示。

圖4 針刺復合生態(tài)土工布的有效孔徑

從圖4可以看出，隨著單位面積質(zhì)量的增加，針刺復合生態(tài)土工布的O90呈現(xiàn)降低的趨勢。影響土工布孔徑的主要因素包括針刺密度、針刺深度，以及纖維線密度和織物厚度等。針刺復合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量越大，其厚度越厚。針刺密度和針刺深度越大，纖維與纖維之間的纏結也越緊密，則針刺復合生態(tài)土工布的O90越小[14-15]。本試驗在制備較大單位面積質(zhì)量的針刺復合生態(tài)土工布時，所選擇的針刺密度和針刺深度也較大，因此其O90減小。

土工布的孔徑對其水土保持能力有一定的影響?？讖皆叫?，土工布的透水量越少，水分越不容易流失，且土壤顆粒更容易被土工布截留而不被土壤表面徑流帶走，因此其水土保持能力較強[16]。相關研究表明[17-18]，當土工布的有效孔徑在50～2000 μm時具有較好的水土保持能力。本試驗制備的針刺復合生態(tài)土工布的有效孔徑在75～132 μm，滿足實際應用過程中保護邊坡，防止水土流失的要求。

2.4 滲透性能和吸收性能

試驗制備的針刺復合生態(tài)土工布的垂直滲透系數(shù)、透水率和液體吸收量如圖5所示。

圖5 針刺復合生態(tài)土工布的滲透性能和吸收性能

從圖5可以看出，隨著單位面積質(zhì)量的增加，針刺復合生態(tài)土工布的垂直滲透系數(shù)和透水率均呈現(xiàn)降低的趨勢，而液體吸收量呈增加的趨勢。這主要是因為隨著單位面積質(zhì)量的增加，針刺復合生態(tài)土工布的有效孔徑變小，垂直滲透系數(shù)和透水率降低，故滲透性能變差[18]。而滲透性能又會影響土工布的保水效果，垂直滲透系數(shù)和透水率越低，意味著保水效果越好，因此針刺復合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量越大，其保水性能越好。本試驗主要通過改變再生植物纖維的加入量來改變針刺復合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量，由于中間層的再生植物纖維具有較強的吸水保水能力，因此針刺復合生態(tài)土工布的吸收性能隨單位面積質(zhì)量的增加而變大。

土工合成材料的相關標準要求土工布的垂直滲透系數(shù)在0.01～10.00 mm/s。本試驗制備的不同規(guī)格的針刺復合生態(tài)土工布的垂直滲透系數(shù)均在10.00 mm/s以下，滿足相關標準的要求。還有研究表明[19]，當土工布液體吸收量大于500%、透水率小于1.0 /s時，土工布具有較好的吸水保水性能。本試驗制備的針刺復合生態(tài)土工布，當設計的單位面積質(zhì)量大于400 g/m2時，其液體吸收量大于500%、透水率小于1.0 /s。

2.5 植物種植試驗

經(jīng)種植試驗測得各組的發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量如表3所示。

表3 植物種植試驗結果

從表3可以看出：2#樣品的發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量分別比對照組提高了8.79%、10.80%、21.52%，4#樣品的發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量分別比對照組提高了13.05%、27.16%、55.03%，含有針刺復合生態(tài)土工布層的發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量均高于對照組，這說明針刺復合生態(tài)土工布對植物的生長具有良好的促進作用；此外，隨著針刺復合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量的增加，發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量也均呈現(xiàn)增加的趨勢。

分析認為，由于種植試驗所用的模擬基質(zhì)層以砂石為主，土壤層較薄，故不利于植物的生長發(fā)育；而本試驗所制備的針刺復合生態(tài)土工布中含有大量的再生植物纖維，其優(yōu)良的吸水保水性能不但可以營造有利于植物生長發(fā)育的環(huán)境，而且產(chǎn)品本身還可轉化為植物的營養(yǎng)基質(zhì)，改良土壤。因此，針刺復合生態(tài)土工布的加入有利于種子的發(fā)芽和生長，且再生植物纖維質(zhì)量分數(shù)越高，發(fā)芽率越高，長勢越好。

3 結論

(1) 以黏膠短纖維和再生植物纖維為主要原料，采用短纖維干法成網(wǎng) - 針刺加固工藝，在針刺密度為60～160 針/cm2、針刺深度為3.5～12.0 mm、針刺頻率為720～940次/min的條件下，制備出單位面積質(zhì)量在196～979 g/m2、厚度在3.6～14.4 mm、再生植物纖維質(zhì)量分數(shù)在39.6%～70.9%的針刺復合生態(tài)土工布用于植生護坡。

(2) 隨著針刺復合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量的增加，其斷裂強度、撕破強力和CBR頂破強力等力學性能增加，吸水保水性能變好。

(3) 含有大量再生植物纖維的針刺復合生態(tài)土工布對植物的生長具有良好的促進作用，且隨著針刺復合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量的增加，發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量也均呈現(xiàn)出增加的趨勢。