土工布發展現狀及趨勢展望

楊廣慶

摘要：總結分析了土工布的生產工藝類型和原料種類，提出非織造型土工布具有更為廣泛的應用領域；介紹了長絲紡粘針刺技術和短纖針刺技術兩種非織造型土工布生產工藝；基于土工布的功能分析，指出防滲工程、高鐵無砟軌道滑動層、粉煤灰堆場工程、尾礦庫堆場工程、礦山堆浸場工程和生態袋邊坡防護工程等應用領域對土工布提出了高強度、耐酸堿性、耐腐蝕性和耐霉變性等高標準要求，提出了高強、耐環境型聚丙烯長絲紡粘針刺土工布是土工布行業的重要發展方向。

關鍵詞：織造型土工布；非織造型土工布；生產工藝；應用現狀；建議

中圖分類號：TS176+.5 文獻標志碼：A

Development Status-quo and Outlook of Geotextiles

Abstract： Based on analyzing different production processes and types of raw materials for geotextiles， the paper points out that nonwoven geotextiles have broader application fields. It also introduces two kinds of nonwoven geotextiles production processes， one is based on filament spun-bonding and needle-punching technology， and the other is based on staple needle-punching technology. Then， by analyzing the functions of geotextiles， it further points out that current applications， such as seepage prevention projects， the sliding layer of ballastless track of high-speed railway， fly ash dump yard projects， tailings dump yard projects， mine dump leaching projects and ecological bag for slope protection， have posed higher requirements on the tenacity， alkali/acid resistance， corrosion resistance and mildew resistance， etc. of geotextiles， therefore， high-tenacity and environment-resistant polypropylene filament spun-bonded and needle-punched geotextiles represent a key developing trend of the geotextiles industry.

Key words： woven geotextiles； nonwoven geotextiles； production process； status-quo of application； suggestion

1 土工布類型及生產工藝

土工合成材料作為一種新型的巖土工程材料，可以天然或人工合成聚合物（塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成各種類型的產品，置于土體內部、表面或各層土體之間，發揮加強（加固）或保護土體的作用。目前，土工布己經廣泛應用于公路、鐵路、水利、電力、建筑、海港、采礦、軍工、環保等工程的各個領域。土工合成材料的主要品種有土工織物、土工格柵、土工網、土工膜、土工格室、土工復合材料、土工合成材料膨潤土墊（GCL）、土工管、土工泡沫等。

1.1 土工布類型

土工織物是以聚合物纖維為原料通過熱壓針刺、膠結、編織而成的透水性土工合成材料，又稱土工布，包括織造、非織造等幾種類型。織造型土工布包括編織（平織法、圓織法）、機織（平紋法、斜紋法）、針織（經編法、縫編法）等生產工藝生產的產品。非織造型土工布包括機械加固（針刺法、水刺法）、化學粘合（噴膠法、浸漬法）、熱粘合（熱軋法、熱空氣法）等生產工藝生產的產品。工程應用上可單獨使用土工布，也可與土工格柵、土工膜、土工網等其他土工合成材料復合后使用。

織造型土工布出現于上世紀60年代，其特點是強度高、造價高，反濾、排水功能差，在工程應用中具有局限性。非織造型土工布開始于20世紀60年代末期，我國在80年代初期開始應用該材料于工程實體中。中國的非織造布工業雖然起步較晚，但是發展速度很快，高性能的原料賦予產品高的強力與耐用性，先進的生產工藝賦予產品良好的功能，使其應用范圍不斷擴大。特別是近30年來，隨著針刺非織造、紡粘非織造工藝的推廣，使非織造型土工布應用領域較織造型土工布更為廣泛，得到快速發展，我國已發展成為世界非織造布生產大國，并逐步邁向生產強國。

1.2 土工布原料

目前土工布原料主要以合成纖維為主。各種合成纖維的選用需結合工程實際情況，既要考慮所使用領域對其物理化學性能的要求，又要考慮產品成本，其中應用最普遍的是聚酯纖維和聚丙烯纖維，其次是聚酰胺纖維和聚乙烯醇縮醛纖維。聚酯纖維物理機械性能良好，具有優良的韌度和蠕變特性，熔點高、耐高溫、耐老化，生產工藝成熟、市場占有率高。缺點是疏水性差、用于保溫材料時容易積存冷凝水，低溫下性能差、易玻璃化、強度降低，對酸、堿的耐抗性較差。聚丙烯纖維彈性好、瞬間彈性恢復優于聚酯纖維；耐酸堿性、耐磨性、耐霉變、耐低溫性能優良；具有很好的疏水性和芯吸性能，能使水分沿纖維軸向傳遞到外層表面；密度小、僅為聚酯纖維的66%，經多次牽伸可以得到結構緊密、性能優越的細旦纖維，再配合加固過程可使其強度更加優越。缺點是不耐高溫、軟化點為130 ～ 160 ℃，耐光性差、在日光下易于老化分解，但可以通過添加紫外線吸收劑等助劑使其具備抗紫外線性能。

非織造土工布的原料除采用以上纖維外，還可采用黃麻纖維、聚乙烯纖維、聚乳酸（PLA） 纖維等。天然纖維和特種纖維已逐步進入土工布各個應用領域，如天然纖維（黃麻、椰子殼纖維、竹漿纖維等）在路基、排水、護岸、控制土壤侵蝕等領域都有應用。隨著新材料的不斷開發，非織造土工布原料的選用范圍不斷擴展，加之生產技術的進步，越來越多的功能型土工布展露市場，顯示出土工布發展的蓬勃生機。

1.3 非織造型土工布生產工藝

相對于織造土工布，非織造土工布生產工序較少，生產效率較高、生產成本低，同時能制成較寬幅制品，因此近年來非織造土工布發展迅速。按成網方法的不同，常見的非織造型土工布生產工藝包括長絲紡粘針刺技術和短纖針刺技術。

長絲紡粘針刺技術是將聚合物加熱熔融，紡成連續的長絲束，經氣流牽伸，賦予纖維強力，不規則地鋪放在傳送帶上形成纖網，當長絲束還未完全凝固時，用針刺法加固后一步法成形的非織造技術。這種技術工藝流程短、產量高，生產出的土工布在同等規格條件下抗拉強度、撕裂強度、斷裂伸長以及縱橫向比等性能均比短纖維針刺土工布優越得多，適用于增強和加固等工程應用。但紡粘針刺工藝設備投資大，成網均勻度、產品變換的靈活性差，不適合小批量、多品種的生產。

短纖針刺技術是通過聚合物加熱熔融、紡絲、牽伸、卷曲定形、切斷、打包制成短纖維材料，以及短纖維開清、梳理、鋪網、針刺固結成布兩步法成形的非織造技術，該產品厚度大、密度高、結構蓬松，吸水和透水性能好，抗形變能力強，尤其適合做反過濾材料。針刺法非織造布工藝流程短，運用原料品種多，設備結構簡單，一次性投資少，因此以短纖針刺加工的土工布是我國目前用量最大的非織造土工布。

2 土工布主要功能

土工布的用途多種多樣，其主要功能包括過濾、排水、隔離、加筋、防護和防滲等。

2.1 過濾作用

由于土工布具有良好的透水、透氣性，將其置于土體結構中可允許土體內部的液體通過并排出，同時起到保土作用，能有效阻止上游土顆粒、細砂及小石料的流失，防止土體破壞，保持工程的安全穩定。如用土工布阻止土粒遷移滲入排水骨料或排水管，同時保持排水系統正常工作；在海岸和河岸的拋石防護層和其它護岸材料下面鋪設土工布，能阻止土壤的沖蝕，防止河岸塌陷等。

2.2 排水作用

土工布作為一種良好的導水材料，材料本身做為排水通道，可將土體結構內部的水分匯集在土工布內，沿著材料緩慢地排出土體。目前已廣泛用于土石壩排水、地下排水、路基、擋土墻及軟土地基排水等工程。如鋪設于路堤底部墊層中的土工布可作為排水通道排除地下水，也可作為加筋材料提高路堤穩定性。

2.3 隔離作用

隔離作用是指土工布能夠把兩種具有不同性質的材料隔離開來，以免相互混雜而失去各種材料的整體性和結構完整性。如鋪設于普通鐵路道砟與路基之間的土工布可有效隔離碎石道碴與土路基。

2.4 加筋作用

土工布置于土體內部作為加筋材料，或土工布與土相結合形成一個復合體，加筋復合土體與未加筋土體相比，其強度及變形性能都得到明顯的改善。如用土工布加筋可提高土體的抗拉強度，從而能夠建造加筋土陡邊坡或加筋土擋墻；加筋墊層中的土工布可提高路堤的穩定性等。

2.5 防滲作用

將土工布和土工膜等復合后具有較低的透水（氣）性，可阻止液體或氣體流動和擴散，發揮防滲作用或包容作用。如水庫防滲、土石壩防滲以及垃圾填埋場防滲等。

2.6 防護作用

通過設置土工布防護措施，可減少由降雨沖擊和地表水徑流造成的土壤流失。如將土工布與土工網復合后鋪在邊坡裸露土體的表面，可以有效地避免或減輕降水和地表徑流的侵蝕；用土工布制成的泥沙柵欄能夠濾掉渾濁徑流中的懸浮泥土顆粒等。

2.7 其他

除此以外，土工布還能發揮其它方面的作用。如土工布織袋包裹碎石樁可有效提高碎石樁的強度、減小樁體側向位移。土工布也可用作混凝土模袋和沙袋。用土工布制成的圓柱形土工管袋可以采用水力充填方式構成海岸線堤防等。

3 土工布應用現狀分析

隨著社會發展、應用范圍的擴大和使用功能需要的提高，非織造土工布在應用過程中會遇到各種使用環境，進而對土工布的性能要求也越來越高。

3.1 防滲工程

在垃圾填埋場、污染物儲存池、污水處理廠、環保及水工結構防滲等領域，土工布與土工膜復合后可實現其防滲功能。但由于垃圾填埋場垃圾成分較為復雜，同一垃圾填埋場不同區域垃圾滲瀝液的酸堿性也不盡相同，復雜的酸堿性條件對土工布的耐酸堿性能提出了嚴格要求。基于工程的長期性考慮，要求土工布具有耐環境溫度、抗腐蝕、高強度、耐酸堿性能好、耐久性好等特點。

3.2 高鐵無砟軌道滑動層

為了阻斷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橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統的重要組成部分 ——“兩布一膜”滑動層，即 2 層土工布中間夾 1 層土工膜（400 g布 + 1.0 HDPE膜 + 200 g布）的下層土工布以及CRTS III型板式無砟軌道隔離層土工布提出了嚴格要求。通過膠粘劑將該層土工布粘在梁面防水層或梁面上時，由于底座混凝土板呈堿性，土工布應具有優良的耐酸堿性、耐腐蝕、耐霉變性和耐磨性。

3.3 粉煤灰堆場工程

粉煤灰是電廠的廢棄物，長期堆放時需要進行隔離處置。粉煤灰遇水后pH值會瞬時增加，且隨著時間的延長pH值繼續增長，最大可達12以上，呈強堿性，因此粉煤灰堆場對土工布的耐久性要求非常嚴格。

3.4 尾礦庫堆場工程

為了提高尾礦庫壩體的穩定性并減少對周圍環境的影響，需對尾礦庫堆場進行防滲和加筋防護處理，而金、鉛、銅、氧化鋁、汞、鎘、鉻和鉬等金屬尾礦庫的滲瀝液基本呈堿性，甚至呈強堿性，土工布及復合土工布的耐酸堿性需滿足耐久性要求。

3.5 礦山堆浸場工程

中國礦產資源總量豐富，但具有品位低、礦石復雜難處理等特點，堆浸采礦技術是我國礦冶界應用最廣泛的采礦技術，但選礦廠浸出液滲漏后會對地下水及土壤造成污染，破壞環境。為了有效地阻止呈酸堿性的浸出液滲漏，選用的土工布必須具有良好的耐酸堿性。

3.6 生態袋邊坡防護工程

生態袋是由以聚丙烯為原料制成的高強度、平面穩定的針刺非織造土工布加工而成的袋子。生態袋具有很強的耐腐蝕性、抗紫外線性能，不降解，可以抵抗蟲害的侵蝕，且抗老化、抗酸堿鹽侵蝕及微生物分解。其透水不透土的功能既能防止袋內填充物（土壤及營養材料混合物）流失，又能實現水分在土壤中的正常交流，植物生長所需的水分可得到有效的保持和及時的補充，植物能通過袋體自由生長，根系進入工程基礎土壤中，形成袋體與土體坡面間的再次穩固作用，是公路鐵路邊坡綠化防護、荒山礦山修復、河岸護坡和內河整治中重要的施工方法之一。綜上所述，生態袋也應具備良好的耐酸堿性能。

由于目前常見的聚酯土工布耐酸堿性能較差，在堿性環境中強度和延伸率會下降，影響其使用性能和耐久性。而高強聚丙烯長絲紡粘針刺土工布由于強度高、延伸率低、抗形變能力強，密度小、施工簡便，耐腐蝕性優異、適用于各種酸堿環境，不吸水，透水、導水性能良好等特點，已成為土工布行業的重要發展方向。

4 土工布行業發展建議

依據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006 —2020年）》，科技部啟動了國家重點研發計劃“重點基礎材料技術提升與產業化”重點專項，提出進行土工材料在應用環境條件下的服役行為與失效機理研究以及高強度、耐老化土工材料研制等系列研究工作。

該專項的目的是以提升大宗基礎材料產業科技創新能力和整體競爭力為出發點，以國家重大工程和戰略性新興產業發展需求為牽引，著力解決重點基礎材料產業面臨的產品同質化、低值化，環境負荷重等重大共性問題，推進基礎性原材料重點產業的結構調整與產業升級。通過基礎材料的設計開發、制造流程及工藝優化等關鍵技術和國產化裝備的重點突破，實現重點基礎材料產品的高性能和高附加值，提升我國基礎材料產業整體競爭力，滿足我國高端制造業、戰略性新興產業創新發展的急需，為我國參與全球新一輪產業變革與競爭提供支撐，實現我國材料產業由大變強、材料技術由跟跑型為主向并行和領跑型轉變。

從土工布生產設備、生產工藝和產品質量來看，我國聚酯土工布已經達到了世界先進水平。但作為行業主要發展方向的高強度、耐老化土工布的生產技術及產品在我國尚未取得重大突破。在歐美發達國家，高強聚丙烯長絲紡粘針刺土工布已占土工布行業產量的30% ～ 40%，有的國家甚至達到了50%，國外生產聚丙烯紡粘針刺土工布的知名企業有位于馬來西亞、隸屬于荷蘭TENCATE公司的POLYFELT公司等。相比看來，我國高強聚丙烯長絲紡粘針刺土工布已落后于發達國家。

近年來，天鼎豐非織造布有限公司與意大利的FARE（法瑞）公司合作，成功研發了高強粗旦聚丙烯紡粘針刺非織造土工布生產技術，并已經實現了國產化，其技術指標達到并超過POLYFELT公司產品指標，改變了國外壟斷該技術以及國內長絲布幾乎全部是PET長絲布的現狀，結束了我國工程應用中長期依賴進口國外聚丙烯紡粘針刺土工布的歷史。可以預測，未來土工布市場仍將快速增長，聚丙烯非織造土工布勢必將成為我國土工布行業發展的潮流方向之一。