紡織材料在土木工程建設領域的應用及發展

1. 江西服裝學院，江西 南昌 330201 2. 江西省現代服裝工程技術研究中心，江西 南昌 330201

近年來，我國土木工程建設領域的紡織產品產業發展迅速，其中部分產品的主要技術指標達到了世界先進水平。隨著國家“十三五”規劃的實施，我國的基礎設施建設將達到一個更新的水平，一些欠發展地區的基礎建設將得到極大的改善，大量的紡織材料將不斷地應用在工程建設過程中。與此同時，我國提出的“一帶一路”倡議也促進了亞洲和歐洲的沿線國家土工用紡織品市場的高速增長[1]。巨大的市場需求為土木工程建設用紡織品的發展注入了新的動力。因此，新技術應用和新產品開發對于土木工程建設用紡織品的發展具有重要的現實意義。本文通過查閱有關土木工程建設領域中應用紡織品的文獻，總結紡織材料在土木工程建設中的應用及發展趨勢，以期為新型土木工程建設用紡織品的設計開發提供理論參考。

1 土木工程建設用紡織材料的定義及產品分類

土木工程建設用紡織材料主要指應用在建筑、水利和交通等現代土木工程建設過程中的各類紡織產品，是產業用紡織品的重要組成部分。

1.1 建筑工程用紡織品

建筑工程用紡織品是指在建筑領域作為特殊建筑材料使用的紡織品，包括混凝土增強纖維、防水基材、隔聲材料和隔熱材料等。林艷杰等[2]在設計強度等級為C25的天然浮石輕骨料混凝土中摻入不同含量的聚丙烯纖維，然后研究立方體的抗壓強度，發現在浮石輕骨料混凝土中摻入聚丙烯纖維會不同程度地提高混凝土的抗壓強度，且隨著聚丙烯纖維摻入量的增加，混凝土的抗壓強度先增加后減小，繼而得到混凝土中聚丙烯纖維的最佳摻入量為0.9 kg/m3。美國Johns Manville公司開發了玻璃纖維/聚合物復合非織造材料地板，其彈性明顯提高。同時，該公司利用特殊浸漬工藝制成的玻璃纖維非織造布門面板，不僅彈性優良，還具有阻燃性能，滿足了阻燃級別A2的需求[3]。涂征[4]為了制備具有良好隔聲性能的層合板，以常用的松木壓制板為基材，玻璃纖維增強聚氯乙烯隔聲材料為芯層，設計制備了幾種結構的層合板(圖1)，并采用雙聲道聲學分析儀，對樣品的隔聲性能進行測試和分析，結果表明：厚度為20.0 mm的層合板的隔聲量大于30 dB，能夠滿足一般場合的聲音隔斷要求。

圖1 層合板的結構示意[2]

1.2 水利工程用紡織品

我國水資源分布不均，在南方地區雨水充沛，經常會遭遇洪澇災害；在北方地區則雨量匱乏，常常會發生干旱。這就需要大量的水利工程來調節水資源的分布。在建造水利工程過程中，水利工程用紡織品在護坡、護岸和防滲等方面起到了非常重要的作用[5]。

將土工布與塊石或混凝土板組成濾層護坡結構，或者土工布與混凝土組成模袋護坡結構，并將其應用在堤岸的坡面上，可以避免堤岸岸坡的基土被水流沖刷或侵蝕掉，防止塌岸、滑坡等現象的發生。土工布在坡岸護腳工程中的應用，主要采用土工布軟體排及土工布土袋結構形式，作為防沖護底的結構，避免水流對護坡基底的沖擊，保證護坡的穩定性。山東宏祥化纖集團有限公司研發的糙面復合土工膜在南水北調工程中的大量應用，展示了其良好的防滲功能[6]。此外，該產品還具有很好的防滑功能，受到200 kPa法向應力時其摩擦因數為0.8，其拉伸強度比傳統土工布提高了14.5%，且具有較好的耐腐蝕性。

水利工程的數量不斷增加使得因邊坡開挖而造成的裸露坡面現象經常出現，導致了嚴重的水土流失，因此需要進行護坡。傳統護坡主要采用水泥和石塊等材料，不僅對地基的承載力要求較為嚴格，還會破壞周圍的自然環境，不符合生態護坡的要求。另外還有移植植物進行護坡的傳統方式，但植物的生長周期較長，不能及時地控制水土流失。山東省紡織科學研究院將黃麻纖維針刺非織造布與黃麻網布進行復合，開發出一種復合植生材料，其鋪設方式及護坡原理如圖2所示[7]。該材料可以自然降解，轉化為植物的養料，植物根系與自然降解的纖維、泥土牢固地結合在一起，根系錨固到深處較穩定的巖土層上，起到頂應力錨桿的作用，可影響到地下更深的巖土層，有明顯的土壤加強作用，形成一層堅固的綠色復合保護層。

圖2 黃麻護坡復合植生材料鋪設方式及護坡原理示意[7]

1.3 交通工程用紡織品

隨著“十三五”規劃的實施，我國公路建設速度及規模都達到了一個新的高度，僅高速公路總里程已突破13萬公里。大量的紡織品已在軟基加固、舊路修復、公路路基防護和公路綠化中得到了廣泛的應用。特別是我國有些地區的土質松軟，地基中的含水量較高，這會導致其承載能力較低，在公路建設過程中容易產生材料沉陷或變形現象，所以，在軟土基上施工時常鋪設土工布，以增強路基的承載能力，如圖3(a)所示[8]。公路在使用過程中會出現不同程度的損壞，在修復中將土工布用于路面底層，取代應力消減層和封閉層，可以控制和防止路面裂縫進一步擴大，防止地表水進入，同時也可以在路面中起到良好的加筋作用，如圖3(b)所示[9]32。

(a) 增強路基用紡織品

(b) 公路修復用紡織品

粟嫻等[10]結合靖那(靖西—那坡)高速公路炭質頁巖邊坡滑塌處治實例，在《土工膜+掛網客土噴播防護技術在炭質邊坡處治中的應用》中介紹了土工膜+掛網客土噴播防護技術的設計原理、技術要求、施工工藝及技術優勢，闡述了該防護技術在炭質頁巖邊坡滑塌處治中的應用效果和推廣價值。結果表明：土工膜+掛網客土噴播防護技術處理后的邊坡坡面穩定性好，且整個坡面綠化防護效果較好，在技術經濟、社會效益、自然協調等方面都有較大優勢，具有重要的推廣價值。

1.4 其他工程用紡織品

1.4.1 高鐵無砟軌道滑動層

在鐵路橋梁建設過程中，為了減小橋梁因溫度變化而產生的伸縮變形對縱連軌道結構的影響，減小軌道系統與橋梁間的相互作用，確保軌道結構的穩定和平順，我國鐵路客運專線對CRTSⅡ型板式無砟軌道系統的重要組成部分廣泛采用“兩布一膜”滑動層，即2層土工布中間夾1層土工膜(400 g/m2土工布+1.0 mmHDPE膜+200 g/m2土工布)，其在鐵路軌道中的位置如圖4所示[11]。利用膠黏劑將上述滑動層粘在梁面防水層或梁面上，可以起到很好的加固作用。

1.4.2 垃圾填埋場土工膜

我國每年產生近10億t垃圾，其中大部分生活垃圾直接進行填埋，還有一部分生活垃圾通過焚燒和其他生活垃圾混合后進行填埋[12]。在建設大型的垃圾填埋場過程中，為了防止垃圾產生失穩現象，往往會在垃圾填埋場的底部鋪設多層土工布。由于垃圾填埋場的不同區域所存在的垃圾滲瀝液的酸堿性不同，在土工布設計過程中，對土工布的耐酸堿性提出了更加嚴格的要求。同時，該土工布還要具有良好的耐環境溫度、抗腐蝕、高強度等特點。此外，部分生活垃圾經過焚燒會產生大量的爐渣，這些爐渣與其他生活垃圾一起填埋時，滲濾液中的鈣含量會上升，當鈣離子與填埋氣中的二氧化碳接觸，將加速土工膜結垢現象的產生，提高了填埋場土工膜堵塞的風險[13]。所以，開發適合填埋焚燒爐渣的填埋場土工膜是將來的研究熱點。

2 土木工程建設用紡織材料的發展現狀及趨勢

2.1 發展現狀

近年來，隨著我國大力推進基礎設施建設，土木工程建設用紡織品的應用范圍不斷擴大，產品性能也越來越高。2016年，我國土木工程建設用紡織品的纖維加工總量達到93.23萬t，與2015年相比，增長了9.2%[14]。高性能土工材料、礦山支護材料和智能土工材料等，在保障基礎設施建設質量方面發揮了積極作用，成為土壤加固、結構安全監控和預警工程中重要的組成部分。隨著“一帶一路”倡議的提出和實施，土木工程建設用紡織品將迎來新的發展機遇。我國的土木工程建設用紡織品，部分已達到國際水平，但產品性能及精度還有待提高，高端產品與發達國家相比還有很大的差距，創新能力也不足，缺少自己的品牌。此外，我國土木工程建設用紡織品的質量標準也需要逐漸完善。特別是近些年新型城鎮化和綠色建筑環保化的不斷推進，一些具有綠色建材因子的新型紡織復合材料，由于沒有相應的綠色評價體系，其應用受到了很大限制。

2.2 發展趨勢

2.2.1 生態環保化

隨著我國生態文明建設的不斷深入，環保化已成為土木工程建設用紡織材料的發展趨勢[9]36。生物可降解土工布和生態型垃圾填埋用復合土工布膜的應用，不僅滿足了土木工程建設的需要，還可以提高土木工程用紡織品的生態相容性，減少對環境產生的不良影響。可以將聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)和聚酯(PET)紡織品用于耐久性要求不高的土木工程，大力推廣黃麻、椰殼和秸稈等天然纖維土工布在公路坡面綠化防護和生態修復等工程中的應用。

2.2.2 智能化

隨著智能技術在紡織品生產過程中的不斷應用，智能化也是土木工程建設用紡織品的發展趨勢。目前，智能土工布中常加入光纖傳感器和石墨烯纖維[15]。在土工布中加入集成光纖傳感器，可以監測堤壩應變、濕度、孔隙壓力、化學物質等的變化，判斷堤壩巖石結構的完整性，可以提前發現高失效和具有破壞風險的巖土結構及其位置，有利于提前預防或進行維修。石墨烯復合導電土工布應用在河堤或水庫漏液檢測上，可以及時發現滲漏，并通過不同位置檢測點的數據對比確定滲漏點的位置，及時進行修復，防止河堤或水庫發生更大的危害。目前，我國有關光纖傳感器和石墨烯的研究取得了階段性的成果，但在土工布上將光纖傳感器或石墨烯進行有效集成的技術卻鮮有報道。

2.2.3 新型化

經過近20年的發展，我國在長絲紡黏針刺土工布領域取得了較大成就，其中滌綸土工布的主要指標已經達到世界先進水平，但具有高強度和耐老化性能的高強丙綸長絲紡黏針刺土工布的發展相對滯后。在西方發達國家，高強丙綸長絲紡黏針刺土工布在整個行業總產量中的占比超過了30%，有的國家甚至達到了50%。浙江省勵達無紡布有限公司[16]從2013年開始研發高強丙綸長絲紡黏針刺土工布生產線項目，攻克了多項技術難題，生產出的高強丙綸長絲紡黏針刺土工布樣品的纖維強度達到 9 cN/dtex， 達到了國際著名企業Polyfelt(百利福)公司的標準。該公司是我國第一個具備高強丙綸長絲紡黏針刺土工布生產能力的企業，大量的高強高強長絲紡黏針刺土工布將逐漸代替滌綸土工布。

3 結語

隨著我國對基礎建設投入力度的不斷增強，土木工程建設用紡織品在我國建筑工程、水利工程、公路工程、鐵路工程和垃圾填埋工程等領域得到了廣泛的應用。同時，隨著國家“一帶一路”倡議的提出和實施，土木工程建設用紡織品在沿線國家的基礎建設中也將發揮重要作用，這將為該產業的發展注入強大的動力。但是，我國的土木工程建設用紡織品主要集中在中低端產品，創新能力不足，在高端產品市場中缺乏競爭力，需投入更多的精力和政策支持以補齊產業短板。此外，隨著土木工程建設用紡織品向生態環保化、智能化和新型化方向發展，相關的評價體系及國家標準的制定需逐步完善。特別是近些年新型城鎮化和綠色建筑環保化的不斷推進，部分具有綠色建材因子的新型紡織復合材料，由于沒有相應的綠色評價體系，其應用受到了很大的限制。土木工程建設用紡織品擴展了紡織產品的應用領域，為紡織材料的開發和產業用紡織生產企業的轉型發展提供了更廣闊的空間。

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