滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的性能研究

(東華大學紡織學院，上海，201620)

土工布可分為機織類、針織類(主要指經編類產品)、非織造類及復合類[1]。盡管工藝類型不同，但總體上均具有一定的物理性能和水力學性能，能夠應用于巖土工程、水利和市政建設等領域。本文以目前廣泛應用的滌綸紡黏針刺土工布和滌綸短纖維針刺土工布為例，研究了兩者在拉伸斷裂強度及伸長率、梯形撕裂強力、CBR頂破強力、握持強力及伸長率等力學性能指標上的差異[2]，為實際工程設計提供理論指導。

1 試樣

1.1 滌綸紡黏針刺土工布

滌綸紡黏針刺土工布試樣的面密度分別為100、200、300和400 g/m2，其生產工藝是：

聚酯切片→結晶干燥→螺桿擠壓→熔體過濾→紡絲→側吹風冷卻→氣流牽伸→擺絲鋪網→預針刺→主針刺→儲布→切邊成卷。

1.2 滌綸短纖維針刺土工布

滌綸短纖維針刺土工布試樣的面密度分別為100、200、300和400 g/m2，其生產工藝是：纖維包→混合開松→精開松→梳理→鋪網→預針刺→主針刺→修面針刺→切邊成卷。

2 性能測試

2.1 拉伸斷裂強度及伸長率

采用YT010型土工布綜合強力機，按照標準GB/T 15788—2005方法測試。

測試條件：環境溫度20 ℃，相對濕度65%；試樣尺寸200 mm×200 mm；夾持隔距100 mm，拉伸速度100 mm/min。縱橫向取樣數量分別為10個。

2.2 梯形撕裂強力

采用YT010型土工布綜合強力機，按照標準GB/T 13763—2010方法測試。

測試條件：環境溫度20 ℃，相對濕度65%；試樣尺寸200 mm×75 mm；夾持隔距25 mm，拉伸速度50 mm/min。縱橫向取樣數量分別為10個。

2.3 CBR頂破強力

采用YT010型土工布綜合強力機，按照標準GB/T 14800—2010方法測試。

測試條件：環境溫度20 ℃，相對濕度65%；試樣為Ф300 mm的圓形試樣；頂壓速度50 mm/min。取樣數量10個。

2.4 握持強力

采用YT010型土工布綜合強力機，按照標準SL 235—2012方法測試。

測試條件：環境溫度20 ℃，相對濕度65%；試樣尺寸200 mm×100 mm；夾具面鉗口尺寸為寬25 mm，長50 mm；試樣長邊平行于荷載作用方向，試樣計量長度75 mm，在長度方向上試樣兩端應伸出夾具至少10 mm；拉伸速度300 mm/min。縱橫向取樣數量分別為10個。

3 結果與分析

3.1 拉伸斷裂強度及伸長率

土工布的拉伸斷裂強度及伸長率通過寬條樣法拉伸試驗測出，是土工布力學性能要求中最基本的一項指標。滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的縱橫向拉伸斷裂強度及伸長率如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2數據分析可知：

(1)縱橫向斷裂強度：滌綸紡黏針刺土工布均大于滌綸短纖維針刺土工布，數值上前者約是后者的2倍。

(2)縱向斷裂伸長率：面密度低于200 g/m2時，滌綸紡黏針刺土工布>滌綸短纖維針刺土工布；面密度大于200 g/m2、小于400 g/m2時，滌綸紡黏針刺土工布<滌綸短纖維針刺土工布。

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖1 不同面密度土工布的拉伸強度

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖2 不同面密度土工布的斷裂伸長率

(3)橫向斷裂伸長率：面密度低于約150 g/m2時，滌綸紡黏針刺土工布>滌綸短纖維針刺土工布；面密度大于150 g/m2、小于400 g/m2時，滌綸紡黏針刺土工布<滌綸短纖維針刺土工布。

滌綸紡黏針刺土工布的拉伸斷裂強度大于滌綸短纖維針刺土工布是因為單纖維的強力起到了主要作用。滌綸紡黏針刺土工布的纖維是由管式氣流牽伸裝置牽伸而成，紡絲速度達到5 000 m/min[3]，單絲性能類似于化纖紡絲中的全拉伸絲(FDY)，因而其強力較高。同時，由于滌綸紡黏針刺土工布中的纖維是長絲，在受到外界拉伸時，單纖維強力的貢獻較短纖維大，且相互間的纏結接觸以及摩擦力大，從而使得滌綸紡黏針刺土工布的拉伸強力大于短纖維針刺土工布。

在面密度較低時，滌綸紡黏針刺土工布的尺寸穩定性較差，伸長率較滌綸短纖維針刺土工布大；而面密度高時，滌綸短纖維針刺土工布的伸長率比滌綸紡黏針刺土工布大。主要原因是面密度低時，土工布厚度小，加之長絲剛度較大，其纖維間的抱合較短纖維之間的抱合困難；隨著面密度的增加，土工布厚度增大，纖維之間的接觸增多，長絲與周圍纖維有更多的纏結和抱合。

3.2 梯形撕裂強力

測試織物撕裂性能的方法有舌形法、梯形法、落錘法和翼形法等，而梯形法撕裂是在土工布測試中較為廣泛采用的。滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的梯形撕裂強力如圖3所示。

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖3 不同面密度土工布的梯形撕裂強力

由圖3數據分析可知：滌綸紡黏針刺土工布的縱橫向梯形撕裂強力均大于滌綸短纖維針刺土工布，數值上前者約是后者的2倍。撕裂破壞作用主要是依靠撕裂三角區的局部應力場作用。相對于機織土工布，針刺非織造土工布變形能力大，因而隨著撕裂應力集中區的擴大，撕裂的不同時性主作用明顯減弱，轉向大面積的拉伸[4]。就其本質而言，梯形撕裂法針對針刺土工布的評價主要還是體現了拉伸斷裂性能。因此，本文兩種土工布的梯形撕裂強力的相對性能與拉伸斷裂強度是一致的。

3.3 CBR頂破強力

土工布在一垂直于其平面的負荷作用下，頂起或鼓起擴張而破裂的現象稱為頂破。測試織物頂破性能的方法有圓球頂破、CBR頂破、氣壓脹破、液壓脹破等，這些方法在土工布的測試中都有應用，并有相應的測試標準。本文的CBR頂破強力是使用直徑為50 mm 的平頭圓柱頂桿垂直頂壓試樣，以過程中的最大頂壓力表征。滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的CBR頂破強力如圖4所示。

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖4 不同面密度土工布的CBR頂破強力

由圖4數據分析可知：滌綸紡黏針刺土工布的CBR頂破強力均大于滌綸短纖維針刺土工布，數值上前者約是后者的2倍。針刺土工布被頂破主要是纖維的斷裂和纖維網的松散化，頂破口是一個隆起的松散纖維包[4]。影響針刺土工布頂破強力的最直接的因素是其拉伸斷裂強度，隨著縱橫向拉伸斷裂強度的增加，頂破強力明顯提高。因此，本文兩種土工布的CBR頂破強力的相對性能與拉伸斷裂強度是一致的。

3.4 握持強力及伸長率

握持強力是土工布一項重要的力學性能指標。這一指標表示了在特定寬度范圍內的土工布在局部被夾持的條件下進行拉伸時所能夠承受的最大拉力。握持強力反映的是土工布分散集中應力的能力，即對集中載荷的擴散范圍越大，握持強力越大。滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的握持強力及伸長率如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6數據分析可知：

(1)縱橫向握持強力：滌綸紡黏針刺土工布均大于滌綸短纖維針刺土工布，數值上前者約是后者的2倍。

(2)縱向握持伸長率：面密度低于250 g/m2時，滌綸紡黏針刺土工布<滌綸短纖維針刺土工布；面密度大于250 g/m2、小于400 g/m2時，滌綸紡黏針刺土工布>滌綸短纖維針刺土工布。 (3)橫向握持伸長率：滌綸短纖維針刺土工布均大于滌綸紡黏針刺土工布，數值上前者約是后者的1.15倍。

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖5 不同面密度土工布的握持強力

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖6 不同面密度土工布的握持伸長率

兩種土工布的握持強力均小于相應面密度的拉伸斷裂強力，這是由于局部夾持造成應力集中，對土工布的破壞性較大。滌綸紡黏針刺土工布易于轉移集中應力。

4 結論

(1)滌綸紡黏針刺土工布的縱橫向拉伸斷裂強度、梯形撕裂強力、CBR頂破強力和握持強力均大于滌綸短纖維針刺土工布，數值上前者的各項力學性能指標均約是后者的2倍。

(2)滌綸紡黏針刺土工布在面密度較低時，其縱橫向拉伸斷裂伸長率較大；隨著面密度的增大，斷裂伸長率變化幅度較小。滌綸短纖維針刺土工布與之相反，面密度低時，縱橫向斷裂伸長率小；隨著面密度的增大，斷裂伸長率增大，即面密度高時，尺寸穩定性不如滌綸紡黏針刺土工布。

(3)面密度較低時，滌綸紡黏針刺土工布的縱向握持伸長率小于滌綸短纖維針刺土工布；面密度增大到250 g/m2之后，滌綸紡黏針刺土工布的縱向握持伸長率大于滌綸短纖維針刺土工布。滌綸紡黏針刺土工布的橫向握持伸長率始終小于滌綸短纖維針刺土工布，后者約是前者的1.15倍。

在實際巖土工程等設計中，應綜合考慮兩種土工布所起的作用或其具體的受力情況，合理選擇土工布種類和規格，上述結論對其具有重要的意義。

[1] 劉玉蘭.土工織物發展綜述[J].非織造布，1996(4)：1-4.

[2] 葉欒梁，徐樸.土工布的生產技術和性能要求[J].紡織導報,2000(3)：36-40.

[3] 柯勤飛，靳向煜. 非織造學[M]. 2版.上海：東華大學出版社，2010：246-247.

[4] 于偉東. 紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，2006:296-297.