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土工布的概念定义及作用和发展前景

102人参与 |  2019年07月10日 08:56|  作者:   |  评论:0
  摘要  

  土工布是一种新型建筑材料,广泛应用于公路、铁路、建筑、水利、农业等领域。非织造土工布因其性能优异、加工简单、成本低廉等特点,已成为当今世界土工布发展的主要方向。简述非织造土工布的优点和发展概况,介绍非织造土工布的原料、生产技术、功能及应用,指出了非织造土工布的发展方向和前景。土工布是应用于土木工...

  土工布是一种新型建筑材料,广泛应用于公路、铁路、建筑、水利、农业等领域。非织造土工布因其性能优异、加工简单、成本低廉等特点,已成为当今世界土工布发展的主要方向。简述非织造土工布的优点和发展概况,介绍非织造土工布的原料、生产技术、功能及应用,指出了非织造土工布的发展方向和前景。土工布是应用于土木工程中的纺织品。美国的一个材料实验学会 (ASTM) 给土工布下的定义为:“一切和地基、土壤、岩石、泥土或任何其他土建材料一起使用,并作为人造工程、结构、系统的组成部分的纺织品,即叫做土工布”。1926 年荷兰首次将其应用于岩土工程领域;20 世纪 50 年代末,美国第一次用合成纤维制成的土工织物代替传统的砂石滤料用于海滩护岸工程中;我国从 20 世纪 80 年代起才开始在铁路、水利部门中应用。此后的几十年间,土工布迅猛发展,在国际上被称为是继钢材、水泥、木材之后的第 4 种新型建筑材料,广泛应用于铁路、公路、水利、电力、冶金、矿山、建筑、军工、海港、农业等领域,具有排水、过滤、隔离、加固、保护、防渗、防漏等作用。甚至有专家预测“土工布是多种类型纺织品中唯一有广泛生命力的产品”。它的发展将促进各行业的科技革新,对国家经济建设起着巨大的作用,是一种很有发展前途的纺织品。因此,对土工布的开发应用具有重要的社会价值和可观的经济价值。

  1 非织造土工布概况

  土工布按其加工和生产的方法不同,分为机织土工布、编织土工布和非织造土工布。其中非织造土工布无需纺和织,而是利用短纤维或长丝加工成为纤维网,再经机械、热粘合或化学粘合固结而成的布状材料。

  1.1 非织造土工布的发展

  在土工布发展初期,土工布产品基本上是机织型,这种土工织物的结构由经纱和纬纱交织而成。抗拉强度大,主要用作加固建工材料。但伸长率小,经纬纱易错动,水平渗透性差,其应用受到很大的限制。随着经济的全球化,土工布的应用领域不断扩大,机织土工布远远不能满足市场要求。非织造土 工布是通过纤维成网和固结的方法制成,纤维排列呈三维结构,具有良好的延伸性和力学性能等。20 世纪 50 年代前后,欧美国家开始将非织造布应用于土工领域,20 世纪 60 年代逐步推广到世界各地,并自 20 世纪 70 年代后获得越来越快的发展。到 20 世纪 90 年代中期(以美国为例),土工布的年需求量在 3.6亿 m2 以上,其中非织造型土工布所占比例高达 85%。进入 21 世纪以来,世界土工布用量已超过了 15 亿 m2,非织造土工布占全部土工布的比例达到 70%左右。到目前为止,我国土工布的用量已超过 2.5 亿 m2,而非织造土工布的比重约占总量的 60%。非织造土工布由于性能优异、加工简单、成本较低等特点,已成为当今世界土工布发展的主要方向,占有 68%左右的市场份额。

  1.2 非织造土工布的优点

  与机织土工布相比,非织造土工布能够选用不同的原料与工艺流程,设计成具有广泛结构特征与不同性能的织物,生产成本低,价格便宜。其主要特点表现如下。

  1.2.1 非织造土工布大多以合成纤维为原料,其产品具有良好的抗拉强度、抗撕裂强度、延伸性以及耐酸碱、耐生物等化学稳定性能。

  1.2.2 非织造土工布的工艺流程简单,可以在一条连续的生产流水线上完成,生产周期短,生产速度高。

  1.2.3 非织造土工布可以制成不同的定量和厚度,保证了良好的膨松性和透水性。

  1.2.4 非织造土工布孔隙范围大,门幅宽。

  2 非织造土工布原料的选用

  土工布原料的选用要结合实际情况,既要考虑所使用领域对其物理化学性能的要求,又要注意产品成本。目前主要以合成纤维为主,因合成纤维具有强度高、抗老化、耐腐蚀、耐酸碱等优点。其中应用最普遍的是涤纶和丙纶。涤纶强力高、熔点高、具有优良的韧度和蠕变特性,尤其在抗紫外线、抗老化性能上均能够满足工程要求。丙纶耐酸碱性好、耐腐蚀、耐霉变,不易受细菌侵蚀,具有较好的芯吸效应,对水的渗透性能好,且比重轻,价格便宜。其次是锦纶和维纶,它们耐碱性好,耐酸性较差,锦纶土工布不宜用于 pH<5 的土壤中,而维纶用于海岸工程,耐海水侵蚀。国外非织造土工布的原料,除采用涤纶、丙纶、锦纶、维纶外,还采用黄麻纤维、聚乙烯纤维、聚乳酸(PLA) 纤维。天然纤维和特种纤维也逐步进入土工领域。有研究者曾报道了天然纤维(如黄麻、椰子壳纤维、竹浆纤维)在路基、排水、护岸、控制土壤侵蚀等领域的不同应用。Amit Rawal等人对以黄麻和以涤纶为原料的非织造土工布的结构进行了比较,发现前者的各向异性较小,且织物紧密。随新材料的不断开发,非织造土工布原料的选用范围增加,加之生产技术的进步,越来越多的功能型土工布展露市场,显示出土工布发展的蓬勃生机。

  3 非织造土工布的生产技术

  按成网和固着方法的不同,一般将非织造土工布的生产技术分为三大类:纺粘技术、短纤针刺技术和热熔粘合技术。每种技术各有千秋,往往根据所选原料、制成土工布的性能和成本等不同而选用合适的生产技术。

  3.1 纺粘技术

  将聚合物的粒子或粉末熔融,纺成连续的长丝束,不规则地铺放在传送带上形成纤网,当长丝束还未完全凝固时,用热压罗拉加压,或用针刺法加固,亦或者用粘合剂粘合而形成连续均匀的土工布。这种技术工艺简单,产量高,生产出的土工布在同等规格条件下其抗拉强度、撕裂强度、断裂伸长以及纵横向比等性能均比短纤维针刺土工布优越很多,适用于增强和加固等工程。但设备投资大,不适合小批量、多品种的生产。

  3.2 短纤针刺技术

  短纤维(如聚丙烯、聚酰胺、聚乙烯、黄麻等)经过开松混合、梳理成网、铺网、牵伸及针刺固结后形成成品。厚度大、密度高、结构蓬松,吸水和透水性能好,抗形变能力强,尤其适合做反过滤材料。但生产工艺长,成本稍高。这种方法加工的土工布是我国目前用量最大的非织造土工布之一。

  3.4 复合化生产技术

  随着土工布应用范围的扩大,单一技术生产的非织造土工布已不能满足需求,复合化生产大大提高了土工布的使用性能,已成为其最终产品的发展趋势。我国一般都是将非织造布和不透水膜进行复合,国外有多种芯层复合。土工膜和土工格栅是最常见的两种复合方式。土工膜多采用针刺土工布与 PVC、PE 以及橡胶等防渗材料通过涂层或热压复合而成,具有水平向排水、垂直向防渗的功能。

  4 非织造土工布的功能和应用

  非织造土工布的用途多种多样,其主要功能包括加强作用、隔离作用、过滤作用和排水作用。

  4.1 加强作用

  非织造土工布的加强作用是利用土工布的拉伸性能改善土壤层的机械性能,限制土工工程在长时间使用过程中发生位移,起到一定的稳定性作用。主要用于公路、铁路、机场等设施,如铁路建设方面利用非织造土工布解决路基翻浆冒泥等危害,成功率可达 90%以上。4.2 隔离作用非织造土工布的隔离作用主要表现在两个方面,一是阻止不同路线或不同层次材料的彼此混合,保持和改善两种材料的整体性和运行性能;二是阻止滤层的污染和腐蚀,保证工程质量,加快工程进度。主要用于堤坝、软土层上建筑公路或铁路地基等,要求非织造土工布的孔隙率要小。

  4.3 过滤作用

  非织造土工织物具有良好的透水、透气性,发挥过滤作用时起着类似过滤器的功效,能有效地截留土颗粒、细砂及小石料而滤去水流,防止土体破坏,保持土石工程的稳定。如在河堤与护砌之间铺设土工布能阻止土壤的冲蚀,防止河岸塌陷。若土工布放在同一土壤中,能通过降低土壤中的含水量,或加强土壤承担应力,起到改良土壤性能的作用。

  4.4 排水作用

  非织造型土工布是一种良好的导水材料,织物本身形成排水通道,将土体结构内部多余的水分汇集在织物之内,沿着织物缓慢的排出土体。现广泛应用于土石坝排水、地下排水、路基、挡土墙及软土基础排水等方面,要求非织造土工布具有一定的导水率、滞留泥纱和细纱的工艺配置:总牵伸倍数为 36.12 倍,后区牵伸倍数 1.41,捻系数 138,倍粗 1.69,罗拉速度 180r/min。络筒工序在合理配置清纱工艺的同时,采用适当的卷绕张力和接触压力来减少纱表面毛羽。

  4 结 语

  非织造土工布则越来越起着主导作用。我国是一个具有巨大发展潜力的国家,各种工程的修复及巨大而广泛的新的工程建设都面临着大量土工布的需求,非织造土工布发展势在必行。未来 3——5 年,我国非织造土工织物需求的比例将由目前的 55%提高至 70%以上,与世界土工织物需求发展趋势一致。目前,我国对非织造土工布的技术应走向科学化、标准化、经济合理化;机械设备加工应规范化、标准化;产品应趋向系列型、复合型、综合型发展;不断拓展非织造土工布的应用领域,增加其在国内外市场的占有份额。


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