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1、 高效率、高性能土工布生产技术及其应用展望 过去，土木工程施工中遇到不适合施工的土壤时，通常采用替换土壤或者通过深基础施工的方法来规避施工困难土壤，这使得工程造价更高、施工难度加大，寻求一种可改善施工条件和工程质量的材料成为紧迫的诉求。加之长期以来的土地稀缺、老旧城市基础设施改造问题以及基础设施质量提升和环境治理需求，土工合成材料应运而生，并在过去的25年中迅速扩大应用领域到民用、岩土、环境、沿海和水利工程等几乎所有的土木工程领域，成为一种不可或缺的新型土工材料。土工合成材料具有节省空间、性能可设计、材料质量和施工质量易于控制、节约成本、施工方便等优点。常见的土工合成材料包括土工膜、土工织物、
2、土工格网、土工格栅、土工复合材料等。本文主要探讨非织造和织造土工布的主要应用及性能要求，并介绍几种能够满足各种土工布用途和帮助提高土工布生产效率和性能的关键技术。1 非织造土工布的应用及其关键技术进展非织造土工布包括短纤针刺土工布和纺粘土工布，主要应用于浅地表排水、土壤侵蚀防治以及湿度敏感土壤道路的稳定和加固等领域，尤其是在延长道路使用寿命方面，土工布是最具成本效益的材料。早在上世纪70年代，土工布就作为沥青嵌体率先在德国公路中得到应用。为了进一步提升使用土工布的信心，德国自2008年起还对土工布产品启用了CE安全标志。目前，土工布已经作为道路建设和改造工程中关键材料而在世界范围内得到广泛应用
3、，其中非织造土工布的应用最为广泛。据EDANA（欧洲非织造布协会）估计，全球每年生产和销售约7.5亿m2的非织造土工布，其中60%都用于道路施工，随着大型基础设施项目的实施，尤其是在中国等新兴经济体国家，非织造土工布的增长趋势仍在继续。1.1 非织造土工布在延长道路使用寿命中的优势和作用土工布在延长道路使用寿命中发挥的作用包括路基隔離和稳定、路基加固、路基与面层间的应力吸收以及面层加固等，在老旧道路维修中，土工布可铺设在沥青加铺层底部而发挥延长维修道路使用寿命的作用。下文主要介绍非织造土工布在老旧路面维修中的作用。1.1.1 使用非织造土工布降低道路维护成本高等级公路的路面结构主要有沥青路面和
4、水泥混凝土路面。沥青路面又称柔性路面，具有减振、对路基和地基变形或不均匀沉降的适应性强、修复速度快、碾压后即可通车等优点。但是由于沥青路面压实的混合料空隙率大，耐水性差；温度稳定性差，冬季易脆裂，夏季易软化；耐老化性差，长时间使用后会产生老化龟裂破坏；平整度的保持性差等原因，经较长时间使用后，沥青路面容易出现纵横向裂缝、车辙、平整度差、抗滑性能衰退等结构性和功能性损坏。水泥混凝土路面又称刚性路面，由于刚性路面不减振，行车舒适性不及沥青路面，且存在噪音较大、对路基稳定性要求高、新浇筑面板的养护期较长等缺点，水泥混凝土路面结构已逐步被沥青路面所替代。据统计，德国地方当局交通运输基础设施中约有95%
5、由沥青构成，而沥青在联邦公路与高速公路中的使用比例则超过70%。由于新建道路与交通运输基础设施的投入巨大，因此，不论是达到使用年限的旧水泥混凝土路面，还是沥青路面，改造和维修仍是首选。通常采取的维修方法是在老旧路面上加铺沥青层以覆盖旧路面，而这种维修路面的使用寿命则严重依赖于路面状况，即原路面的裂缝很快（一般为 2 3 年）就会反射到加铺沥青覆盖层表面上来，造成加铺层的损坏，再次产生裂缝。实践证明，将土工布作为沥青嵌体铺设于旧沥青路面或旧水泥混凝土路面的沥青加铺层底部，或新建道路沥青面层底部，可以减少或延缓旧路面对沥青加铺层的反射裂缝，同时还可以减少沥青路面车辙和低温开裂，提高路面的使用寿命，
6、延长检修间隔，从而降低维护成本。沥青嵌体既可以局部使用，也可以应用于整个路面。相比于织物，非织造布不仅工艺流程短、生产速度快，产量高、成本低，在道路施工应用中，还具有易加工成宽幅产品、容易吸收张力、施工方便等优势。通过非织造土工布的使用，还可显著减少道路施工所需矿物材料的使用。1.1.2 土工布在道路维修中的作用欧洲标准DIN EN 15381：2008-11（土工布和土工布相关产品 公路和沥青覆盖层要求的使用特性）中概述了土工布在道路新建和维修中的主要功能，主要概括为以下 3 个方面。（1）增强功能在已产生裂缝的路面上加铺沥青层，原来的裂缝很快就会发射到沥青加铺层，并产生张力，导致加铺层结构
7、破坏。铺设于沥青加铺层底部的非织造土工布可利用其较大的延展性，将裂纹处产生的张力扩散至其巨大的表面上，从而缓解裂纹处的应力集中，并缩短裂缝的尖端，减少反射裂纹。研究表明，通过加铺土工布防止反射裂缝，沥青面层厚度可减薄36%，车辙可减少50%，延长道路的使用寿命 3 6 年。（2）释放张力功能当基层受温度降低影响而收缩时，由于基层和面层之间的粘附阻力，会导致基层和面层之间产生拉应力，当拉应力超过面层抗拉强度时道路就会产生开裂，从而损坏道路结构。通过在面层和基层之间铺设土工布作为应力吸收层，可降低两层间的粘附阻力，从而降低层间拉应力，避免面层开裂。值得注意的是，非织造土工布对于拉伸应力的吸收相对有
8、限，相比之下，土工格栅则更加适合吸收张力，并将其分散在更大的表面上。通过非织造布与土工格栅组合制成复合土工布能够发挥两种材料各自的优势，起到隔水防渗作用的同时又能够最大限度地降低张力。此外，许多制造商还在不断开发非织造土工布的创新应用，如非织造布常与气泡膜或土工膜复合土工合成材料等，从而实现多种功能的复合。（3）隔水防渗功能损坏的道路形成裂缝后如果不及时维修，水就会进入已有损坏的区域。而在冬季，进入裂缝中的水因为结冰、膨胀很容易破坏路面。土工布可以起到隔水和防渗作用，防止水进入基层，避免对基层结构造成更为严重的损坏。1.2 高品质、高效率非织造土工布生产技术进展1.2.1 非织造土工布的技术要
9、求非织造土工布在用于道路维修时需要达到一些技术要求，主要包括以下几个方面。（1）强度和延伸性非织造布的强度在土工布的应用中极为重要，需要具备良好的抗撕裂强度。同时，非织造土工布还需要具备较好的延展性，并在纵、横两个方向上具有相似的拉伸特性（MD/CD = 1），即各向同性。（2）耐久性土工布通常需要在地下发挥作用长达50年，因此，必须具有良好的耐久性，包括耐化学腐蚀、耐水解、耐霉变等性能。与聚酯（PET）相比，聚丙烯（PP）的耐化学性和耐水解性更好，适用于对强度和化学性能要求更高的应用场合。（3）抗紫外线靠近地表铺设的土工布暴露在阳光中的时间更长，因此要求土工布具有良好的抗紫外线性能，相比于P
10、P，PET不仅成本更低，抗紫外性能也更好，因此适于对强度的寿命周期要求更短或是靠近地表铺设的土工布。（4）较高的熔点土工布要与沥青等工程材料接触使用，在施工过程中需要承受较高的温度，因此要求熔点较高。1.2.2 高品质、易加工：针刺土工布对纤维品质提出更高需求短纤针刺土工布是目前应用最为广泛的土工布之一，由纤维经开松混合、梳理（或气流）成网、铺网、牵伸和针刺等工序制成。高品质的纤维是决定短纤针刺土工布的关键因素之一。Oerlikon Neumag（欧瑞康纽马格）在该领域具有数十年经验，其针对土工布而优化的高品质短纤制造系统产能约为40 80 t/d，除白色纤维外，还允许使用纺前染色以生产有色纤
11、维，或使用功能性添加剂（如抗UV功能助剂等）以满足相应应用领域的要求。此外，该系统对原材料的适应性和灵活性极强，可用于PP、PE以及再生PET和PA6等纤维的生产，并能提供最高的产品品质和可靠性。生产短纤针刺土工布，不仅要求纤维具有优异的物理机械性能（包括高强度和伸长性能等）和最终产品品质可控，更需具备生产过程（梳理和针刺）的可加工性和可靠性性，这就要求纤维具有优异、均匀的卷曲以及适量的纺丝油剂。卷曲和纺丝油剂的应用越好，梳理工序就越快、越容易达到均匀。欧瑞康纽马格波罗的海卷曲机（Baltic Crimper）非常适合生产短纤针刺非织造土工布所需的二维卷曲纤维，即卷曲弧在两个方向上形成，可确保
12、卷曲均匀。1.2.3 高效率、高强度、节省材料：纺粘土工布发展势头强劲市场对更高效的非织造生产工艺和产品的需求正在日渐增加，纺粘非织造工艺可在投入更少原材料的同时产出同样甚至性能更好的非织造产品，从而正在土工布等众多工业应用领域中兴起，并有逐步取代传统的短纤针刺非织造布的趋势。欧瑞康纽马格最新的纺粘非织造布生产系统能够以更少的原材料生产出适用于土工布的更高强度的非织造布，将非织造土工布的品质最大化。尤其是在选用聚酯时，与前其前一代生产系统相比，能源消耗可降低20% 30%；与满足欧洲标准的一般基准土工布产品相比，该系统生产的纺粘非织造布在产品克重相当的情况下，能获得更高的强度，反之能以更低的产
13、品克重获得与基准产品相同的强度，从而实现节省原料的目的。试验表明，该技术可帮助节约5%以上的原材料。根据产品类型和非织造布厚度，该系统的产能可达800 1500 kg/h。另外，欧瑞康纽马格纺粘非织造布生产系统还能够实现生产高强度长丝所必需的极高的纺丝速度，从而能够制造收缩率极低的超强PET长丝非织造布；为了获得土工布所需的各向同性，歐瑞康纽马格纺粘非织造生产线可在针刺之后直接进行在线横向拉伸；柔性化的生产系统可生产性能卓越或性价比突出等多种类型的纺粘土工布最终产品。2 织造土工布的应用及工业丝关键技术进展织造土工布是以单丝、复丝或扁丝为原料交织或编织而成的土工织物，具有非常广泛的用途。由扁丝
14、织成的土工布常用于泥沙控制，如淤泥围栏和路基稳定等领域。扁丝虽具有很好的物理机械性能，但织成织物的渗透性很差，因此不适用于浅地表排水和土壤侵蚀防治等领域。相比之下，采用原纤化的扁丝织成的织物渗透性更好，并具有更均匀的空隙分布。由单丝织成的土工布具有较好的渗透性，适用于排水和侵蚀防治等领域。高强度复丝织成的土工布则主要做增强方面的应用。2.1 土工布对工业丝的技术要求土工布对工业丝的性能的首要要求是在各种应用领域中都必须非常耐用，因此，要求工业丝高度稳定、抗蠕变，并具备低收缩率、超高强度或高模量等性能。根据土工布的应用领域不同，对工业丝性能的侧重有所不同，如在作为增强材料应用或在高冲击作业时，要
15、求工业丝同时具备高强度和低收缩率（即高模量）；在要求较高性价比的应用领域，如农业等领域时，则要求在最少的用料情况下达到最优性能，这就需要工业丝同时具备高强度和高收缩性能；而几乎所有应用中均要求工业丝具有优异防紫外线功能（可通过在原材料中添加抗紫外功能助剂实现）。不同应用领域对工业丝的性能提出差异化的要求，纤维的强度和伸长性能有较大的变化范围，根据不同的应用配备使用高强度/低收缩或高强高收缩工业丝；同时，不同应用领域的土工织物克重也有较大的变化范围，如轻型土工织物的克重范围为70 200 g/m2，重型土工织物则为200 800 g/m2，因此，织制土工布的工业丝的纤度规格范围也很广，如用于织造
16、土工布的扁丝或原纤化扁丝纤度范围一般为500 10 000 dtex。这些都对工业丝生产系统的稳定性、高效性和灵活性提出了更高的要求。2.2 土工织物用工业丝：高品质、高效率和灵活性Oerlikon Barmag（欧瑞康巴马格）工业丝系统开发了适用于众多领域需求的配置，灵活的系统理念能够以最低的转换成本实现最多样化的工业丝产品以及高品质和高效率，从而使用户的收益最大化，如其卷绕单丝纤度最高可达8 800 dtex，因而可以省去特殊用途所需的合股工艺。2.2.1 HT/LS和 HMLS长丝制造系统生产土工织物用PET长丝，可选择欧瑞康巴马格的 8头HT/LS（高强度/低收缩）纺丝系统，通过合股后工业丝纤度可高达 82 200
