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土工布的技术现状及发展趋势

    

随着我国基础建设的快速发展,水利大坝、高速公路、高速铁路、矿山、垃圾填埋场等领域对高性能土工建筑材料的需求激增。“十三五”期间,国家高度重视土木建筑行业,科技部也启动了重点研发计划专项项目,提出了土工建筑增强材料制备与应用等研究工作。功能性耐候型土工布具有耐光照、耐温度、耐老化、使用寿命长等特点,其开发及应用将促进各行业的科技革新,对推动我国土工建筑材料制造技术的发展及我国建筑与工程领域应用水平的提高具有重要意义。和生金公司为土工布生产企业,欢迎提供样品、标准,来厂实地考察咨询定制!
1.1 原料
土工布原料选择要结合工程实际情况,在满足所应用领域对其物理、化学性能要求的同时,又要兼顾产品的成本。一般情况下,合成纤维与天然纤维相比,在强度、耐酸碱性、耐久性等方面要好,因此土工布原料多采用合成纤维。在合成纤维中,目前全球土工布中最常用的原料是聚丙烯纤维,其次是聚酯纤维,而聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维等在生产中使用较少。其中,聚丙烯纤维价格低廉,具有优良的疏水性能,耐磨性仅次于聚酰胺纤维,在伸长3%时其弹性回复率可达96% ~100%,耐酸、耐霉变、耐低温性能优良,但其对光、热稳定性较差,可通过加入抗氧化剂、光稳定剂及采取共聚、交联等方法来解决,主要用于制备土工布、土工膜和双向土工格栅。聚酯纤维具有优良的弹性、耐冲击性、耐热性,且抗虫蛀、抗霉菌性能良好,在150 ℃下加热1 000 h后强度保持率大于50%,但其染色性能较差且仅耐一般的有机溶剂,不耐酸碱,对碱性溶液很敏感,主要用于制造土工布和土工膜。
土工布的原料除采用上述合成纤维外,还可采用黄麻、红麻等天然纤维,特种纤维以及无机纤维等。随着高科技纤维在纺织品中的不断应用,土工布原料的选用范围不断增大,再加上加固工艺和生产技术的不断进步,功能性耐候型土工布展现出蓬勃的市场生机。
1.2 分类
土工布按照加工和生产方式的不同可以分为织造型土工布、非织造型土工布和复合型土工布。织造型土工布是指通过编织、机织、针织等工艺生产的产品;非织造型土工布是指由定向或随机取向的纤维、长丝、条带或其他成分,通过机械加固、化学黏合或热黏合等方法制成的产品;复合型土工布与前两种类型的土工布相比更具优势,它是由两种或两种以上土工布或土工布有关产品经物理或化学黏合以及机械法复合而成,是一种极具开发和应用前景的土工合成材料。
1.3 主要功能及性能要求
土工布的功能多种多样,可以综合归纳为过滤、排水、防渗、隔离、加筋、防护等 6 种基本功能。土工布在不同的应用领域,性能要求也有所不同,随着技术的进步和应用领域的日趋复杂,逐渐从单功能向多功能方向发展。
1.3.1 过滤功能
表面土层和相邻土层之间放置土工布作为过滤材料,在水和气体能够自由排出的同时能有效阻止土颗粒通过,减少对土体环境造成破坏。如土石坝黏土心墙或斜墙的滤层、水闸下游护坦或护坡下部的滤层、水利工程中水井或测压管的滤层等。作为过滤材料时,应具有优异的垂直渗透性、保土性、防堵性,同时应具有耐水解、耐酸碱、耐老化等性能。
1.3.2 排水功能
土工布可以在土体中形成排水通道,使水流沿着材料平面排出体外。如土坝内部垂直或水平排水、人工镇土基或运动场地基的排水等。作为排水材料时,应具有优异的水平渗透性和一定的厚度,同时也应有耐水解、耐酸碱、耐老化等性能。
1.3.3 防渗功能
土工布与土工膜复合后制备的土工复合材料,能有效防止液体大量渗透。如土石坝的防渗斜墙或心墙、水闸上游护坦及护坡防渗、渠道防渗等。要求防渗土工布具有较低的透水性,良好的物理机械性能、耐酸碱、耐气候、耐霉变等性能。
1.3.4 隔离功能
将不同性能的材料进行有效分离,阻止土工布两边的材料混合、渗透,从而使得材料和结构的完整性、系统性得到很好的保留。例如路基与地基的隔离层、铁路路基与道砟的隔离层、堤身填料和软土地基的隔离层等。作为隔离材料时,土工布需具有较好的物理机械性能、耐高温性、耐酸碱性、耐久性、耐霉变性和耐磨性。
1.3.5 加筋功能
土工布埋在土体之中,依靠土工布与周围土体之间的界面摩擦阻力限制土体侧向移动,增加土体承载力,使得土体和建筑稳定性得到改善,提高土体的抗剪强度。如用于加强软弱地基、加固柔性路面、增加边坡稳定性等。作为加筋材料时,应具有高抗拉强度和低伸长率,要求其抗拉强度不小于20 kN/m,伸长率应小于10%,同时具有低蠕变性能、耐磨性好、耐久性佳和界面摩擦系数高等特点。
1.3.6 防护功能
土工布可以通过扩散、传递以及分解集中应力等方式防止或减小外力作用带来的损害,从而使土体得到保护。如用于防止水流冲刷堤岸、防止路面反射裂缝、土体防冻等。作为防护材料时,应具有优异的抗拉强度、刺破强度、撕裂强度、顶破强度,同时应具有良好的均匀性、耐磨性、耐温性、耐久性、耐水洗性和耐酸碱性能等。
2 功能性耐候型土工布重点应用领域
“十三五”期间,随着国家对土木工程领域的重视和“一带一路”倡议的实施,土工布行业巨大的市场潜力被发掘出来。功能性耐候型土工布作为土工布中性能优异的典型代表而得到广泛应用。
2.1 水利工程
水灾防治、水资源的充分开发利用成为当代社会经济发展的重大课题,水利工程的安危关系到国计民生。2016年国家提出了《水利改革发展“十三五”规划》,规划到2020年基本建成与经济社会发展要求相适应的防洪抗旱减灾、水资源合理配置和高效利用等利于水利科学发展的制度体系,国家水安全保障综合能力显著增强。
为达到上述目标,国家不断加大对水利建设的投入,2016年全国水利建设完成投资额6 099.6亿元,2017为7 132.46亿元,2018年为7 934.8亿元。随着政策红利持续释放,资金将继续涌入防洪救灾、黄河流域治理、长江堤防、长江口深水航道等水利工程中,这些工程需大量使用土工布为其提供过滤、排水、防护等作用,为土工布行业的市场带来机遇。
2.2 公路与铁路工程
我国公路与铁路的建设与养护已步入高峰期。据统计,截止到2018年末,我国公路总里程已达484.65万公里,其中高速公路达14.26万公里,居世界第一,高速公路覆盖97%的20万以上人口城市及地级行政中心,全国铁路营业里程达到13.1万公里以上,其中高铁超2.9万公里。《国家公路网规划(2013 — 2030年)》提出,未来我国公路总里程将达到580万公里;《铁路“十三五”发展规划》提出,到2020年全国铁路营业里程将达到15万公里,其中高速铁路 3 万公里。而公路与铁路的建设与养护均需使用土工布为其提供加筋、隔离、防护等作用,这将为土工布行业带来巨大的市场空间。
2.3 机场与港口工程
作为连接世界的桥梁和纽带,我国的机场和港口也迎来全新的发展阶段。根据民航发布的《民航科技发展“十三五”规划》,未来我国大部分地区都将进行机场的建设,未来将有包括新建、续建以及改扩建等在内的234个机场形成,预计到2020年我国机场数量将达到290余个。根据国务院印发的《“十三五”现代综合交通运输
体系发展规划》,“十三五”期间水运交通运输投资规模将达5 000亿元,沿海港口万吨级及以上泊位数将由2015年的2 207个扩至2 527个。在这些机场和港口的建设中,均需土工布提供过滤、隔离、防护等重要作用。
2.4 海洋工程
健康的海岛生态系统是国家生态安全的重要组成部分,是经济社会可持续发展的重要支撑。然而,从20世纪90年代至今,我国各省份海岛数量已减少上千个。“十三五”期间,国家高度重视海岛保护工作,颁布了《全国海岛保护工作“十三五”规划》,而海湾以及海岸的护岸、修筑海堤、围海造陆等工程需要使用大量土工布。
2.5 环保工程
目前,我国垃圾处理的主要方式仍是填埋法,虽然其在无害化处理中所占比例下降,但总处理规模和能力增加,餐厨、建筑、医疗、饲养等垃圾均要求填埋并除臭覆盖,垃圾填埋场的新建、已建垃圾填埋场的维护等,均需大量使用复合土工布为其提供防渗、防护等作用。除此之外,国家亦加大了对景观绿化、污水处理、
生态园林建设、生态边坡防护等环保项目的投入,这些项目的增加也带动了土工布行业的发展。
3 功能性耐候型土工布技术现状及发展趋势
3.1 技术现状
织造型土工布成形技术主要研究高密度、宽幅、高速、高强机织和经编技术。目前市场上的织造型土工布产品主要包括扁丝织造土工布、长丝机织土工布等。扁丝织造土工布在制造设备、加工技术和材料改性等方面均已很成熟。圆织机已经可以生产出幅宽(即圆周长)为8 ~ 12m、克重为300 ~ 1 000 g/m2、抗拉强度为100 ~ 300 kN/m的扁丝针织土工布,实现了针织土工布的高产、宽幅、高强度。在原材料方面多采用纳米材料改性,通常采用添加防老化母粒、色母粒等来提高产品的多功能性和耐候性。
目前我国短纤针刺非织造土工布生产线大多为国产线,少数为进口线。宏祥新材料股份有限公司生产的聚丙烯短纤针刺非织造土工布产品,突破了客运专线铁路板式无砟轨道(图 8)用聚丙烯短纤针刺非织造土工布的产品技术指标,打破了高铁滑动层材料长期依赖进口的局面,填补了国内空白,产品技术指标达到了国内领先和国际先进水平。
长丝纺粘非织造技术生产流程短、生产效率高、产品性能优良、应用范围广,迎合了当今世界非织造产品向高性能、薄型化发展的趋势。我国长丝纺粘法土工布生产能力在全球名列前茅,但技术水平较国外有一定差距,这与国产设备的技术水平有一定关系。聚丙烯长丝纺粘针刺土工布是长丝纺粘针刺非织造土工布的主要分
类产品之一,具有高模量、高延伸、抗撕破、耐刺穿、耐酸碱、耐低温、耐霉变、成本低等优点,尤其在地下酸、碱、高寒等恶劣环境中具有不可替代的地位。近年来突破了国外技术垄断,产品断裂强度和抗酸碱性断裂强度远高于国家标准要求。在抗老化方面,直接添加抗UV剂、光稳定剂等方式往往会使原料和助剂混合不匀,且纺丝过程中易发生断丝,目前主要通过在生产时加入耐候母粒的方式来提高产品的抗老化性能。
复合型土工布的生产和应用相对于已发展五六十年的土工合成材料大家族来说是一个年轻成员,但却是土工合成材料发展的重点,它兼有各类土工合成材料的优点,可以更好地满足工程的特殊要求,应用范围得到大幅拓宽。全球来看,复合土工织物以德国、日本等国家发展水平较高,而国内复合土工布的生产和应用起步较
晚,国产设备相对落后,目前高端生产设备大多采用进口,与国外相比,我国复合土工布的品种、质量以及应用范围等还存在一定差距。国内复合型土工材料的生产技术主要包括非织造布与土工网格复合技术、非织造布与席垫芯复合技术、非织造布与纱线缝编技术、机织物与非织造布复合技术、复合型经编土工格栅加工技术、防渗复合土工膜加工技术、蜂窝状塑板芯的复合技术、可降解复合排水板加工技术等。
3.2 发展趋势
3.2.1 高强高密
织造型土工布未来将向高强高密发展,制造设备向智能化和大型化方向发展。对于扁丝编织土工布,特别是其成套的生产线已经在国内市场占主导地位,进一步向高效高产、超幅宽等方向发展。而长丝机织土工布生产所用的片梭织机设备方面,目前国外设备在国内市场占主导地位,未来将往国产化方向发展。
3.2.2 高强度、短流程、低成本
非织造型土工布的发展与加固工艺的发展紧密相关,随着针刺法、热轧法、化学黏合法等加固工艺的不断改善,该类型土工布不断向高强度、短流程、低成本方向发展。而采用针刺法与热轧法、针刺法与化学黏合法、针刺法与热熔法等复合加固工艺来提高产品的特定性能将是加固技术发展的趋势。未来,非织造型土工布
生产会朝着更加智能化、产品高端化及多样化、人机交互更加紧密化发展,更多的高新技术会被引入非织造型土工布生产体系中来。而聚丙烯纺粘针刺土工布凭借在产品性能、经济性、耐久性、安全性等方面的优势,将成为我国土工布行业发展的方向之一。
3.2.3 高性能、多功能
随着应用范围的不断扩大,土工布在应用过程中会遇到各种复杂环境,其对土工布的性能要求也越来越高,而复合型土工布既具有高强耐候、可设计性强等优势,又兼有排水、过滤、隔离、加筋等作用,完美契合了社会发展的需求。因此,复合型土工布将成为我国土工布行业发展的潮流方向之一,且未来将朝着高性能、
多功能方向发展,其制造设备将向智能化和大型化方向发展。
4 结语与展望
功能性耐候型土工布是土工合成材料中的重要一员。随着国家对基础设施建设投入的不断加大,其在水利、交通、环境工程等领域的应用将不断深入,面临着巨大的市场机遇与性能挑战。我国虽是土工布产量大国,但在高性能土工布产品、生产设备、成形技术和应用领域等方面与发达国家相比还有很多差距。未来,功
能性耐候型土工布应朝着高强度、高密度、多功能、低成本等方向发展。
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