高性能土工復(fù)合排水材料的制備及其性能

李新玥，秦文康，竇 皓

(1.西安工程大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西西安710048；2.西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710048)

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)水資源的認(rèn)識(shí)逐漸加深，尤其在各種工程項(xiàng)目中，為了達(dá)到排水的目的，對(duì)土工復(fù)合排水材料的要求越來(lái)越嚴(yán)格。 比如在海綿城市建設(shè)工程中，要求排水材料可以達(dá)到下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，而在需要時(shí)將蓄存的水釋放并加以利用[1]。 當(dāng)降水量過大時(shí)，城市綠化帶不能完全吸收所有的水量，多余的水既不能通過下水道排到河流，也不能隨意排放。 此時(shí)，土工復(fù)合排水材料可以起到重要作用，由于土壤中的水可以下滲，經(jīng)過復(fù)合土工布的過濾，純凈的水會(huì)通過排水板流入專門的蓄水池，起到合理排水并且最大程度消化吸收雨水的作用。

土工復(fù)合排水材料又可稱為塑料排水板，是由塑料排水芯材外包土工織物構(gòu)成的一種復(fù)合材料[2]。 芯板材料大部分采用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等有機(jī)聚合物制成，濾膜的主要生產(chǎn)原料則是滌綸無(wú)紡?fù)凉た椢铮饕饔檬峭杆蛽跬粒约胺乐褂俣拢@種材料有良好的滲透性和耐腐蝕性，使用壽命長(zhǎng)，幾乎可以應(yīng)用在任何土壤中[3-4]。

二十世紀(jì)30 年代，W.Kjcllman 第一次在工程中使用紙板進(jìn)行排水，即采用具有一定排水功能的紙板代替原來(lái)的砂井作為新的豎向排水體，但是透水性差，且不穩(wěn)定[5]。 O.Wager 用聚氯乙烯替換原來(lái)排水紙板的板芯，隨后又開發(fā)出無(wú)紡?fù)凉た椢镒鳛樾碌臑V膜，替換原來(lái)的紙質(zhì)濾膜[6]，成功解決了穩(wěn)定性差，透水性差的問題，這一形式的土工復(fù)合排水材料得到了廣泛的使用，但是還不能與高質(zhì)量的工程相匹配。 武良金提出塑料排水板濾膜盡量使用長(zhǎng)絲熱粘無(wú)紡布，同時(shí)改進(jìn)芯板生產(chǎn)質(zhì)量可得到性能較優(yōu)的土工復(fù)合排水板[7]。 蔡曉光研究分析了分離式排水板和整體式排水板的性能，并指出了分離式排水板的缺陷[8]。 武良金、劉家豪研制出了一種新型的熱熔整體式排水板[9]，將濾膜與板芯通過熱熔粘合，形成一個(gè)整體式排水板，這種排水板較分離式排水板相比具有抗拉強(qiáng)度高，芯板與濾膜不會(huì)輕易發(fā)生滑移和脫落，且在土的壓力下，濾膜處于繃緊狀態(tài)，濾膜不會(huì)過多的陷入芯槽中，保障排水板的通水量[10-11]。

本實(shí)驗(yàn)以滌綸和低熔點(diǎn)纖維為原料，采用控制變量法，生產(chǎn)出針刺復(fù)合土工布試樣。 以HDPE 和EVA 為主要原料，采用滾吸工藝生產(chǎn)出排水板。最后以較優(yōu)的土工布試樣作為濾膜，以排水板作為板芯，將兩者進(jìn)行熱熔粘合，制備出土工復(fù)合排水材料。 該材料具有較高的拉伸強(qiáng)度及通水量，為后續(xù)土工復(fù)合排水材料的研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

材料：滌綸(細(xì)度6D， 長(zhǎng)度61mm)，低熔點(diǎn)纖維(細(xì)度1.6D，長(zhǎng)度35 mm)。

HDPE(高密度聚乙烯，5200B，中國(guó)石油化工有限公司)、EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，HTE05-F 華特粘接材料股份有限公司)、LLDPE(線性低密度聚乙烯，7144，中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司)、MLLDPE(茂金屬線型低密度聚乙烯，HPR18H10AX 大慶石化公司)。

測(cè)試儀器： BG-200A 電子天平，YG141D 數(shù)字式織物厚度儀，YT020I 型透水性測(cè)定儀，YG026D-1000 電子強(qiáng)力機(jī)，大榮026H 土工膜專用強(qiáng)力機(jī)，DR028 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，F(xiàn)Y07 排水網(wǎng)水平通水量測(cè)試儀。

1.2 針刺土工布的制備

以不同配比的滌綸和低熔點(diǎn)纖維為原料，利用針刺的方法，調(diào)整加工設(shè)備參數(shù)使土工布平方米克重為200g/m2、針刺密度為237 刺/cm2，最后改變熱軋工藝，制備出9 種針刺復(fù)合土工布。 熱軋過程中控制中輥、下輥溫度為170℃。

1.3 排水板的制備

以HDPE 和EVA 為主要原料，并與LLDPE、MLLDPE 等按比例混合，利用滾吸方法，生產(chǎn)出6種排水板試樣。 加工工藝流程大致為：原料選擇→混料機(jī)→上料機(jī)→螺桿擠出機(jī)→模頭→滾吸模具→牽伸輥→成卷。

1.4 土工復(fù)合排水材料的制備

將制得的復(fù)合土工布與排水板進(jìn)行熱熔粘合，冷卻固化后兩者緊密粘合，最終成為整體式土工復(fù)合排水材料。

1.5 測(cè)試

平方米克重：參照GB/T 24218 《非織造布單位面積質(zhì)量的試驗(yàn)方法》。

透水性：參照GB/T 15789-2005《復(fù)合土工布及其有關(guān)產(chǎn)品無(wú)負(fù)荷時(shí)垂直滲透特性的測(cè)定》。

拉伸性能：土工布測(cè)試參照FZ/T 60005-1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》。 排水板測(cè)試參照GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠-拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》。

頂破性能：參照GB/T 14800-93《復(fù)合土工布頂破強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)方法》。

抗壓強(qiáng)度：參照GB/T 9647-2003《熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測(cè)定》。

通水量測(cè)試：參照SL/T 235-1999《土工合成材料測(cè)試規(guī)程 縱向通水量試驗(yàn)》。

2 結(jié)果與討論

2.1 針刺復(fù)合土工布的性能分析

表1 為土工布的制備工藝參數(shù)及相關(guān)性能分析。 由表1 可知，9 個(gè)試樣的平方米克重均在200g/m2左右，該厚度與是否熱軋有關(guān)，雙面熱軋的試樣厚度最小，不熱軋的試樣厚度最大。

表1 復(fù)合土工布性能分析

續(xù)表

排水板濾膜通過水、氣等的功能統(tǒng)稱為滲透性，主要包括垂直和水平滲透性兩種。 本實(shí)驗(yàn)主要考慮濾膜的垂直滲透性。 隨著滌綸含量的增加，試樣的垂直滲透系數(shù)減小，經(jīng)過熱軋工藝的試樣垂直滲透系數(shù)較大幅度降低。 這是由于滌綸是疏水纖維，隨著其含量的增加，所制得濾膜的透水性降低，同時(shí)熱軋工藝使纖維之間的作用力增大，纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得緊密，也使得透水性降低。

由表1 可知，土工布的橫向斷裂強(qiáng)力大于縱向的，隨著滌綸含量減少及熱軋進(jìn)行斷裂強(qiáng)力逐漸增大。 參照J(rèn)T/T667-2006《公路工程土工合成材料無(wú)紡?fù)凉た椢铩穂12]，要求滌綸短纖針刺復(fù)合土工布的縱橫向拉伸強(qiáng)度≥3KN/m。 B1 的橫向斷裂強(qiáng)力為240N，C1 的為271.2N，兩者相差不大，以透水性能為優(yōu)先考慮原則，B1 作為土工布的優(yōu)先選擇。

表1 中，頂破強(qiáng)力隨著熱軋面數(shù)的變化而變化，熱軋的面數(shù)越多，頂破強(qiáng)力越大。 C 組的低熔點(diǎn)纖維含量最低，進(jìn)行單面熱軋后，纖維網(wǎng)內(nèi)部的纏結(jié)力和粘結(jié)力趨于最大化，再對(duì)其進(jìn)行雙面熱軋時(shí)，并沒有產(chǎn)生更多的粘結(jié)力，所以最終的頂破強(qiáng)力和單面熱軋的相差不多；不熱軋時(shí)，土工布的頂破強(qiáng)力主要由滌綸纖維之間纏結(jié)力提供，所以滌綸的含量越多，頂破強(qiáng)力越高。 當(dāng)進(jìn)行熱軋時(shí)，纏結(jié)力和粘結(jié)力共同作用，B2、B3 的配比使得纏結(jié)力和粘結(jié)力達(dá)到最大，其頂破強(qiáng)力在相同工藝下達(dá)到最大。

綜合考慮以上因素，選擇B1 作為最優(yōu)的土工布濾膜。

2.2 排水板性能分析

表2 排水板的性能分析

HDPE 是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹脂[13]，具有優(yōu)良的耐化學(xué)試劑、耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度、較高的剛性和韌性，廣泛應(yīng)用與于能源存儲(chǔ)、 生物醫(yī)學(xué)、 電介質(zhì)、 高頻應(yīng)用、 負(fù)荷軸承和紡織品等[14-18]。 本實(shí)驗(yàn)分別用EVA、LLDPE、MLLDPE 對(duì)其進(jìn)行改性，并根據(jù)宏祥新材料股份有限公司生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行排水板組分及含量設(shè)置，利用滾吸方法制備出6 種排水板，如表2 所示。 每組試樣的縱橫向斷裂強(qiáng)力相差不大，同時(shí)隨著厚度的增加，拉伸斷裂強(qiáng)力逐漸增加。

排水板試樣尺寸為10cm×10cm，有4 個(gè)凸殼，根據(jù)凸殼型排水板抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式可得其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2 所示。 隨著排水板厚度增大，其抗壓強(qiáng)度顯著增加，厚度約為1.2mm 時(shí)抗壓強(qiáng)度最大。

如表2 所示通水量值為500KPa 壓強(qiáng)和水力梯度為0.5 的條件所測(cè)得的排水板的平均通水量(水力梯度i 指水頭差與有效長(zhǎng)度(40cm)的比值)。由表2 可知，只有厚度約為1.2mm 的排水板具有通水量，其他試樣通水量為0。

綜合以上因素，選擇D3 作為最優(yōu)的排水板。

2.3 土工復(fù)合排水材料性能分析

2.3.1 拉伸性能分析

表3 拉伸性能對(duì)比

選擇B1 為土工布濾膜，D3 為排水板板芯，將兩者進(jìn)行熱熔粘合而成為土工復(fù)合排水材料。 由表3 可知，土工復(fù)合排水材料的縱橫向斷裂強(qiáng)力顯著高于土工布濾膜及排水板各單體的斷裂強(qiáng)力。

2.3.2 通水量測(cè)試

圖1 土工復(fù)合排水材料的通水量測(cè)試

由圖1 可知，隨著測(cè)試壓力及水力梯度增大，土工復(fù)合排水材料的通水量逐漸降低。 當(dāng)測(cè)試壓力為0KPa、水力梯度為0.1 時(shí)，土工復(fù)合排水材料的通水量最高，當(dāng)測(cè)試壓力為500KPa、水力梯度為0.5 時(shí)，其通水量最低，同時(shí)復(fù)合土工排水材料的通水量均優(yōu)于兩種復(fù)合單體的。

3 結(jié)論

本文首先利用非織造針刺和熱軋工藝制備出性能較優(yōu)的土工布，并以HDPE 和EVA 為主要原料，與LLDPE、MLLDPE、HIPS 等混合，利用滾吸方法制備出排水板，最終將土工布濾膜與排水板板芯進(jìn)行熱熔粘合，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。 高性能土工復(fù)合排水材料的研究與開發(fā)對(duì)工程排水問題的解決有重要意義，為土工復(fù)合排水材料的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。