非織造土工布的功能及應用

王鑫竹，錢曉明，黃順偉

(天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300387)

非織造土工布的功能及應用

王鑫竹，錢曉明，黃順偉

(天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300387)

介紹了非織造土工布的隔離、反濾、排水、加筋、防護和防滲基本功能，分析了其在水利、環(huán)境和道路工程中的應用，簡述了非織造土工布在收集重金屬、使用天然纖維和構建海綿城市方面的發(fā)展。

非織造土工布；功能；應用；發(fā)展

非織造土工布以其加工工藝簡單、成本低、產量大、生產效率高、性能優(yōu)異等特點逐漸成為了土工布的主要品種。目前我國土工布用量已超過3億m2，其中約40%為非織造土工布[1]。按成網和固著方法的不同，非織造土工布可分為紡黏土工布、短纖針刺土工布和熱熔黏合土工布三大類。非織造土工布主要以合成纖維為原料，產品經濟耐用，功能多樣，應用廣泛[2]。

1 非織造土工布的功能

非織造土工布具有隔離、反濾、排水、加筋、防護和防滲等基本功能，不同工程對非織造布功能的需求不同，其設計及選取的側重點也不一樣。

1.1 隔離功能

隔離功能對非織造土工布的孔隙率有一定要求，粒徑尺寸、密度、分布等物理性質不同的建材顆粒可通過非織造土工布彼此分離，從而使整體結構及功能保持完整、各材料間相互獨立，避免受到外力作用時材料相互擠壓彼此摻雜造成污染和腐蝕，提高工程效率。隔離功能主要用于堤壩、軟土層上修建公路或鐵路地基等，如用于混凝土路面的隔離層時，非織造土工布可減小面層與基層間的結合性，從而減小層間摩擦力、消除或減少混凝土面層底面在施工過程中產生的薄弱過渡層、延長混凝土路面的使用壽命[3]。此外隔離層還具有減震緩沖作用，作為混凝土面層與基層和路基間的彈性元件，可減少車輛行駛震動中引起的路面微振動帶來的破壞作用[4]。相較于瀝青混合料類隔離材料，二者隔離性能相近，但非織造土工布兼具減震、排水等功能，且經濟實惠、施工快捷，應用范圍廣泛。

1.2 反濾功能

非織造土工布具有細小的孔隙通道，土體中地下水可以通過織物而土粒被阻擋住，從而避免土顆粒流失和空隙水壓力過大而造成的土體失穩(wěn)。非織造土工布做反濾功能時主要考慮以下因素：(1)保土性。由于非織造土工布的孔隙大小出現的頻率呈正態(tài)分布而非均勻一致，所以引入有效孔徑O95表示織物中95%的孔徑低于該值，非織造布的等效孔徑O95應不大于被保護土的特征粒徑d85，以防止土粒流失產生滲透變形。(2)透水性。這要求土工布的滲透系數Kg大于10倍被保護土料的滲透系數Ks，以保證滲透水順暢排走。(3)防堵性。要求土工布與土料淤堵實驗所得梯度比GR不大于3，以防止長期使用中因淤堵而造成土工布失效；此外非織造土工布的抗拉強度、延伸率及撕裂強度也應符合國家標準要求。非織造布因其纖維雜亂排列的三維網絡狀結構使其成為理想的反濾、排水材料，但其受力時易產生壓縮變形而影響其反濾、排水性能，故在實際工程應用中必須要考慮到土壤、巖石等工程材料和結構壓力對非織造土工布的影響[5]。

1.3 排水功能

非織造布的纖維網絡狀結構使其孔隙率大、透水性好，水在壓差作用下得以通過纖維間水平和垂直的聯通孔隙排出，從而起到水平和垂直排水作用。影響非織造土工布排水性能的主要因素是厚度、孔徑大小及孔隙分布。非織造布的規(guī)格不宜過低，否則極易在施工過程中因其厚度和抗拉強度過低而被撕破，非織造布的規(guī)格過高其排水能力也未必最好，因此需依據行業(yè)規(guī)范要求及工程中的實際情況，選擇合適規(guī)格的非織造布。排水功能主要應用于土石壩、地下、路基、擋土墻及軟土基礎等的排水中。如隧道工程中常將孔隙率達90%以上的針刺無紡布鋪設在隧道襯砌中的防水層后，利用其雙向透水能力對侵入初襯后的地下水進行引排，排水的同時還起到了緩沖和保護的作用。實際工程中非織造布對水壓的卸載作用十分明顯，具體卸載程度還在進一步研究中[6]。

1.4 加筋功能

將非織造土工布按照一定的方式埋入土中，利用土工布較高的強度重新分布土體應力，限制土體變形，增強土體的抗剪強度，提高結構穩(wěn)定性和地基承載力。土工布作加筋設施時常用于加筋擋土墻，軟基筑堤加筋、加筋土坡等工程中，需針對不同工程應用情況進行相應的物理力學性能分析。如加筋土坡時除需滿足土坡內部的穩(wěn)定要求，還應滿足滑坡穩(wěn)定的要求[7]，且需確定加筋材料的作用位置及摩擦性質后才能選取筋-土界面參數[8]。又如高圍壓下土工布加筋黃土時，筋土復合體只有在承受較大的軸向應變時土工布的加筋效果才能充分發(fā)揮；而高圍壓下土體較小的側向變形使土工布對土體的加固效果相對很小，因此必須根據具體的圍壓范圍來選擇合理的加筋方式[9]。

1.5 防護功能

為滿足工程中特定的需求，常將非織造土工布制成各種土工制品，如土工模袋、土工織物填充袋、軟體排等。這時受到外力作用的土工布可將集中應力分解并傳導出去，從而有效起到防護作用，避免土體因被沖擊而結構破壞。防護功能的非織造土工布必須具備足夠的強度、耐久性及穩(wěn)定性，主要應用于路基建設、擋土墻及護坡工程中。在公路邊坡生態(tài)防護工程中，傳統(tǒng)的結構護坡方法生態(tài)效果不佳，而常規(guī)的噴播植草方法在南方又難以抵抗強降雨的沖刷，非織造布起到了良好的邊坡防護效果，將非織造布置入土體后鋪蓋適當寬度的土層，強降雨時可幫助雨水滲透又可防止土粒流失，同時避免徑流侵蝕坡面土壤，確保邊坡工程中結構的穩(wěn)定。實際工程中采用間距20 cm凸起構造的防護效果最佳，凸起構造在減緩雨水流速的同時還能攔截泥沙防止流失，從而使非織造土工布在護坡工程中達到最佳的生態(tài)和經濟效益[10]。

1.6 防滲功能

非織造布本身并不具備防滲性能，必須與其他材料結合成復合土工防滲膜，土工防滲膜分為一布一膜和兩布一膜兩種。一布一膜即將樹脂、增塑劑、抗老化劑等與非織造布結合；兩布一膜是將PE膜與非織造布結合從而具有防水、防滲的功能，攔截通過土體的滲透水流，防止流體滲透流失，而土工布起到導水作用。為避免產生氣泡和在施工中受損防滲膜厚度要求不小于0.25 mm，鋪設時采用埋入法以避免紫外線照射帶來損傷；同時避免鋪設過緊或過松起皺，土工布置于土工膜之下以對土工膜起到保護作用。用于防滲的非織造土工膜對接縫的處理十分嚴格，對四種接縫方式均有要求：(1)搭接寬度宜大于15 cm；(2)縫紉后加防水涂料處理；(3)熱焊是適用于非織造布基材較厚時，焊縫搭接寬度不宜大于10 cm；(4)粘接接縫長度宜大于10 cm，且無塵土、油脂和水分[11]。地形復雜時土工膜拼接質量難以保證，要求受損后易于自愈時常采用土工合成材料膨潤土防滲墊。非織造土工布防滲功能常應用于堤壩、輸水渠道等水利工程及環(huán)境工程中。

2 非織造土工布的應用

2.1 在水利工程中的應用

近幾年來國家對水利工程投入日益增長，大江、大河等大規(guī)模改造工程使得非織造土工布被大量地投入使用。在堤坡和河底護砌中，將非織造土工布與塊石或混凝土預制板結合在一起構成穩(wěn)定的防護結構，避免潮水直接滲進土壤、減小水流的沖擊力、增強護坡對水流的承載力，防止水土流失[12-14]。此外，非織造土工布可與混凝土組成模袋護坡結構，防止堤岸岸坡的基土被水流沖刷或侵蝕，從而避免塌岸、滑坡[14-15]。

在水利工程中應用最廣的是非織造土工布的排水及反濾功能。在廣東博羅廟灘水庫加固工程中，曾考慮過兩種降低壩體浸潤線的方案，方案一是使用施工簡單易行的干砌塊石排水棱體，但因石塊運輸費昂貴而放棄；方案二是選用非織造布作為壩內暗溝排水體的反濾層，包裹碎石、中間置入PVC濾水管。通過竣工后持續(xù)跟蹤觀測表明，非織造土工布的反濾效果和壩體暗溝排水均達到了預期效果，且這一方案與棱體排水方案相比工程造價降低了52%[16]。

2.2 在環(huán)境工程中的應用

城市化建設的不斷推進在帶動了經濟發(fā)展的同時也帶來了諸多問題，如城市垃圾的不斷增多如何處理一直是大家討論的焦點，其中用垃圾填埋法處理垃圾逐漸取得了大家的認可。除此之外，建筑、農業(yè)、工廠的廢物池中處理也十分重要。采用防滲復合土工膜不僅可以避免由于垃圾長時間堆放產生的有害氣體和液體下滲污染土壤及地下水，還可降低工程造價，真正做到經濟實用環(huán)保[17-19]。

用礦區(qū)廢棄物填補塌陷區(qū)是煤礦區(qū)土地復墾工程中十分常見的做法，但廢棄物如煤矸石中富含的酸性污染物和大量有毒重金屬離子與氧氣和水分接觸后，易產生富硫酸性礦區(qū)廢水對環(huán)境產生二次污染。KevinD.Park等將兩層細粒石粉之間夾上一層非織造針刺土工布以切斷毛管水運輸，將這一材料鋪在填充后的矸石上后能降低非織造布上部對水的吸收能力，從而降低水氧滲透，有效防止了二次污染；胡振琪等也通過實驗證明非織造土工布具有吸附重金屬能力，可有效降低淋出液中重金屬的含量[20]。

非織造土工布在環(huán)境綠化中也起著十分重要的作用，如將非織造土工布用于屋頂花園工程中，在防止水滲透引起屋頂潮濕的同時還可將自然水回收進行再利用。隨著生態(tài)環(huán)保越來越受到人們的重視，非織造土工布用于工程護坡、植被種植方面也在不斷嘗試[21]。柔性生態(tài)邊坡環(huán)境系統(tǒng)是一種基礎建設和坡面綠化為一體的新型建植方式，其中由非織造布制成的土工種植袋也稱生態(tài)袋，可有效避免昆蟲、老鼠啃咬造成的破壞，抵抗環(huán)境腐蝕和紫外線造成的傷害，同時卻不阻礙植物的根系透過土工布向外生長。這種非織造土工種植袋既透地下水又可防止袋中土壤瀉出，給與了植物自由生長環(huán)境，對綠化有非常重要的意義[22]。

2.3 在道路工程中的應用

道路工程是基礎設施建設中的重要環(huán)節(jié)，也是非織造土工布的主要應用之處。2017年在全國交通運輸工作會議上對2017年的道路建設提出了新目標：公路、水運完成固定資產投資1.8萬億元，新增高速公路5 000 km，新改建農村公路20萬km，以及新增貧困地區(qū)7 000個建制村通硬化路。非織造土工布在大量道路工程建設中有著不可或缺的作用。

首先非織造土工布是養(yǎng)護維修瀝青路面的理想材料。非織造土工布具有強度高、結構均勻、收縮系數小、韌性強、延伸率大等特點，通過浸漬或噴灑方法將其與瀝青結合后可同時起到防水和加筋的效果，鋪設在待維護的路面上操作簡單且堅固耐用。其次，非織造土工布可用于軟弱路基的穩(wěn)定加固。在道路施工時將非織造土工布鋪設在含水率高的軟弱路基中，可防止微小土粒轉移到高強路基材料中去，同時排出土壤中的水分避免土壤軟化松散。此外，土工布還可修復路面延緩反射裂縫。在包頭市鋼鐵大街道路改造中，為了解決混凝土路面破損、混凝土板塊間伸縮縫加大等問題，選用熱熔聚酯長纖土工布，其單位面積質量為180 g/m2，厚度<1 mm，斷裂強力縱向>10.5 kN/m，橫向>9.5 kN/m；縱向5%的拉伸力≥4.5 kN/m，橫向5%的拉伸力≥5.0 kN/m。通過對破損路面及伸縮縫進行清掃找平及填縫處理后灑布瀝青，并在瀝青尚未冷卻仍有黏結性時將土工布平整地鋪上去，再用輪胎壓路機碾壓至二者密切結合，灑砂、攤鋪熱瀝青混合料后碾壓至滿足要求。整個工期只有78 d，效率高、質量好[23]。

3 非織造土工布的發(fā)展

非織造土工布的應用越來越廣，同時對其要求也越來越高，天然環(huán)保、高強耐用是其發(fā)展方向。

3.1 收集重金屬

M.Vandenbossche將殼聚糖接枝到丙綸土工布上后，觀察到pH值為4.8時非織造布對銅的吸收達到最高值；用一種接枝半胱氨酸的非織造布可吸收水介質的銅、鉛、鉻等重金屬，這種非織造土工布作為環(huán)境保護材料很值得更進一步研究與開發(fā)[24-25]。

3.2 天然纖維

天然纖維非織造土工布的開發(fā)正在不斷進行中。研究發(fā)現煮沸的椰殼纖維非織造增強水泥板在耐熱性、抗彎強力和抗壓強度等方面非常優(yōu)秀[26]，黃麻纖維非織造材料在質輕、環(huán)保的同時，其力學性能更是與一些常見的玻璃纖維增強復合材料相當[27]；混合有玻璃纖維的天然纖維土工布能夠改善水土流失，增強對河水沖蝕的抵抗力，堅固堤壩、保護河堤[28]；環(huán)境友好型可生物降解聚乳酸非織造土工布更是在市場中具有強大的競爭力[29]。

3.3 海綿城市

針對水資源短缺，構建海綿城市，做好地面及地下水的收集工作對未來城市的發(fā)展及解決全球水資源短缺問題有著至關重要的作用。而非織造土工布在海綿城市的構建中將扮演著重要作用。

4 結語

隨著全球人口的不斷增長需要大量的基礎設施建設，加之環(huán)保意識的增強，作為重要建筑材料的土工布其用量也日益增漲。目前我國土工布的用量已超過3億m2，其中非織造土工布占到近40%，預計在未來15年我國土工布仍將持續(xù)以雙位數增長[30]。在國內非織造土工布發(fā)展初具規(guī)模，但整體技術水平仍較歐美等先進國家和地區(qū)有一些差距，除了需要政策支持與引導外，更需要當代科技人員付出更多努力，促使國內非織造土工布的發(fā)展越來越好。

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FunctionsandApplicationsofNonwovenGeotextiles

WANG Xin-zhu, QIAN Xiao-ming, HUANG Shun-wei

(College of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The basic functions of nonwoven geotextiles were introduced such as insulation, filtration, drainage, reinforce, protection and seepage prevention. The applications of nonwoven geotextiles in hydraulic engineering, environment engineering and road engineering were analyzed, the developments of nonwoven geotextiles in collecting heavy metals, using natural fibers and building sponge city were described briefly.

nonwoven geotextile; function; application; development

TS174

A

1673-0356(2017)11-0001-04

2017-09-12；

2017-09-21

天津市科技計劃項目(14TXGCCX00014)

王鑫竹(1992-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：防水透氣保暖非織造布，E-mail：739182414@qq.com。