生態(tài)袋纖維結(jié)構(gòu)及透水性能研究

劉鴻鵠 張文利 楊春和 周成云

（1、貴州省畢節(jié)公路管理局,貴州 畢節(jié) 551700 2、貴州理工學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550003 3、貴州省納雍公路管理段,貴州 畢節(jié) 553300）

1 概述

在公路邊坡修筑中，減少對(duì)自然環(huán)境的破壞，使坡面與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)成為當(dāng)前護(hù)坡設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素[1-2]。生態(tài)袋是一種由聚丙烯或者聚酯纖維為原材料制成的雙面熨燙針刺無(wú)紡布加工而成的土工袋，一般配合工程連接扣使用，不但能夠獲得較好的穩(wěn)定性，同時(shí)還能與植物防護(hù)協(xié)同使用，是一種綠色的護(hù)坡技術(shù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的圬工結(jié)構(gòu)護(hù)坡，由于生態(tài)具有透水不透砂土的特點(diǎn)，待袋中植被生長(zhǎng)出后，植物根系能夠進(jìn)一步對(duì)生態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定和加固，且更為美觀，與周?chē)匀画h(huán)境具有更好的協(xié)調(diào)性。

目前，生態(tài)袋主要應(yīng)用于城市建筑、水利工程、公路和城市道路等護(hù)坡，一些研究者也針對(duì)生態(tài)袋護(hù)坡展開(kāi)了一些應(yīng)用與研究。黎文海等對(duì)生態(tài)袋護(hù)坡的施工工藝進(jìn)行了研究，并提出了針對(duì)山區(qū)高邊坡采用生態(tài)袋技術(shù)進(jìn)行防護(hù)的施工工藝要點(diǎn)和安全保障措施[3]。陳文學(xué)等采用量綱分析方法提出了生態(tài)袋護(hù)坡在波浪作用下,生態(tài)袋內(nèi)土壤顆粒損失的計(jì)算公式，并利用試驗(yàn)方法分析了生態(tài)袋護(hù)坡在波浪作用下的損失規(guī)律[4]。鐘吉祥通過(guò)對(duì)某礦區(qū)水土流失及滑坡體形成原因分析，研究了生態(tài)袋用于礦區(qū)邊坡防護(hù)的適用性，并認(rèn)為在礦區(qū)利用生態(tài)進(jìn)行坡面處治，不但可以使邊坡具有較好的防沖刷性能，同時(shí)也能在一定程度上修復(fù)礦區(qū)開(kāi)采對(duì)自然環(huán)境的破壞[5]。這些研究成果均證明了采用生態(tài)袋技術(shù)進(jìn)行坡面防護(hù)的可行性，同時(shí)也從不同角度探明了生態(tài)袋用于坡面防護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，已有的研究成果多集中在生態(tài)袋坡面防護(hù)的適用性、施工工藝、耐久性等方面，尚缺少針對(duì)生態(tài)袋顯微特點(diǎn)及與水的浸潤(rùn)特性方面的研究成果。

本文以3 種生態(tài)袋和2 種土工袋為研究對(duì)象，分別采用熒光顯微鏡對(duì)生態(tài)袋的袋體纖維進(jìn)行了成像，采用接觸角測(cè)定儀對(duì)生態(tài)袋與水滴的接觸角進(jìn)行了測(cè)試，基于此對(duì)生態(tài)袋的纖維結(jié)構(gòu)和透水性能展開(kāi)了研究，并采用恒水頭滲透性試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 生態(tài)袋纖維特點(diǎn)

本文選擇2 種土工袋和3 種生態(tài)袋為試驗(yàn)對(duì)象，分別記作土工袋1、土工袋2、生態(tài)袋1、生態(tài)袋2 和生態(tài)袋3，并從5 種試驗(yàn)上分別裁剪出試樣用于試驗(yàn)研究，如圖1 所示。

圖1 生態(tài)袋和土工袋試件

試驗(yàn)采用FR-4A 科研級(jí)三目落射熒光顯微鏡對(duì)5 種試驗(yàn)進(jìn)行熒光顯微成像，并采用顯微鏡相機(jī)對(duì)電子圖像進(jìn)行了采集。熒光顯微鏡工作原理是利用一個(gè)高發(fā)光效率的點(diǎn)光源，經(jīng)過(guò)濾色系統(tǒng)發(fā)出一定波長(zhǎng)的光（如紫外光）作為激發(fā)光、激發(fā)標(biāo)本內(nèi)的熒光物質(zhì)發(fā)射出各種不同顏色的熒光后，再通過(guò)物鏡和目鏡的放大進(jìn)行觀察[6]。

在試驗(yàn)過(guò)程中，由于每種試樣的透光度不同，需要根據(jù)各試樣的透光度調(diào)整光源亮度，直至產(chǎn)生清晰的圖像。本文采用的放大倍數(shù)分別為40 倍、100 倍和400 倍，所獲得了熒光顯微圖像如圖2～圖6 所示。

從圖2～圖6 可以看出，生態(tài)袋的構(gòu)成纖維明顯比土工袋纖維致密。已有研究表明，土工織物的纖維密度是影響其強(qiáng)度的重要因素[7]，更高的纖維密度可以有效增強(qiáng)袋體的強(qiáng)度，提升袋體的耐久性。此外，更為密實(shí)的纖維結(jié)構(gòu)也可以避免袋中的土顆粒透過(guò)，但又不至于阻絕水分的滲透。三種生態(tài)袋中，生態(tài)袋2 的纖維結(jié)構(gòu)最為密實(shí)，表明生態(tài)袋2 具有更高的袋體強(qiáng)度。此外，從放大400 倍后的熒光顯微圖像可以看出，生態(tài)袋纖維的寬度略粗于土工袋，這也是生態(tài)袋具有更高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要原因。

圖2 土工袋1 熒光顯微圖像

圖3 土工袋2 熒光顯微圖像

圖4 生態(tài)袋1 熒光顯微圖像

圖5 生態(tài)袋2 熒光顯微圖像

圖6 生態(tài)袋3 熒光顯微圖像

3 生態(tài)袋的力學(xué)性能

生態(tài)袋力學(xué)性能是影響其防護(hù)功能和耐久性的重要因素。本研究采用《土工合成材料寬條拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 15788-2017）的方法對(duì)2 種土工袋和3 種生態(tài)袋的縱向和橫向斷裂強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，采用《土工合成材料 靜態(tài)頂破試驗(yàn)(CBR 法)》（GB/T 14800）的方法對(duì)2 種土工袋和3 種生態(tài)袋的CBR 頂破強(qiáng)力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1 所示。

從表1 可以看出，三種生態(tài)袋的各項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于土工袋，這與第2 節(jié)的分析結(jié)果一致，即更高的纖維密度可以有效增強(qiáng)袋體的強(qiáng)度。

表1 各試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

4 生態(tài)袋的透水性能

4.1 水對(duì)生態(tài)袋的浸潤(rùn)性

透水性是采用生態(tài)袋進(jìn)行坡面防護(hù)的一大優(yōu)勢(shì)，是透水不透砂土的，這就需要生態(tài)袋對(duì)水具有較好的滲透性。在水對(duì)生態(tài)袋袋體的滲透過(guò)程中，水分對(duì)袋體進(jìn)行浸潤(rùn)是滲透出袋體的先決條件。

本文采用接觸角參數(shù)對(duì)5 種試件與水的結(jié)合能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般認(rèn)為，當(dāng)固液接觸角小于90°時(shí)，液體可以浸潤(rùn)固體表面，當(dāng)固液接觸角大于90°時(shí)，則液體不能浸潤(rùn)固體表面[8-9]。本文采用承德優(yōu)特檢測(cè)儀器制造有限公司生產(chǎn)的JY-PHB 型接觸角測(cè)定儀對(duì)水和5 種試樣的接觸角進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，首先，將剪切好的試件鋪展在接觸角測(cè)定儀載物臺(tái)上，并用玻璃片按壓平整；其次，采用滴定器將約5 微升水滴至試件表面，并在試件表面形成液滴；再次，調(diào)整接觸角測(cè)定儀的光源和焦距，使成像清晰，繼而分別獲取5 種試件與水滴的接觸角圖像；最后，利用JYPHB 型接觸角測(cè)定儀自帶的分析軟件，采用切線法分別求取液滴的左、右接觸角，如圖7 所示，以左右接觸角的平均值作為水與該試件的接觸角度，結(jié)果如表2 所示。

圖7 接觸角圖像

測(cè)量過(guò)程中，生態(tài)袋1 具有極強(qiáng)的透水性，無(wú)法在其表面形成水滴，因此未測(cè)得其與水滴的接觸角度。從表2可以看出，三種生態(tài)袋與水滴的接觸角度均小于90°，而兩類(lèi)土工袋與水滴的接觸角均大于90，即水無(wú)法浸潤(rùn)其表面。因此，土工袋在使用過(guò)程中，袋中積水無(wú)法對(duì)袋體進(jìn)行浸潤(rùn)，從而難以滲透出袋體，會(huì)在袋體和護(hù)坡內(nèi)部形成積水，并產(chǎn)生水壓力。當(dāng)水壓力增大至一定程度后，將會(huì)使堆砌的護(hù)坡失穩(wěn)垮塌。在三種生態(tài)袋中，生態(tài)袋1 具有最好的透水性能，生態(tài)袋2 次之。

表2 各試件與水的接觸角測(cè)試結(jié)果

4.2 恒水頭滲透性

為更直接評(píng)價(jià)水對(duì)生態(tài)袋袋體的滲透性，參照土工織物的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，水對(duì)土工織物的滲透性可采用垂直滲透系數(shù)、透水率等參數(shù)進(jìn)行表征[10-11]。其中，垂直滲透系數(shù)可定義為在單位水力梯度下垂直于土工織物平面流動(dòng)的水的流速，透水率可定義為垂直于土工織物平面流動(dòng)的水，在水位差等于1 時(shí)的滲透流速。本文采用《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》T 1141-2006 垂直滲透性能試驗(yàn)（恒水頭法）對(duì)5 種試件的恒水頭滲透性能進(jìn)行了測(cè)試，并計(jì)算了透水率。結(jié)果如表3 所示。從表3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：生態(tài)袋的透水率顯著大于土工袋，且生態(tài)袋1 的滲透系數(shù)和透水率均顯著高于其他四種試件，生態(tài)袋2 的透水率略高于生態(tài)袋3，這與2.1 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果一致。

表3 各試件的恒水頭滲透性試驗(yàn)結(jié)果

綜合以上生態(tài)袋透水性能測(cè)試結(jié)果可知，水對(duì)生態(tài)袋和土工袋袋體進(jìn)行滲透的先決條件是水對(duì)袋體材料的浸潤(rùn)，這一過(guò)程可采用接觸角試驗(yàn)進(jìn)行表征，接觸角越小，則袋體材料與水的浸潤(rùn)性越好，相應(yīng)的滲透性也越好。

5 結(jié)論

本文以3 種生態(tài)袋和2 種土工袋為研究對(duì)象，對(duì)生態(tài)袋的纖維結(jié)構(gòu)和透水特性展開(kāi)了研究，取得了如下主要結(jié)論：

5.1 生態(tài)袋的構(gòu)成纖維明顯比土工袋纖維致密，有利于生態(tài)袋袋體形成較好的強(qiáng)度，且可以阻絕袋中的砂土顆粒透出。

5.2 水對(duì)生態(tài)袋和土工袋袋體進(jìn)行滲透的先決條件是水對(duì)袋體材料的浸潤(rùn)，這一過(guò)程可采用接觸角試驗(yàn)進(jìn)行表征，接觸角越小，則袋體材料與水的浸潤(rùn)性越好，相應(yīng)的滲透性也越好。

5.3 三種生態(tài)袋中，生態(tài)袋2 具有更高的纖維密度，而生態(tài)袋1 具有更好的透水性能。