土工布发展现状及趋势展望

2017-06-05 21:06:48 纺织导报 2017年5期

杨广庆

摘要:总结分析了土工布的生产工艺类型和原料种类,提出非织造型土工布具有更为广泛的应用领域;介绍了长丝纺粘针刺技术和短纤针刺技术两种非织造型土工布生产工艺;基于土工布的功能分析,指出防渗工程、高铁无砟轨道滑动层、粉煤灰堆场工程、尾矿库堆场工程、矿山堆浸场工程和生态袋边坡防护工程等应用领域对土工布提出了高强度、耐酸碱性、耐腐蚀性和耐霉变性等高标准要求,提出了高強、耐环境型聚丙烯长丝纺粘针刺土工布是土工布行业的重要发展方向。

关键词:织造型土工布;非织造型土工布;生产工艺;应用现状;建议

中图分类号:TS176+.5 文献标志码: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 土工布类型及生产工艺

土工合成材料作为一种新型的岩土工程材料,可以天然或人工合成聚合物(塑料、化纤、合成橡胶等)为原料,制成各种类型的产品,置于土体内部、表面或各层土体之间,发挥加强(加固)或保护土体的作用。目前,土工布己经广泛应用于公路、铁路、水利、电力、建筑、海港、采矿、军工、环保等工程的各个领域。土工合成材料的主要品种有土工织物、土工格栅、土工网、土工膜、土工格室、土工复合材料、土工合成材料膨润土垫(GCL)、土工管、土工泡沫等。

1.1 土工布类型

土工织物是以聚合物纤维为原料通过热压针刺、胶结、编织而成的透水性土工合成材料,又称土工布,包括织造、非织造等几种类型。织造型土工布包括编织(平织法、圆织法)、机织(平纹法、斜纹法)、针织(经编法、缝编法)等生产工艺生产的产品。非织造型土工布包括机械加固(针刺法、水刺法)、化学粘合(喷胶法、浸渍法)、热粘合(热轧法、热空气法)等生产工艺生产的产品。工程应用上可单独使用土工布,也可与土工格栅、土工膜、土工网等其他土工合成材料复合后使用。

织造型土工布出现于上世纪60年代,其特点是强度高、造价高,反滤、排水功能差,在工程应用中具有局限性。非织造型土工布开始于20世纪60年代末期,我国在80年代初期开始应用该材料于工程实体中。中国的非织造布工业虽然起步较晚,但是发展速度很快,高性能的原料赋予产品高的强力与耐用性,先进的生产工艺赋予产品良好的功能,使其应用范围不断扩大。特别是近30年来,随着针刺非织造、纺粘非织造工艺的推广,使非织造型土工布应用领域较织造型土工布更为广泛,得到快速发展,我国已发展成为世界非织造布生产大国,并逐步迈向生产强国。

1.2 土工布原料

目前土工布原料主要以合成纤维为主。各种合成纤维的选用需结合工程实际情况,既要考虑所使用领域对其物理化学性能的要求,又要考虑产品成本,其中应用最普遍的是聚酯纤维和聚丙烯纤维,其次是聚酰胺纤维和聚乙烯醇缩醛纤维。聚酯纤维物理机械性能良好,具有优良的韧度和蠕变特性,熔点高、耐高温、耐老化,生产工艺成熟、市场占有率高。缺点是疏水性差、用于保温材料时容易积存冷凝水,低温下性能差、易玻璃化、强度降低,对酸、碱的耐抗性较差。聚丙烯纤维弹性好、瞬间弹性恢复优于聚酯纤维;耐酸碱性、耐磨性、耐霉变、耐低温性能优良;具有很好的疏水性和芯吸性能,能使水分沿纤维轴向传递到外层表面;密度小、仅为聚酯纤维的66%,经多次牵伸可以得到结构紧密、性能优越的细旦纤维,再配合加固过程可使其强度更加优越。缺点是不耐高温、软化点为130 ~ 160 ℃,耐光性差、在日光下易于老化分解,但可以通过添加紫外线吸收剂等助剂使其具备抗紫外线性能。

非织造土工布的原料除采用以上纤维外,还可采用黄麻纤维、聚乙烯纤维、聚乳酸(PLA) 纤维等。天然纤维和特种纤维已逐步进入土工布各个应用领域,如天然纤维(黄麻、椰子壳纤维、竹浆纤维等)在路基、排水、护岸、控制土壤侵蚀等领域都有应用。随着新材料的不断开发,非织造土工布原料的选用范围不断扩展,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。

1.3 非织造型土工布生产工艺

相对于织造土工布,非织造土工布生产工序较少,生产效率较高、生产成本低,同时能制成较宽幅制品,因此近年来非织造土工布发展迅速。按成网方法的不同,常见的非织造型土工布生产工艺包括长丝纺粘针刺技术和短纤针刺技术。

长丝纺粘针刺技术是将聚合物加热熔融,纺成连续的长丝束,经气流牵伸,赋予纤维强力,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,用针刺法加固后一步法成形的非织造技术。这种技术工艺流程短、产量高,生产出的土工布在同等规格条件下抗拉强度、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得多,适用于增强和加固等工程应用。但纺粘针刺工艺设备投资大,成网均匀度、产品变换的灵活性差,不适合小批量、多品种的生产。

短纤针刺技术是通过聚合物加热熔融、纺丝、牵伸、卷曲定形、切断、打包制成短纤维材料,以及短纤维开清、梳理、铺网、针刺固结成布两步法成形的非织造技术,该产品厚度大、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。针刺法非织造布工艺流程短,运用原料品种多,设备结构简单,一次性投资少,因此以短纤针刺加工的土工布是我国目前用量最大的非织造土工布。

2 土工布主要功能

土工布的用途多种多样,其主要功能包括过滤、排水、隔离、加筋、防护和防渗等。

2.1 过滤作用

由于土工布具有良好的透水、透气性,将其置于土体结构中可允许土体内部的液体通过并排出,同时起到保土作用,能有效阻止上游土颗粒、细砂及小石料的流失,防止土体破坏,保持工程的安全稳定。如用土工布阻止土粒迁移渗入排水骨料或排水管,同时保持排水系统正常工作;在海岸和河岸的抛石防护层和其它护岸材料下面铺设土工布,能阻止土壤的冲蚀,防止河岸塌陷等。

2.2 排水作用

土工布作为一种良好的导水材料,材料本身做为排水通道,可将土体结构内部的水分汇集在土工布内,沿着材料缓慢地排出土体。目前已广泛用于土石坝排水、地下排水、路基、挡土墙及软土地基排水等工程。如铺设于路堤底部垫层中的土工布可作为排水通道排除地下水,也可作为加筋材料提高路堤稳定性。

2.3 隔离作用

隔离作用是指土工布能够把两种具有不同性质的材料隔离开来,以免相互混杂而失去各种材料的整体性和结构完整性。如铺设于普通铁路道砟与路基之间的土工布可有效隔离碎石道碴与土路基。

2.4 加筋作用

土工布置于土体内部作为加筋材料,或土工布与土相结合形成一个复合体,加筋复合土体与未加筋土体相比,其强度及变形性能都得到明显的改善。如用土工布加筋可提高土体的抗拉强度,从而能够建造加筋土陡边坡或加筋土挡墙;加筋垫层中的土工布可提高路堤的稳定性等。

2.5 防渗作用

将土工布和土工膜等复合后具有较低的透水(气)性,可阻止液体或气体流动和扩散,发挥防渗作用或包容作用。如水库防渗、土石坝防渗以及垃圾填埋场防渗等。

2.6 防护作用

通过设置土工布防护措施,可减少由降雨冲击和地表水径流造成的土壤流失。如将土工布与土工网复合后铺在边坡裸露土体的表面,可以有效地避免或减轻降水和地表径流的侵蚀;用土工布制成的泥沙栅栏能够滤掉浑浊径流中的悬浮泥土颗粒等。

2.7 其他

除此以外,土工布还能发挥其它方面的作用。如土工布织袋包裹碎石桩可有效提高碎石桩的强度、减小桩体侧向位移。土工布也可用作混凝土模袋和沙袋。用土工布制成的圆柱形土工管袋可以采用水力充填方式构成海岸线堤防等。

3 土工布应用现状分析

随着社会发展、应用范围的扩大和使用功能需要的提高,非织造土工布在应用过程中会遇到各种使用环境,进而对土工布的性能要求也越来越高。

3.1 防渗工程

在垃圾填埋场、污染物储存池、污水处理厂、环保及水工结构防渗等领域,土工布与土工膜复合后可实现其防渗功能。但由于垃圾填埋场垃圾成分较为复杂,同一垃圾填埋场不同区域垃圾渗沥液的酸碱性也不尽相同,复杂的酸碱性条件对土工布的耐酸碱性能提出了严格要求。基于工程的长期性考虑,要求土工布具有耐环境温度、抗腐蚀、高强度、耐酸碱性能好、耐久性好等特点。

3.2 高铁无砟轨道滑动层

为了阻断桥梁因温度变化而产生的伸缩变形对纵连轨道结构的影响、减小轨道系统与桥梁间的相互作用,确保轨道结构的稳定和平顺,我国铁路客运专线对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道系统的重要组成部分 ——“两布一膜”滑动层,即 2 层土工布中间夹 1 层土工膜(400 g布 + 1.0 HDPE膜 + 200 g布)的下层土工布以及CRTS III型板式无砟轨道隔离层土工布提出了严格要求。通过胶粘剂将该层土工布粘在梁面防水层或梁面上时,由于底座混凝土板呈碱性,土工布应具有优良的耐酸碱性、耐腐蚀、耐霉变性和耐磨性。

3.3 粉煤灰堆場工程

粉煤灰是电厂的废弃物,长期堆放时需要进行隔离处置。粉煤灰遇水后pH值会瞬时增加,且随着时间的延长pH值继续增长,最大可达12以上,呈强碱性,因此粉煤灰堆场对土工布的耐久性要求非常严格。

3.4 尾矿库堆场工程

为了提高尾矿库坝体的稳定性并减少对周围环境的影响,需对尾矿库堆场进行防渗和加筋防护处理,而金、铅、铜、氧化铝、汞、镉、铬和钼等金属尾矿库的渗沥液基本呈碱性,甚至呈强碱性,土工布及复合土工布的耐酸碱性需满足耐久性要求。

3.5 矿山堆浸场工程

中国矿产资源总量丰富,但具有品位低、矿石复杂难处理等特点,堆浸采矿技术是我国矿冶界应用最广泛的采矿技术,但选矿厂浸出液渗漏后会对地下水及土壤造成污染,破坏环境。为了有效地阻止呈酸碱性的浸出液渗漏,选用的土工布必须具有良好的耐酸碱性。

3.6 生态袋边坡防护工程

生态袋是由以聚丙烯为原料制成的高强度、平面稳定的针刺非织造土工布加工而成的袋子。生态袋具有很强的耐腐蚀性、抗紫外线性能,不降解,可以抵抗虫害的侵蚀,且抗老化、抗酸碱盐侵蚀及微生物分解。其透水不透土的功能既能防止袋内填充物(土壤及营养材料混合物)流失,又能实现水分在土壤中的正常交流,植物生长所需的水分可得到有效的保持和及时的补充,植物能通过袋体自由生长,根系进入工程基础土壤中,形成袋体与土体坡面间的再次稳固作用,是公路铁路边坡绿化防护、荒山矿山修复、河岸护坡和内河整治中重要的施工方法之一。综上所述,生态袋也应具备良好的耐酸碱性能。

由于目前常见的聚酯土工布耐酸碱性能较差,在碱性环境中强度和延伸率会下降,影响其使用性能和耐久性。而高强聚丙烯长丝纺粘针刺土工布由于强度高、延伸率低、抗形变能力强,密度小、施工简便,耐腐蚀性优异、适用于各种酸碱环境,不吸水,透水、导水性能良好等特点,已成为土工布行业的重要发展方向。

4 土工布行业发展建议

依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006 —2020年)》,科技部启动了国家重点研发计划“重点基础材料技术提升与产业化”重点专项,提出进行土工材料在应用环境条件下的服役行为与失效机理研究以及高强度、耐老化土工材料研制等系列研究工作。

该专项的目的是以提升大宗基础材料产业科技创新能力和整体竞争力为出发点,以国家重大工程和战略性新兴产业发展需求为牵引,着力解决重点基础材料产业面临的产品同质化、低值化,环境负荷重等重大共性问题,推进基础性原材料重点产业的结构调整与产业升级。通过基础材料的设计开发、制造流程及工艺优化等关键技术和国产化装备的重点突破,实现重点基础材料产品的高性能和高附加值,提升我国基础材料产业整体竞争力,满足我国高端制造业、战略性新兴产业创新发展的急需,為我国参与全球新一轮产业变革与竞争提供支撑,实现我国材料产业由大变强、材料技术由跟跑型为主向并行和领跑型转变。

从土工布生产设备、生产工艺和产品质量来看,我国聚酯土工布已经达到了世界先进水平。但作为行业主要发展方向的高强度、耐老化土工布的生产技术及产品在我国尚未取得重大突破。在欧美发达国家,高强聚丙烯长丝纺粘针刺土工布已占土工布行业产量的30% ~ 40%,有的国家甚至达到了50%,国外生产聚丙烯纺粘针刺土工布的知名企业有位于马来西亚、隶属于荷兰TENCATE公司的POLYFELT公司等。相比看来,我国高强聚丙烯长丝纺粘针刺土工布已落后于发达国家。

近年来,天鼎丰非织造布有限公司与意大利的FARE(法瑞)公司合作,成功研发了高强粗旦聚丙烯纺粘针刺非织造土工布生产技术,并已经实现了国产化,其技术指标达到并超过POLYFELT公司产品指标,改变了国外垄断该技术以及国内长丝布几乎全部是PET长丝布的现状,结束了我国工程应用中长期依赖进口国外聚丙烯纺粘针刺土工布的历史。可以预测,未来土工布市场仍将快速增长,聚丙烯非织造土工布势必将成为我国土工布行业发展的潮流方向之一。