1. 浩陽環(huán)境股份有限公司， 山東 德州 251200；2. 天鼎豐非織造布有限公司， 山東 德州 251500

非織造土工布是主要的土工合成材料之一，具有良好的力學(xué)性能、水力學(xué)性能、耐久性等優(yōu)點(diǎn)，能夠起到過濾、排水、隔離、加筋、保護(hù)土工膜的作用，在各類巖土工程、水利工程和市政建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在我國，非織造土工布雖然起步較晚，但發(fā)展非常迅速，在工程材料中占據(jù)重要地位。本文主要介紹國際上常用的四種非織造土工布的特性及其應(yīng)用。

1 非織造土工布的對(duì)比分析

1.1 滌綸非織造土工布和丙綸非織造土工布

非織造土工布的原料來源廣泛，包括滌綸、丙綸、錦綸、維綸和一些天然纖維等，其中滌綸和丙綸因價(jià)格低、性能好而成為應(yīng)用最多的原料。丙綸與滌綸的性能差異見表1。

表1 滌綸與丙綸的性能差異

目前在我國，滌綸非織造土工布是工程中應(yīng)用最廣泛的土工布。滌綸非織造土工布的強(qiáng)度較高，熔點(diǎn)高，具有優(yōu)良的韌度和蠕變特性，尤其在抗紫外線、抗老化性能上，均能夠滿足工程要求[1]39。但滌綸非織造土工布也存在一定的缺點(diǎn)，如耐酸堿性較差(只耐弱酸，強(qiáng)酸、弱堿可使其分解)、熱收縮性大、尺寸穩(wěn)定性差等，這限制了其工程應(yīng)用范圍。

相對(duì)于滌綸非織造土工布，丙綸非織造土工布的強(qiáng)度更高，耐酸堿性更好，且耐磨、耐腐蝕、耐霉變，還有較好的芯吸效應(yīng)。丙綸的密度比滌綸小30%，當(dāng)丙綸非織造土工布和滌綸非織造土工布的定重相同時(shí)，丙綸非織造土工布的纖維量多，其濾水性和平面排水性更好。由于具備這些特性，丙綸非織造土工布在地下酸堿環(huán)境下和高寒等惡劣環(huán)境下都具有滌綸非織造土工布不可替代的地位[1]39。但丙綸的抗紫外性能較差，這限制了丙綸非織造土工布在其應(yīng)用領(lǐng)域的使用量[2]。目前在我國，丙綸非織造土工布在工程中的應(yīng)用較少。

1.2 短纖針刺非織造土工布和紡黏針刺非織造土工布

根據(jù)加工方法的不同，非織造土工布有短纖針刺、紡黏針刺、熱黏合或化學(xué)黏合等幾種類型，其中短纖針刺非織造土工布和紡黏針刺非織造土工布的用量最大，用途也最廣。短纖針刺非織造土工布，不管是氣流成網(wǎng)的還是梳理成網(wǎng)的，都有良好的三維立體結(jié)構(gòu)，且厚度較大、結(jié)構(gòu)蓬松、孔隙率大，用于過濾和排水最為合適，一般在巖土工程中代替砂石粒料做過濾層。

紡黏針刺非織造土工布在力學(xué)性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，國內(nèi)的一些試驗(yàn)表明，與相同原料、相同面密度的短纖針刺非織造土工布相比，前者的斷裂強(qiáng)度比后者高1.5～1.9倍，而一些國外資料顯示的兩者的差距更大；在其他力學(xué)性能上，如撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力、蠕變和摩擦性能，紡黏針刺非織造土工布也比短纖針刺非織造土工布更優(yōu)良[3]。除此之外，紡黏針刺非織造土工布暴露在陽光中時(shí)，受到破壞的主要是表層纖維，這很大程度地減小了各項(xiàng)性能的損耗。

滌綸短纖針刺非織造土工布、滌綸紡黏針刺非織造土工布、丙綸短纖針刺非織造土工布和丙綸紡黏針刺非織造土工布是目前國際上常用的四種非織造土工布，參考Q/CR 549.5—2016《鐵路工程土工合成材料 第5部分 土工布》，對(duì)四種非織造土工布的力學(xué)性能進(jìn)行比較(表2)[4]。

表2 四種非織造土工布的力學(xué)性能比較

注：四種非織造土工布的面密度均為400 g/m2

由表2可知，相同面密度下，相同工藝、不同原料的丙綸非織造土工布比滌綸非織造土工布的斷裂強(qiáng)度高得多；相同原料、不同工藝的紡黏針刺土工布比短纖針刺土工布的斷裂強(qiáng)度高。頂破強(qiáng)力的情況也是如此。由于非織造土工布的斷裂強(qiáng)度與面密度成正相關(guān)，可以推斷，相同斷裂強(qiáng)度下，相同工藝的丙綸非織造土工布比滌綸非織造土工布的面密度小。Q/CR 549.5—2016《鐵路工程土工合成材料 第5部分 土工布》指出，非織造土工布的斷裂強(qiáng)度為40.0 kN/m時(shí)，滌綸紡黏針刺非織造土工布的面密度須為800 g/m2，而丙綸紡黏針刺非織造土工布的面密度為600 g/m2就能達(dá)到此要求。

將四種非織造土工布的幾種性能按優(yōu)劣進(jìn)行排序(表3)。

表3 四種非織造土工布的幾種性能優(yōu)劣順序

注：圓圈數(shù)字從小到大表示性能從優(yōu)到劣，如①代表性能最優(yōu)

四種非織造土工布的原料或工藝各不相同，它們?cè)诓煌こ獭⒉煌课话l(fā)揮的主要作用不同，應(yīng)按照具體工程的實(shí)際情況加以選擇。

2 非織造土工布的功能及選用

2.1 過濾作用

非織造土工布在工程應(yīng)用中的主要作用之一是過濾。良好的透水性、保土性使非織造土工布在巖土工程中可作為過濾層代替砂石粒料起過濾作用，避免土壤顆粒流失、水體壓力過大造成的土體失穩(wěn)。非織造土工布過濾層的應(yīng)用范圍包括垃圾填埋場滲瀝液收集系統(tǒng)、垃圾填埋場封場、尾礦庫、水庫壩體、擋土墻排水、交通等方面。在應(yīng)用中，非織造土工布和需過濾液體直接接觸，所以主要考慮需過濾液體的酸堿性、腐蝕性等因素進(jìn)行選擇。丙綸短纖針刺土工布的耐酸堿性能好，有利于工程長期有效地運(yùn)行。

2.2 排水作用

非織造土工布是片狀的且有一定厚度的纖維集合體，具有良好的集水性能和橫向排水性能，放置在土體內(nèi)部能夠?qū)⑼馏w中的水分匯聚，然后將水分沿著土工布的橫向排出土體。非織造土工布的這種特性，使其可以應(yīng)用在填土下的水平排水、土石壩壩身及壩基的豎式排水和水平排水、消散超孔隙水壓力的土坡排水、軟土地基排水等工程中[5]。當(dāng)非織造土工布主要用于排水時(shí)，選擇厚的非織造土工布能夠達(dá)到更好的預(yù)期目標(biāo)，此時(shí)對(duì)非織造土工布的力學(xué)性能的要求不高。

2.3 保護(hù)土工膜

在防滲工程中，防滲層采用HDPE(即高密度聚乙烯)土工膜時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求，會(huì)在HDPE土工膜上鋪設(shè)一層面密度不小于600 g/m2的非織造土工布作為保護(hù)層，HDPE土工膜下也需鋪設(shè)非織造土工布作為保護(hù)層。在未覆蓋填埋物時(shí)，非織造土工布可以保護(hù)HDPE土工膜不受到紫外線的老化作用；在填埋中和填埋后，非織造土工布可以保護(hù)HDPE土工膜在長期荷載狀態(tài)下不受到下部尖銳物體的損壞和驟然不均勻承重所產(chǎn)生的摩擦力的破壞。非織造土工布自身的抗紫外線能力與其厚度有關(guān)。滌綸紡黏針刺非織造土工布的防紫外線性能優(yōu)越，相比于滌綸短纖針刺非織造土工布，紫外線對(duì)前者的影響主要發(fā)生在表層纖維上。

2.4 隔離作用

在工程設(shè)計(jì)中，常常會(huì)遇到兩種粒徑不同的材料相互接觸的情況。為了防止粒徑不同的兩種材料在水的作用下相互滲透，失去設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的意義，保證工程的正常運(yùn)行，會(huì)在兩種材料之間放置隔離層[6]。非織造土工布的強(qiáng)度高，透水性好，具有一定的厚度，能夠滿足工程設(shè)計(jì)的需要。例如在我國自主研發(fā)的CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)中，丙綸短纖非織造土工布作為隔離層設(shè)置在道床板和底座之間，主要避免橋梁上部結(jié)構(gòu)的變形將力傳遞到道床板中，使其發(fā)生翹曲變形，同時(shí)具有一定的隔熱、隔震作用[7]。

2.5 加筋作用

一般在要求較低的加筋工程中會(huì)選用非織造土工布，例如加筋土結(jié)構(gòu)、軟基處理中的加筋墊層。加筋是利用非織造土工布的拉伸性能來改善土壤的力學(xué)性能，限制土體在長時(shí)間的使用過程中產(chǎn)生位移。這對(duì)非織造土工布的各項(xiàng)力學(xué)性能的要求較高，丙綸非織造土工布在這方面的表現(xiàn)更加優(yōu)異。

在巖土工程設(shè)計(jì)中選擇合適的非織造土工布，需從兩個(gè)方面進(jìn)行綜合判定：一是非織造土工布的作用和目的；二是工程情況。當(dāng)主要起過濾作用，且需過濾液體接近中性時(shí)，可選擇滌綸針刺非織造土工布。當(dāng)不只是起過濾作用，還要有一定的隔離、加筋作用，且需過濾液體為非中性時(shí)，應(yīng)選擇強(qiáng)度高、耐酸堿性能好的丙綸非織造土工布。當(dāng)有多種非織造土工布都符合要求時(shí)，可根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和價(jià)格選出最合適的非織造土工布。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 大理大沙地尾礦庫擴(kuò)容項(xiàng)目

大理大沙地尾礦庫所在地屬于丘陵地帶，其地面的起伏程度較大，土質(zhì)以細(xì)粒土、沙土、石塊為主，庫容約1 700萬m2，目前已使用13年。該項(xiàng)目采用了由多種土工合成材料組成的復(fù)合防滲系統(tǒng)，其中非織造土工布的作用至關(guān)重要。大理大沙地尾礦庫防滲系統(tǒng)從下至上各層所用的土工合成材料及各層作用如圖1所示。

圖1 大理大沙地尾礦庫防滲系統(tǒng)示意

圖1所示的防滲系統(tǒng)中，從上至下共有3層非織造土工布。第一層位于礫石滲濾液導(dǎo)排層(厚度30 cm)之上，采用滌綸短纖針刺非織造土工布(面密度200 g/m2)，主要起過濾、隔離作用，滲濾液經(jīng)過濾，在礫石導(dǎo)滲濾液排層排出尾礦庫。第二層為滌綸紡黏針刺非織造土工布(面密度600 g/m2)，位于礫石滲濾液導(dǎo)排層和HDPE土工膜(厚度1.5 mm)之間，作為HDPE土工膜的上保護(hù)層，其在鋪設(shè)過程中保護(hù)HDPE土工膜免受紫外線的老化作用，在使用過程中長期有效地保護(hù)HDPE土工膜在高負(fù)荷狀態(tài)下不受礫石的傷害。第三層為滌綸紡黏針刺非織造土工布(面密度600 g/m2)，作為HDPE土工膜的下保護(hù)層。

3.2 三江治理工程

2013年，黑龍江省發(fā)生特大洪水。隨后，在國家的支持下，對(duì)松花江、嫩江、黑龍江流域開展了三江治理工程。三江治理工程是國家重點(diǎn)水利工程，其建設(shè)增強(qiáng)了相關(guān)流域的防洪排澇和綜合減災(zāi)能力，保護(hù)和修復(fù)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。在整個(gè)三江治理工程中，采用了大量的非織造土工布。圖2所示為三江治理工程中部分標(biāo)段堤壩結(jié)構(gòu)。

圖2 三江治理工程中部分標(biāo)段堤壩結(jié)構(gòu)示意

在三江治理工程的堤壩結(jié)構(gòu)中，短纖針刺非織造土工布因其具有良好的透水性和反濾性而被用作反濾結(jié)構(gòu)，其主要功能是保護(hù)填土不被水流沖走，從而保護(hù)壩體的安全穩(wěn)定性。此外，在此堤壩結(jié)構(gòu)中，非織造土工布還具有排水、隔離的功能。

3.3 土工泡沫塑料路堤

土工泡沫塑料路堤是一種處理軟土地基常用的結(jié)構(gòu)，路堤內(nèi)部填料采用EPS(即聚苯乙烯泡沫)超輕質(zhì)料。在放置EPS塊體之前，需在開挖的地基上鋪設(shè)厚度為15～30 cm的砂墊層，并在砂墊層的上、下界面鋪設(shè)具有一定強(qiáng)度的非織造土工布，且非織造土工布應(yīng)橫向鋪設(shè)。土工泡沫塑料路堤局部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 土工泡沫塑料路堤局部結(jié)構(gòu)示意

在土工泡沫塑料路堤中，非織造土工布鋪設(shè)在軟土地基上，發(fā)揮一定的加筋作用，減少路堤的沉降量，提高路堤固結(jié)度。此處使用的非織造土工布還具有反濾、排水和隔離的作用，軟土地基的含水量較高，非織造土工布搭配砂墊層一起使用，形成了非常好的集水、橫向排水系統(tǒng)，能及時(shí)將地下水排出，增強(qiáng)了路堤的整體穩(wěn)定性。

3.4 非織造土工布在海綿城市中的應(yīng)用

海綿城市建設(shè)是政府大力支持的項(xiàng)目。海綿城市由多種設(shè)施組成，而非織造土工布是各種設(shè)施中不可或缺的材料。例如在綠色屋頂花園設(shè)計(jì)中，過濾層和保護(hù)層都采用非織造土工布，如圖4所示。

圖4 綠色屋頂設(shè)計(jì)示意

從圖4可以看到，非織造土工布作為過濾層時(shí)其設(shè)置在排水層的上方，起到透水、保土的作用，作為保護(hù)層時(shí)其主要作用是保護(hù)防水層不被破壞。在推進(jìn)海綿城市建設(shè)的過程中，應(yīng)根據(jù)非織造土工布的不同特性，進(jìn)行合理的選擇和使用。

4 非織造土工布的前景

在我國，非織造土工布的應(yīng)用起步較晚，但普及迅速，其為國家各方面的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。目前，各種土木工程的修復(fù)及新的工程建設(shè)對(duì)非織造土工布的需求量非常巨大，加之當(dāng)今世界大力提倡保護(hù)生態(tài)環(huán)境和防止水土流失，用于工程護(hù)坡的植被土工布也得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用[8]。我國已成為非織造土工布的消耗大國，也興起了一大批非織造土工布企業(yè)。隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，未來非織造土工布仍有廣闊的市場：

(1) 鐵路建設(shè)。根據(jù)國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案，到2025年，我國高速鐵路里程將超過3.0萬km，截至2015年已建成1.9萬km，2016—2020年共建1.1萬km，約需土工布6 600萬m2，約4.62萬t。

(2) 防滲工程。在垃圾填埋場、污水處理廠、污染物儲(chǔ)存池、環(huán)保、水工、建筑防滲及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，非織造土工布作為保護(hù)層與防滲土工膜結(jié)合使用。按照我國土工膜環(huán)保工程防滲材料需求，僅2016年對(duì)非織造土工布的需求就達(dá)到了15.00萬t。

(3) 水利方面。在我國現(xiàn)有的25.0萬km堤防中，有75%需要進(jìn)行基礎(chǔ)處理和除險(xiǎn)加固。非織造土工布具有的優(yōu)良的過濾、排水、隔離、加筋功能，能使其在水利方面大展拳腳。

(4) 海綿城市建設(shè)。海綿城市建設(shè)的推進(jìn)為非織造土工布提供了一個(gè)新的發(fā)展平臺(tái)。其中，和非織造土工布相關(guān)的設(shè)施包括蓄水池、綠色屋頂、復(fù)雜型生物滯留設(shè)施、滲透塘、滲井、滲管/渠等。

我國非織造土工布的用量巨大，產(chǎn)量也相應(yīng)提升，但是產(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)達(dá)國家還有很大的差距，一些重點(diǎn)工程仍需使用進(jìn)口土工布。今后，我國非織造土工布行業(yè)只有在技術(shù)和設(shè)備上不斷地更新和發(fā)展，才能彌補(bǔ)缺口，不再受制于人。除此之外，相關(guān)人員和機(jī)構(gòu)在非織造土工布專用料的研發(fā)上，也應(yīng)該付出更多的努力，這樣才能生產(chǎn)出更高性能的的非織造土工布。

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