在工程建設(shè)中土工布是常用的材料，它有著非常好的加筋、隔離、護(hù)坡的作用，今天小編來聊一聊高性能布，下面一起看一下吧。

隨著我國社會的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民生福祉以及生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系變得越來越緊密。高速鐵路工程、垃圾或污水處理相關(guān)的防滲工程、礦山以及生態(tài)袋邊坡防護(hù)工程等領(lǐng)域正不斷地對土工建筑材料提出更高的要求和更多的需求。一般同時(shí)和地基、土壤、巖石、泥土或任何其他土建材料一起使用，并作為人造工程、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的組成部分的紡織品，即為土工布。高性能土工布往往具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐光照、耐溫度、耐老化等特性，能更好地在土工建筑工程中起到加固、防護(hù)、隔離、導(dǎo)水、防滲漏等作用。1926年，荷蘭第一次將土工布應(yīng)用在巖土工程領(lǐng)域，然而我國于上世紀(jì)80年代初，才逐漸將土工布應(yīng)用在我國鐵路、水利等領(lǐng)域當(dāng)中。目前，我國是全球土工用紡織品用量最大的國家，已形成約500家土工用紡織品企業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì)，2019年我國土工用紡織品的產(chǎn)量約110.59萬噸，同比增長4.1%。近年，隨著高性能土工布材料的開發(fā)與創(chuàng)新，必將進(jìn)一步推動我國土工建筑材料制造技術(shù)的發(fā)展以及我國建筑與工程建設(shè)水平的提高。

1、高性能土工布概況

①分類

按照制備方法的不同，土工布可分為織造土工布、非織造土工布以及復(fù)合土工布三大類?？椩焱凉げ伎纱笾路譃橥ㄟ^編織、機(jī)織、針織工藝生產(chǎn)的三類產(chǎn)品。非織造型土工布則是指由定向或隨機(jī)取向的纖維、長絲、條帶等，通過紡黏法、針刺法或者熱熔黏合法制成的產(chǎn)品。非織造土工布生產(chǎn)效率較高、具備良好的延伸性、力學(xué)性能和水平滲透過濾性能。復(fù)合土工布與前兩種類型的土工布相比更具優(yōu)勢，它是由兩種或兩種以上土工布或土工布有關(guān)產(chǎn)品復(fù)合而成，其具有更好的綜合性能，是一種在各類工程中被廣泛使用的一類高性能土工布。此外，從產(chǎn)品形狀來劃分，土工布又可分為平面狀、管狀、帶狀、格柵狀、繩索狀和其他異形土工布。

②原料

土工布原材料的選擇一定要與工程的實(shí)際需求相匹配，既要考慮現(xiàn)場對土工布性能要求，也要考慮產(chǎn)品的成本。土工布的生產(chǎn)原料目前主要為合成纖維，此外也少量采用天然纖維。天然纖維雖然具有可再生、易降解、成本低等優(yōu)勢，但也因其自身性能的不足而使其在各類工程應(yīng)用中受到局限。與天然纖維相比，合成纖維具有強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段幾乎所有的土工織物中都會用到合成纖維，包括聚酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚乙烯醇（PVA）等。四種常見合成纖維生產(chǎn)的土工布的性能如下表1。其中，PP目前的使用量最大，而PET耐堿腐蝕性能不如PP，其在土工布當(dāng)中的用量僅次于PP。此外，聚氯乙烯（PVC）、乙烯共聚物改性瀝青樹脂（ECB）、氯化聚乙烯（CPE）等其他具有特殊功能的聚合物材料也有少量應(yīng)用。高性能土工布的生產(chǎn)通常還需添加添加劑以提高土工布的性能，如抗氧化劑、光穩(wěn)定劑、紫外線吸收穩(wěn)定劑、長期熱穩(wěn)定劑、加工改性劑、阻燃劑、潤滑劑、抗菌劑等。

③生產(chǎn)技術(shù)

長絲紡黏生產(chǎn)技術(shù)具有生產(chǎn)流程短、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能高等優(yōu)勢，然而我國長絲紡黏工藝制備的土工布生產(chǎn)能力較大，技術(shù)水平卻較國外有一定差距，這與國內(nèi)設(shè)備的技術(shù)水平有關(guān)。PP長絲紡黏針刺土工布是長絲紡黏針刺非織造土工布的主要產(chǎn)品之一，具有高模量、高延伸、抗撕破、耐刺穿、耐酸堿、耐低溫、耐霉變、成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其在地下酸、堿、高寒等惡劣環(huán)境中具有不可替代的地位。2016年，山東天鼎豐公司建成了國內(nèi)首條年產(chǎn)8000t的高強(qiáng)粗旦聚丙烯長絲針刺土工布生產(chǎn)線，成為國內(nèi)首家此項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)，結(jié)束了我國長期依賴進(jìn)口國外聚丙烯長絲針刺土工布的歷史，天鼎豐采用高強(qiáng)粗旦熔融紡絲技術(shù)，即利用氣流加機(jī)械牽伸的方式，使聚丙烯高分子高度取向結(jié)晶，最終形成單絲線密度達(dá)到11dtex，單絲強(qiáng)力超過3.5cN/dtex 的連續(xù)長絲。再經(jīng)鋪網(wǎng)和針刺加固工藝，最終形成各向均勻的非織造土工布。山東晶創(chuàng)新材料科技有限公司采用瑞士歐瑞康與德國巴馬格公司最新研發(fā)的紡黏技術(shù)用于生產(chǎn)超強(qiáng)細(xì)旦PP土工布，年產(chǎn)量可達(dá)5萬噸。其采用牽伸一步成型技術(shù)加工聚丙烯的全自動智能化設(shè)備，可將生產(chǎn)速度提升一倍，并在全球范圍內(nèi)首創(chuàng)6m寬幅產(chǎn)品，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多重復(fù)合，

織造型土工布與非織造土工布相比，生產(chǎn)工藝更為復(fù)雜，生產(chǎn)成本更高，而產(chǎn)量較低，因此在土工領(lǐng)域主要應(yīng)用于一些對強(qiáng)度以及孔隙等有特殊要求的環(huán)節(jié)?？椩煨屯凉げ汲尚渭夹g(shù)主要包括高密度、寬幅、高速、高強(qiáng)機(jī)織和經(jīng)編技術(shù)。目前市場上的織造型土工布產(chǎn)品主要包括扁絲織造土工布、長絲機(jī)織土工布等。此外，復(fù)合型土工布的生產(chǎn)和應(yīng)用相對于其他類型的土工布來說起步較晚，但卻是土工布生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

2、高性能土工布的發(fā)展與應(yīng)用

根據(jù)美國知名市場研究機(jī)構(gòu)Grand View Research（GVR）的研究，2018年全球土工用紡織品的市場規(guī)模約為47.518億m2，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到76.11億m2，預(yù)期內(nèi)的年均復(fù)合增長率為7.0%。目前，我國是全球土工用紡織品用量最大的國家。實(shí)施重大公共設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施工程，加快完善水利、鐵路、公路、水運(yùn)等基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，是我國“十四五”期間的重要發(fā)展目標(biāo)。近年，在國家科技部等有關(guān)部門的高度重視下，我國土木建筑行業(yè)以及土工合成材料產(chǎn)業(yè)也在不斷地發(fā)展，土工布正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閹r土工程中必不可少的一種關(guān)鍵施工材料，并在基礎(chǔ)交通設(shè)施、水利工程、垃圾填埋、城市市政建設(shè)等領(lǐng)域成為基礎(chǔ)材料。

①道路施工領(lǐng)域的應(yīng)用

土工布在道路施工中的用量非常大，約占土工用紡織品總消耗量的一半，其主要依靠土工布與周圍土體之間的界面摩擦力來限制土體側(cè)向移動，增加土體承載能力，從而提高土體和建筑在使用期間的完整性和結(jié)構(gòu)支撐能力。高性能土工布除了自身應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度外，其表面還應(yīng)具有較高的粗糙度從而通過橫向約束力實(shí)現(xiàn)對其表面的巖土或者礫石的加固作用。

在道路施工建設(shè)過程中，高性能土工布除了起到加強(qiáng)作用外同時(shí)兼具其他功能：例如將碎石與路基隔開的分離功能、將軟弱地基中的水導(dǎo)出到集料層的排水功能等。此外，在臨時(shí)道路或者施工平臺上，采用土工布進(jìn)行加固，可有效改善土壤太軟等施工面臨的問題，從而降低施工設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場所需鋪設(shè)的碎石厚度，維護(hù)路基的穩(wěn)定性。

②海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用

高性能土工布在應(yīng)用過程中還可以起到保護(hù)陸地、人造結(jié)構(gòu)以及海水中人造結(jié)構(gòu)免受海水沖擊并保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，因此還被廣泛應(yīng)用在港口工程、海岸工程以及海上工程當(dāng)中，見圖2。此外，我國海島生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展亦是國家生態(tài)安全的重要組成部分，持續(xù)得到國家的高度重視，因此高性能土工布也將持續(xù)大量應(yīng)用在海灣以及海岸的護(hù)岸、修筑海堤、圍海造陸等工程當(dāng)中。而且，在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，土工布的水力機(jī)械性能和耐久性就變得至關(guān)重要。

③在環(huán)保防滲領(lǐng)域的應(yīng)用

我國目前針對垃圾填埋，污水處理、尾礦處理、煤粉灰堆廠等工程，均需大量使用高性能復(fù)合土工布為其提供防滲、防護(hù)等作用，見圖3。此外，諸如景觀綠化、生態(tài)園林建設(shè)、“海綿城市”建設(shè)、生態(tài)邊坡防護(hù)等環(huán)保項(xiàng)目的大量投入，也進(jìn)一步促進(jìn)了高性能土工布的發(fā)展與應(yīng)用。

3、高性能土工布的性能研究與開發(fā)

近年來，國家加大了對聚丙烯紡黏土工布的開發(fā)力度。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)開發(fā)了新型高強(qiáng)聚丙烯紡黏針刺非織造土工布（HPP土工布）。與普通PP土工布相比，HPP土工布具有強(qiáng)度高、過濾性好等優(yōu)勢。北京工業(yè)大學(xué)鄧宗才等人針對HPP土工布耐老化和耐腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，進(jìn)一步為其推廣應(yīng)用提供參考。研究結(jié)果表明，與PP土工布相比，HPP土工布具有更好的耐熱氧老化性能，以及較好的耐酸、堿和耐水浸泡性能。

提高土工布性能的主要方法還包括加入添加劑、化學(xué)改性和進(jìn)行復(fù)合。使用添加劑來彌補(bǔ)土工布的性能缺陷是一種常見的方法，但大量的添加劑也在一定程度上污染環(huán)境。對土工布進(jìn)行改性研究，例如進(jìn)一步改善土工布的強(qiáng)度以及抗降解性，是擴(kuò)大土工布應(yīng)用范圍、提高土工布附加值的重要手段。研究結(jié)果表明，將殼聚糖或半胱氨酸共價(jià)接枝到丙烯酸改性PP土工布上，可以使土工布在排水或過濾時(shí)具有捕捉重金屬的能力。

此外，伴隨原油價(jià)格的上漲以及環(huán)保相關(guān)法律的頒布，選擇生物可降解熱塑性聚合物制備環(huán)保型土工布也是一個重要的研究方向，其中，聚乳酸（PLA）、熱塑性淀粉（TPS）、聚羥基脂肪酸、石油基生物聚酯和纖維素衍生物是最具商業(yè)價(jià)值的生物基聚合物和生物基聚合物共混物。與這些材料相關(guān)的大部分研究主要集中在生物可降解包裝材料領(lǐng)域，目前尚無文獻(xiàn)報(bào)道將其應(yīng)用于可生物降解土工布。Prambauer等人就上述材料的綜合性能及其在土工布行業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述，討論了不同的結(jié)構(gòu)和相關(guān)性能，以及聚合物的可用性和成本，目前主要是PLA和TPS可以滿足高性能土工布對材料的可用性和價(jià)格的要求。當(dāng)然為了獲得所需的力學(xué)和物理特性，仍需對生物基聚合物進(jìn)行必要的改性和共混。

高性能復(fù)合土工布材料的研究與開發(fā)對土木建筑工程水平的發(fā)展有著重要意義。李新玥等人以滌綸和低熔點(diǎn)纖維為原料，生產(chǎn)針刺復(fù)合土工布，并以高密度聚乙烯（HDPE）和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）為主要原料，采用滾吸工藝生產(chǎn)出排水板。最終將土工布濾膜與排水板板芯進(jìn)行熱熔黏合，制備出土工復(fù)合排水材料。土工復(fù)合排水材料拉伸強(qiáng)力要大于兩者復(fù)合前單體材料強(qiáng)力，并且具有很高的通水量。

高性能土工布對工業(yè)纖維原料性能的要求是在各種應(yīng)用領(lǐng)域中都必須非常耐用，因此，所選工業(yè)纖維需具備高度穩(wěn)定、抗蠕變，以及低收縮率、超高強(qiáng)度或高模量等性能。復(fù)合土工布通常是由多種纖維混合而成，它們結(jié)合了不同材料各自的功能特性，尋找合適的高性能纖維一直是對高性能土工布的一個重要研究方向。玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維等無機(jī)纖維的強(qiáng)度和模量明顯高于合成纖維。然而，由于生產(chǎn)成本高，無機(jī)纖維在土工布上大面積應(yīng)用受到限制。玻璃纖維復(fù)合土工布是由玻纖機(jī)織基布與短纖針刺非織造布復(fù)合而成，具有高透水性、優(yōu)良的抗濾失性、耐磨性等特點(diǎn)。玄武巖纖維土工布具有環(huán)保、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。

國家先后在2008年和2017年起草了最新的長絲紡黏針刺土工布、短纖針刺土工布以及非織造復(fù)合土工膜等一系列土工布相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對相應(yīng)土工布產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范、供貨條件以及性能表征方法等做出了明確的指導(dǎo)。高性能土工布在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，難免也要面對極端自然環(huán)境的作用，譬如極寒、火災(zāi)、洪水甚至地震，因此對土工布在極端環(huán)境中性能的演變規(guī)律的研究就顯得尤為重要。同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院馮世進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)針對應(yīng)用于垃圾填埋防滲工程的復(fù)合土工布，研究了在地震循環(huán)載荷作用對復(fù)合土工布中土工膜與非織造土工布間界面的動態(tài)剪切強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，土工布孔隙中水的潤滑作用加快了界面剪切變形的發(fā)展，而界面的抗剪強(qiáng)度與位移速率呈正相關(guān)關(guān)系。

高性能土工布是產(chǎn)業(yè)用紡織品中的重要組成部分，其在全球范圍內(nèi)的土工建筑領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)迅速崛起，我國土工布產(chǎn)能的穩(wěn)步提升與需求的持續(xù)增長預(yù)示著該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大潛力。隨著土工布應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大和應(yīng)用環(huán)境的趨于復(fù)雜，具備高強(qiáng)度和多功能的高性能土工布已成為土工布的發(fā)展方向。然而，我國在高性能土工布產(chǎn)品開發(fā)、成型技術(shù)以及生產(chǎn)設(shè)備的研制等領(lǐng)域均落后于發(fā)達(dá)國家。如今，面向國內(nèi)“十四五”規(guī)劃大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)這一契機(jī)，以及國內(nèi)外大量土木建筑合作工程帶來的良機(jī)，我國土工布生產(chǎn)企業(yè)、相關(guān)科研機(jī)構(gòu)以及相關(guān)測試評價(jià)機(jī)構(gòu)應(yīng)著重合作共贏，協(xié)同創(chuàng)新，圍繞高性能土工布開展基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵材料與核心技術(shù)的開發(fā)，高端裝備的研制等工作，使高性能土工布在耐候性、功能性、強(qiáng)度等方面的性能得到進(jìn)一步提高的同時(shí)，降低成本并提高產(chǎn)能。

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