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土工布的功能、性能研究及其设计

浏览次数: 发布时间:2015-10-21 14:54:01
摘要:介绍了土工布在国内及国外的使用情况,着重分析了土工布在使用过程中的功能和性能(包括增强和稳定功能、过滤功能、隔离功能、排水功能、防水(渗)功能、防护功能)以及影响其功能的主要参数,并介绍了土工织物的设计与生产情况。
 
1、前言:
   土工布是应用于土木工程的纺织品,人类很早 就开始使用土工布。目前在世界范围内,土工布已 被广泛地用于土木技术工程、大型结构设施、建筑 物、路面建造、水文地质及环保工程,并同水泥、钢 材、木材一起被称为“四大建筑”材料。美国、西欧 等国家的土工布使用量已经相当大,我国和世界上 发达国家相比,土工布的应用起步较晚,无论是土工 布的原料使用、产品品种及加工方式上,都落后于发 达国家,目前正处在进行大规模的土木建设时期,即 水电工程或环境保护等都需要大量地使用土工布, 因此大量的开发土工织物,对我国的经济发展具有 重要的意义。

2、土工布的功能及性能要求:
  用在各种环境中的土工布,其主要功能:增强和 稳定功能、过滤功能、隔离功能、排水功能、防水 (渗)功能、防护功能及以上几种功能的复合功能。

2.1、增强和稳定功能:
  土工织物是高拉伸材料,土壤是低拉伸强度材 料,但土壤抗压强度高,因此将土工织物和土壤结合 在一起可以改进土壤质量,提高土壤稳定性(如图 1)。
  对发挥增强和稳定功能的土工织物其性能要求 有机械强度(剪切、拉伸)、水力学性能和耐用性(抗 化学剂和耐腐蚀性)。不同的应用场合,对这些性 能要求也不同,譬如在防止坡体损坏的时候的机械 性能参数有:土工布的拉伸强度、土工布与土壤的摩擦、侧限状态强度-伸长;水力学参数:水力学界面 条件、沿平面导水率;影响其长期运行性能参数有: 土工布与土壤系统里蠕变、抗化学剂与耐腐蚀性。
图1 拉伸增强作用
图1 拉伸增强作用

2.2、过滤功能:
   土工织物在发挥滤层作用时起着类似过滤器的作用,允许液流自由地穿过其平面,而将泥土滞留于逆流的一侧(如图2)。
图2 发挥过滤功能的土工布
图2 发挥过滤功能的土工布
  土工布在发挥滤层功能时需满足两个相互矛盾 的要求:为了让水通过应该是疏松性结构,但为了滞 留泥沙应该是紧密性结构,另外在长期运行过程中 织物体系应能够长期适应水流通过,即在运行期内 不堵塞,因此对于发挥过滤功能的土工布来说其重 要的性能是液流穿过织物平面的透过能力(透水 率)、滞留泥沙和一定长时限的使用适应性。不同 的应用场合其性能要求有所不同,譬如说在长效滤 层的场合,影响其机械性能滤层稳定性的参数有:土 工织物的最大和最小的表观孔径(AOS);影响水力 学滤层稳定性的参数有:土工织物透水率;影响其长 期运行性能的参数有:孔隙率、AOS最小值、水和土 壤的化学性能。

2.3、隔离功能:
  所谓的隔离功能,就是将两种材料分离,如两种 不同性质的土壤,其目的在于保持和改善两种材料 的整体性和运行性能(如图3)。
图3 隔离功能
图3 隔离功能
  图A中作用土工布固定土壤颗粒使其不会转 移,避免泥沙与粗碎石相混,确保粗碎石的承载能 力;图B中没有使用土工织物,使得下层泥沙与粗 碎石基础相混,降低了承载能力。
  土工布发挥隔离功能时,对土工织物的性能要 求有:拉伸强度、刺破强度、撕裂强度、表现孔径 (AOS)和透水率。对于一项工程在不同的建造阶 段,对土工布性能参数的要求也不同,譬如用于铺放 时,其机械性能参数要求有:抗撞击、断裂伸长;水力 学参数:有效孔径、单位面积质量;长期运行参数:化 学稳定性、抗紫外线。

2.4、排水功能:
  土工织物的排水功能是在不使泥土流失的条件下能沿布面输导液流,与排水功能最大的区别在于水的流动方向不同,对排水功能而言,沿土工布平面方向渗透能力(导水率)是关键,排水是沿平面流动(如图4);而过滤作用时,液流是穿过土工布截面方向(透水率)完全不同。用于排水功能的土工布,厚度较厚,针刺土工布是唯一用于液流在水平流动的土工布。
图4 土工布排水功能的使用情况
图4 土工布排水功能的使用情况
  土工布发挥排水功能时,重要的性能要求是导 水率、滞留泥纱、长期运行性能。例如在永久性排水 使用场合中其重要的性能参数有:机械性能参数主 要是法向积土压力的影响;水力学参数:平面内渗透 性、单位面积质量、表观孔径;长期运行性能参数:表 观孔径、孔隙率、水和土壤的化学性能、抗腐蚀化学 稳定性。

2.5、防水(渗)功能:
  土工织物浸渍沥青或聚合物密封材料后可用作防水材料,浸渍后的土工布无论在穿越布面或沿织物平面上,水和汽的渗透能力都变得很小。
  土工布发挥防水(渗)功能时,要求土工布匀质性要好、与密封材料的亲和性要好、由温度波动引起的收缩率要小,为补偿由于温度波动产生的应力,土工布要具有合适的伸长性能。以重铺工程为例,对土工布的物理性能参数主要有:沥青饱和度、收缩率、产品同质性;机械性能参数:土工布的拉伸强度、土工布的伸长、固有刚度。
 
2.6、防护功能:
  在一些建筑和设施结构中,土工布和土工膜一起使用,土工织物此时发挥的功能就是为土工膜提供长期性的保护,使其在铺设时和铺设后避免穿孔和机械损伤。
  对于防护功能的土工织物其性能要求主要是抗刺破强度及耐磨损,并应具有长期运行化学稳定性和耐腐蚀性。以层顶设施为例,其机械性参数有抗刺破性;长期运行性能参数有抗蠕变性。
 
2.7、复合功能:
  土工布在大多数使用场合中,需要发挥的不只是一项功能,譬如土工布用于铁路碎石路基下面时,就要同时满足隔离、增强、滤层和排水等要求。
 
3、土工布的设计:
3.1、土工布性能设计:
  根据土工布的使用场合及其使用功能要求,首 先要确定土工布的物理性能,主要指厚度、几何尺寸 及密度;其次确定土工织物的机械性能指标,包括压 缩性、抗拉伸强度、接合强度、抗撕裂、抗顶破和抗刺 破强度等;第三确定土工布与土壤相互作用的性能,这种作用包括两个方面即机械作用与物理作用,机 械作用体现在土壤与土工布之间形成的力学关系 (如剪切关系);土工布的水力学性能用来表征土壤 和土工织物间物理性能相互作用情况,主要是指土 工布的孔隙率、开孔面积百分率、表观孔径、透水率、 导水率;第四,要确定土工布的耐用性要求,主要与 其自身材料与所使用的环境有关。

3.2、土工布的织物材料选择:
  在土工织物的设计与生产过程中,原料的选择是非常重要的,原料要根据土工织物的性能设计内容来进行选择,在满足使用条件的情况下,要尽量降低成本。
  目前土工布所使用的纤维原料主要是合成纤 维,有涤纶、丙纶、锦纶、乙纶、维纶等,合成纤维与天 然纤维相比,强度高、耐腐蚀性好、耐酸碱性好。其 中最常用的是涤纶与丙纶,涤纶纤维强力高、熔点高 (256℃),能与热的沥青接触,化学性能好,蠕变性 低;丙纶纤维耐光性较差、熔点较低(135℃),不宜 与热的沥青接触,抗撕破强度也不如涤纶,但其强力 较高,化学性能稳定,在土壤中不易被腐蚀,比重轻, 其它的性能均较好,更重要的是其价格便宜,因土工 布的使用量非常大,成本也是其选材的一个重要因 素。因此,丙纶纤维在土工布中的使用越来越多,这 也促成了丙纶纤维近几年的迅猛发展。

3.3、土工布的结构设计:
  土工布的结构,可以是非织造布、机织布或针织 布,也可以经过涂层、复合等加工处理,以增加它的 强力、防水或过滤性能。不同的加工方式,形成的土 工布的结构不同,不同结构的土工布具有不同的性 能特点。在实际生产过程中,可以根据土工布所发 挥的功能和性能要求来选择产品的加工方式。

3.3.1、机织土工布:
  机织土工布因是经纬纱交织, 经纬向强力较高,伸长率较小,机织土工布一般用于 各种强力要求较高的地方。但机织土工布对角拉伸 强度较低,且纱线的位移会改变土工布的孔径大小, 从而影响过滤性能,所以机织土工布一般不用于隔 层和滤水材料,适用于加固建工材料。目前常见的 机织土工布是由单丝或长丝并成复丝,或短纤维成 纱及用1mm~3mm宽的聚烯烃薄膜扁带或塑料片丝交织成布,然后再用一对热压辊,把交织点热压粘合,以增加强度,减少变形。
 
3.3.2、非织造布土工布:
  非织造布的性能与其所 使用的材料和形成方式有密切的关系。纺粘法土工 布质地均匀、强力高、伸长率好、门幅宽、生产率高, 成本最低,目前,已成为主要的非织造土工布;短纤 维针刺非织造土工布质地松软、结构蓬松、吸水渗水 性能好,适合于各种渗水、排水系统,也适合做路基; 但其强力较差,抗撕裂性差;化学粘合法非织造布, 由于粘合点不能产生滑移,织物比较僵直,抗撕拉性 较差,而且成本较高,在土木工程中的使用受到限 制;短纤维热熔粘合法非织造布的强力较低,定量较 轻,一般很少用于土工材料;复合非织造布,因同时 可以获得多种性能,在土工布的使用中应用较广,譬 如SM(纺粘、溶喷)、SMS等。
  由于非织造布能够选用不同的原料与工艺流 程,可以设计成具有广泛的结构特征与不同性能,这 是机织土工布无法取代的。非织造土工布与机织土 工布相比,具有工艺流程短、生产速度高、门幅宽、孔 隙范围大、蓬松性和透水性能好等特点,且非织造布 成本低、价格便宜,适合土木工程中的大量使用。最初在土工布中的运用是机织布,现在土工布主要是
非织造布。

3.3.3、针织土工布:
  针织土工布因其各向同向性差、孔隙稳定性差、强力低等特点,在土工材料中的使用非常少。
 
4、结语:
  随着我国经济的发展,土工布的市场将越来越大,如何开发设计好土工布产品,将为我国基础建设的发展及纺织行业走出低谷具有很重要的意义。


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