經編技術在高強度、耐環境土工布中的應用

姜亞明+閆靜靜+齊業雄+葉華亦+項赫+田慧

摘要：本文著重介紹了經編軸向織物、經編間隔織物和經編/非織造復合織物等 3 類土工布的結構特點、性能特點和相應的應用領域，詳細介紹了經編技術在高強度、耐環境土工布中的應用優勢。為經編技術在高強度、耐環境土工布中的應用提供指導。

關鍵詞：經編軸向織物；經編間隔織物；經編/非織造復合土工織物；高強度；耐環境

中圖分類號：TS181.8 文獻標志碼：A

The Application of Warp-knitting Technology in High-strength and Environment-resistant Geotextiles

Abstract： This paper mainly introduces the structures，properties and applications of axial warp-knitted fabrics， warp-knitted spacer fabrics and warp-knitted/nonwoven compound fabrics. The huge advantages of warp knitting technology in the production of high-strength and environment-resistant geotextiles are introduced in details. It can provide guidance for the application of warp knitting technology in the field of high-strength and environment-resistant geotextiles.

Key words： axial warp-knitted fabric； warp-knitted spacer fabric； warp-knitted/nonwoven compound fabric； high strength； environment resistance

經編技術作為針織工藝技術中的一個重要分支，其產品以高附加值、設計多樣性和應用領域廣泛等眾多優勢，正迅速向高檔服裝面料、高附加值家紡面料和產業用增強骨架材料等領域擴展。近20年來，隨著經編技術水平的提高以及經編織物結構設計的多樣化，高強度、高模量、耐高低溫、耐腐蝕和抗老化等高性能紗線應用到經編土工布中，使其力學性能和耐環境性能大大提高，從而受到業界越來越多的關注。

經編土工布的功能多種多樣，由于結構中高性能紗線呈現平行順直排列狀態，紗線的潛能能夠充分發揮出來，使其擁有非常高的強度。同時，由于高性能紗線具有防腐、抗老化等特殊的功能，從而使其具有抵抗惡劣環境的優勢，具有高強度、耐環境等特性的經編土工布在排水、過濾、隔離和增強等方面的功能尤為突出。

目前，經編土工布主要有經編軸向織物土工布、雙層經編土工布、經編和非織造復合土工布等 3 類。本文將著重介紹這 3 類土工布的結構、性能特點和相應的應用領域，闡述經編技術在高強度、耐環境土工布中的應用情況，揭示經編技術在高強度、耐環境土工布方面應用的優勢，期望為經編技術在高強度、耐環境土工布中的應用提供指導。

1 經編土工布概述

經編土工布是一種具有高強度、結構設計性強的土工材料。它以人工合成的聚合物，包括塑料、化纖、合成橡膠等為原料，制成不同類型、不同功能的產品，置于土體、建筑等內部、表面，發揮其加強和保護作用。經編土工布的應用歷史晚于其他土工材料將近20年，然而其用量及應用領域卻得到了迅速發展。

1.1 經編軸向織物

通過具有襯經、襯緯功能的特殊經編機織造的經編軸向織物是一種新型的定向結構織物，目前卡爾邁耶和利巴公司的多軸向經編機是世界上使用最多和最廣的多軸向經編設備。經編軸向織物襯紗紗線的方向多種多樣，既可以按經紗方向和緯紗方向襯入，同時也能以幾乎任意角度的斜向襯入。經編軸向織物除了在面內具有優異的力學性能外，在厚度方向的力學性能也得到了明顯增強，而且它也擁有優于傳統增強織物的抗撕裂性，這要歸功于襯紗完全伸直排列并由捆綁紗綁縛在一起的捆綁紗結構。經編軸向織物包括單軸向、雙軸向、多軸向、格柵等組織結構，圖 1 為最常見的雙軸向及多軸向經編織物，其綁縛紗線的基本組織可以是經平、編鏈等。這種織造技術具有許多優良的特點，例如生產率高、織物強度利用率高、模量高、原料適應性廣泛、織物特性可設計等。

與傳統的機織物相比，經編軸向織物的主要優點如下。

（1）高強度。保持高強度是骨架增強材料最基本的要素之一，經編雙軸向織物中的紗線處于完全伸直狀態，能夠充分發揮襯紗高強高模的特性，而在機織物中，由于經緯向紗線彼此交織，紗線呈屈曲狀態，從而不能充分發揮高性能紗線的性能。圖 2 為 2 種織物中紗線的受力分析圖。當機織物受到拉伸作用時，在紗線的彎曲部分，拉伸力可以被分解為拉伸方向與垂直于拉伸方向的兩個分力。垂直方向的分力起到了推開與之垂直的紗線的作用，從而紗線的強力利用系數降低，織物整體強力下降。另外，紗線的預先屈曲也使織物的斷裂伸長率變大。而對于經編軸向織物中的襯紗，紗線處于完全伸直狀態，拉伸力只有沿紗線軸向的作用力，從而使紗線的性能利用率增大。

（2）抗撕裂。提高織物的抗撕裂性具有非常重要的意義。在加工一般經編雙軸向織物的過程中，紗線常常會被尖銳硬物撕裂而依次斷裂。而經編軸向織物的紗線配置分布于不同平面內，當經編軸向織物沿某一方向拉伸時，另一方向的紗線不會受剪切而斷裂，而是在捆綁紗的作用下形成防止裂口增大的“格柵”，從而形成了經編軸向織物優越的抗撕裂性能。

（3）耐久性。考慮土木工程中應用材料的使用周期問題，材料的耐久性能將是必不可少的性能之一。通過對經編軸向織物的蠕變松弛性能的研究發現，其蠕變性能受織物結構類型的影響。其中最主要的一個影響因素是織物中紗線的伸直狀況，即織物的蠕變性隨紗線的屈曲變小而變小，從而使經編軸向織物具有更好的耐久性能。

（4）耐環境性能。由于經編軸向織物襯紗原料的適應性廣，例如碳纖維、玻璃纖維等高性能、抗腐蝕纖維。使用高性能纖維作為襯紗不僅能夠增加材料的強度，也使材料在抵抗外部惡劣環境方面具有巨大的優勢。

1.2 經編間隔織物

經編間隔織物一般是在雙針床拉舍爾經編機上生產的，通過間隔紗系統將上下表層的織物連接起來形成具有三維結構的整體織物（圖 3）。間隔系統通常使用合成纖維貫穿于兩個表層織物之間形成間隔層，使織物具有較大的空間，這也是間隔織物最大的結構特點。經編間隔織物特殊的空間結構同樣賦予了其許多特殊的性能，從而能夠應用于諸多領域。尤其作為土工材料應用，在過濾和排水領域具有獨特的優勢。

經編間隔織物由于特殊的結構，在實際應用和結構設計中都是靈活多變的，主要的性能優勢如下。

（1）抗壓性。經編間隔織物在厚度方向上起主要作用的是間隔系統。當間隔絲受到厚度方向的壓縮載荷時，壓頭處的間隔絲發生彎曲，使載荷向四周傳遞，從而將壓力分散到一個較大的半徑范圍內，從而使織物局部承受的壓縮載荷變小。因此，該織物在厚度方向上具有較大的抗壓彈性。

（2）透氣、導濕性。經編間隔織物上下兩層的結構通常是較輕薄、稀松的網眼結構，透氣性很好，透氣量一般都在1 578 ～ 2 328 mm3/（mm2？s）的范圍內；而表面致密、間隔絲的克重大的織物其透氣量也在420 ～ 1 360 mm3/（mm2？s）范圍內。除此之外，由于間隔絲的毛細效應將液體傳遞到織物的另一表面，并散發到周圍的空氣中，因此織物也具有良好的吸濕、導濕功能。

（3）結構整體性和可成型性。傳統的發泡和粘合層合織物生產過程會造成嚴重的環境污染，而間隔織物則無需復合和化學粘合，可整體成型，從而大量節省生產成本和減少環境污染。此外，經編間隔織物的上下 2 個表層通過間隔系統連接在一起，分層被抑制，具有良好的結構整體性。

1.3 經編/非織造復合織物

目前，德國利巴公司生產的多軸向經編機可綜合非織造纖維網的制造特點和雙軸向或多軸向經編織物制造特點生產經編/非織造復合織物（圖 4）。非織造土工布雖然應用很廣泛，但其強度、耐久性及尺寸穩定性相對較差。采用具有高強度、織物尺寸穩定性好的經編軸向織物與其復合，可以在很大程度上提高非織造布的強度和模量，同時復合后的織物能夠充分發揮 2 種織物結構的優勢。

在編織過程中同時喂入非織造布，帶尖頭的復合針可以將其穿透。有研究顯示，以碳纖維為襯經紗系統、復合輕質玻璃纖維非織造布的經編單軸向復合織物可利用襯紗90%以上的強度，而相同條件下的平紋機織物強度利用率只有70%左右。輕質的玻璃纖維非織造布主要起兩個作用，一個是用來保護襯經紗，因為在使用過程中碳纖維襯經紗容易受到磨損，使強力減小；另一個作用是增加織物與混凝土的接觸面積，使界面強度得到提高。經平捆綁系統通過把襯紗和非織造布捆綁到一起，達到增強效果。復合土工織物擁有良好的機械強度、滲透性、尺寸穩定性且對外界傳來的壓力有很好的吸收作用。圖 5 為TenCate公司生產的軸向經編/非織造布復合土工布。

2 經編土工布的應用

2.1 在水泥管道上的應用

以經編軸向織物為增強體的高性能水泥管道由于高性能增強材料的加入，管材質量明顯減輕。在相同內徑、相同承載能力的水泥混凝土管技術要求下，經編軸向織物增強高性能水泥管道的管壁明顯變薄。相關研究發現，當碳纖維增強水泥的厚度僅為鋼筋增強水泥厚底的1/4時，即可抵抗與鋼筋增強水泥相同的外部載荷（圖6）。經編軸向織物增強的水泥管同時具有良好的承載能力、抗裂性能，提升了管道的抗滲性和耐久性，為排水工程提供新型優質管材。據相關報道，該類型的管道2016年開始建設城市地下綜合管廊2 000 km以上。因此，經編軸向織物增強高性能水泥管道在國家正在實施建設的“海綿城市”、“地下城”、“地下綜合管廊”等建設中將起到至關重要的作用。

2.2 在道路建設中的應用

土工格柵作為經編軸向織物的一種結構形式，在織物的經向和緯向以空穿的形式同時襯入高性能紗線，襯經紗和襯緯紗之間沒有交織，能夠形成彼此相互平行的 2個紗片層。影響公路和鐵路的使用壽命的關鍵因素包括如環境因素、路基條件、公路變寬和老化等，土工格柵作為一種常用的土工建筑材料，具有拉伸強度高、穩定性好、耐腐蝕抗老化等優勢，可廣泛應用于公路路基增強、鐵路路基增強等路基加固領域。而且，經編土工織物在新公路建設和舊公路修復上都起到了至關重要的作用（表 1）。

2.3 在堤壩建設及防護中的應用

復合土工布具有優良的過濾和隔離功能，鋪在防護堤的泥土層和碎石之間，可防止土層與碎石混雜，保持土層受到相對較小的壓力，保護堤岸不被水流沖蝕（圖 7（a））。另外，還可利用土工材料制作形成土工袋，將泥沙裝在土工袋中形成柔韌的、抗侵蝕的重量較大的整體放置在河堤或者河道內，起到固定河堤和防護的作用（圖 7（b））。

利用經編/非織造復合織物可形成的尺寸較大的土工管類，直徑可達到甚至超過0.6 m，長度可達10 m以上。將泥沙填充到管中可用作海洋中的防波堤，用來防護海岸線及海床。由于經編土工布的特殊的結構特點及對原料的適應性廣等優勢，使其在高強度、耐環境中的作用不可忽視。經編/非織造復合土工布在河堤及海洋中的應用總結見表 2。

3 結語

經編土工布由于具有良好的力學性能、抗撕裂性能和耐久性等優勢，從而得到了國內外許多學者的關注。近些年來，經編土工織物也在各種基礎設施項目中得到廣泛應用。通過對經編土工織物以及經編復合土工織物的特性及應用進行分析，可以看出經編技術在高強度、耐環境土工布中的應用很有前景，得到了國內外許多公司的青睞。但是其在我國的起步較晚，雖然目前已經取得了一定的成績，但在產品的質量、種類、數量以及應用的深度和廣度等都方面與發達國家仍有較大的差距。并且在設計準則、施工標準、產品質量檢測方面仍不完善；生產者與使用者之間的交流也不夠充分。針對以上幾點，我們應健全有關政策和制度，加強各領域工作者間的交流，進行更加深入的研究。因此，經編技術在高強度、耐環境土工布中的應用仍面臨著巨大的挑戰。

參考文獻

[1] 崔世忠，王善元.經編土工布的應用及其特點[J].產業用紡織品，1995（5）：30-33.

[2] 程中浩.雙層針織物[J].產業用紡織品，1990（1）：31-34.

[3] 駱呈軍.土工布力學性能的模擬及應用研究[D].青島： 青島大學，2004.

[4] 邱冠雄.經編土工合成材料[J].針織工業，2000（1）：13-19+9.

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

[6] 黃子偉.淺析土工布的性能和應用及檢測[J].技術與市場，2012（5）：66-67.

[7] 錢強. 作為土工布的經編立體網眼組織織物[J].國外紡織技術（針織、服裝分冊），1993 （13）：34.

[8] 安虹.針織多層織物[J].針織工業，1995（5）：53-54.

[9] 陳南梁，談亞飛.玻璃纖維經編土工格柵的生產和性能測試[J].針織工業，1999（6）：7-9.

[10] 姜亞明，劉良森，葉雪康.建筑物補強材料用經編單軸向碳纖維織物[J].針織工業，2004（3）：25-28，23.

[11] 趙彤，謝劍.碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M].天津：天津大學出版社，2001.

[12] 葉青，繆旭紅，蔣高明.經編軸向織物在增強混凝土上的應用[J].產業用紡織品，2011（4）：27-31.

[13] 姜亞明，邱冠雄.多軸向經編織物的力學性能及成型性研究[D].天津：天津工業大學，1999.

[14] 姜亞明，邱冠雄.雙軸向經編織物的PVC涂層與底布之間的結合力分析[J].紡織學報，1999，20（5）：6-9.

[15] 張西棉.土工布防治裂縫技術在路面養護工程中的應用[J].山西建筑，2009，35（4）：293-294.

[16] 李軍陽，李純.淺談土工布在公路工程中的應用[J].企業導報，2012（10）：285-286.

[17] 牛言增，吳春艷.玻璃纖維經編復合土工布在斜坡式防波堤中的應用[J].中國水運，2017（2）：128-129.

[18] 蔡輝，李增勇，沈雪松，等.玻璃纖維經編復合土工布加筋層在連云港淤泥地基筑堤的應用[J].中國港灣建設，2016（9）：17-21.

[19] 楊光烈，儲思敏.土工合成材料與非織造布的應用[J].非織造布，2007（3）：12-15.