第2章 土工合成材料的制造第一節(jié)

概

述土工合成材料的主要產(chǎn)品有土工織物、土工膜、土工格柵、土工格室、土工網(wǎng)、土工復(fù)合材料（如塑料排水帶）等。土工織物是用合成纖維按照不同的生產(chǎn)方法制造的，其中經(jīng)過經(jīng)緯機(jī)織生產(chǎn)的產(chǎn)品稱為有紡織物（又稱紡織物）；而把纖維網(wǎng)經(jīng)機(jī)械加固或熱黏合或化學(xué)黏合的方法而生產(chǎn)的產(chǎn)品稱為無紡織物（又稱非織造布）。土工合成材料是由聚合物材料的顆粒（切片）經(jīng)過熔融、噴絲、拉絲、壓延、吹塑、拉伸等生產(chǎn)過程形成不同形狀的產(chǎn)品，如絲、片、膜、網(wǎng)等，或再經(jīng)過一定的加工工藝制成的具有不同用途的合成材料產(chǎn)品。第二節(jié)合成纖維一、合成纖維簡介合成纖維是以煤、天然氣、石油等作原料，經(jīng)過提煉出可供合成的有機(jī)物質(zhì)，再通過化學(xué)方法合成為高分子化合物（聚合物），最后經(jīng)過熔融或溶解成為黏稠紡絲液，在一定壓力下由噴絲頭噴絲，并經(jīng)加工而制成的各種纖維。纖維（絲）是合成材料的最主要形式之一，是一種長度與截面直徑之比大于1000，富于柔曲性，具有一定強(qiáng)度的材料。由于纖維截面形狀的差異和不均勻性，習(xí)慣上用纖維的線密度(纖度)表示纖維的粗細(xì)程度，即用單位長度的質(zhì)量作為單位。在纖維及紡織術(shù)語中采用下列專用的線密度單位：1、特克斯(tex)，1tex代表1000m長纖維的質(zhì)量為1g；2、旦尼爾(denier)或旦(den)，1den代表9000m長纖維的質(zhì)量為1g；其中tex單位是我國的法定計(jì)量單位。二、幾種主要合成纖維的化學(xué)成分和特性目前大規(guī)模生產(chǎn)的合成纖維達(dá)30～40種之多，主要有錦綸(尼龍)、滌綸(聚酯)、丙綸(聚丙烯)，乙綸（聚乙烯）等。1.錦綸(polyamide，PA)錦綸的化學(xué)成分是聚酰胺，它是由石油的衍生物氨基酸(HOOC一(CH2)4一HOOC)與內(nèi)酰胺(H2N一(CH2)6一NH2)聚合生成。主要有尼龍6和尼龍66，占聚酰胺產(chǎn)品的80％。其顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度高(比鋼絲繩強(qiáng)度大)、質(zhì)輕(比棉花輕35％)、耐磨，耐腐蝕、不怕蟲蛀等。它的缺點(diǎn)是拉伸模量較低，尺寸穩(wěn)定性差，加荷后會產(chǎn)生蠕變，且價格較高。錦綸常用于混凝土、水泥砂漿的模袋布(fabriformmat)，又稱“法布”。2.滌綸(polyester，PET)它的化學(xué)成分是聚酯，由石油的衍生物乙二醇(HOCH2一CH2OH)與對苯二甲酸酯聚合而成。其特點(diǎn)是干濕強(qiáng)度均高，初始模量高，變形恢復(fù)能力好，耐沖擊性能好（比錦綸高4倍），耐磨性好(僅次于錦綸)，而抗皺性、保形性為其它纖維所不及，因原料價格比尼龍低廉，其產(chǎn)量遠(yuǎn)超過尼龍，占合成纖維第一位。缺點(diǎn)是吸濕、透氣性、染色性差，不耐暴曬。3.丙綸(polypropylene,PP)丙綸的化學(xué)成分是聚丙烯，由丙烯分子(C3H6)在催化劑作用下聚合反應(yīng)生成。丙綸是后起之秀，質(zhì)輕、強(qiáng)度高，比滌綸輕得多，能浮于水面，強(qiáng)度不比錦綸遜色，它的另一顯著特點(diǎn)是熔點(diǎn)低，也常用作纖維型熱粘合劑。缺點(diǎn)是吸濕性差，蠕變現(xiàn)象明顯，防老化性能（耐曬性）差，常在制顆粒時加入添加劑（如抗氧劑和光穩(wěn)定劑等）或防老化母料，以提高防老化的能力。4.乙綸(polyethylene，PE)乙綸的化學(xué)成分是乙烯(C2H4)聚合而成。根據(jù)聚合反應(yīng)時不同的壓力、溫度和催化劑，可以分別生成：低密度聚乙烯(LDPE)；線性低密度聚乙烯(LLDPE)；高密度聚乙烯(HDPE)，其中相對密度（比重）：0.90-0.96，斷裂強(qiáng)度400～760

MPa，回潮率為0。具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，其強(qiáng)度、韌性更好，也常用于制作絲和條帶(扁絲)，生產(chǎn)土工織物和土工格柵。圖2-1四種典型紗線的載荷-伸長曲線合成纖維經(jīng)過黏合或搓捻形成紗線，紗線的拉伸特性與溫度、拉伸速率有關(guān)，一般情況下，強(qiáng)度隨溫度升高而下降，隨拉伸速率加快而提高。圖2-1表示四種典型紗線在20℃、拉伸速率為每

分鐘10％條件下的荷載-伸長曲線。三、合成纖維的生產(chǎn)過程合成纖維的生產(chǎn)方法有熔融法、干法和濕法三種。從聚合物到纖維的形成過程可用圖2-2表示。圖2-2合成纖維的成形過程熔融紡絲的生產(chǎn)過程如圖2-3所示。干燥的聚合物顆粒存于儲罐1內(nèi)，帶有加熱器的螺桿擠出機(jī)2由電動機(jī)3驅(qū)動，熔融的聚合物加壓后經(jīng)多個支管，通過計(jì)量泵4供給各噴絲頭5，形成的絲經(jīng)上油裝置6、導(dǎo)絲軸7，由卷繞裝置8卷繞。熔融絲從噴絲頭形成后也可直接或切短后鋪成絮墊，以便制造無紡織物。圖2-3熔融紡絲工藝過程薄膜切割扁絲平膜法的生產(chǎn)過程如圖2-4所示。聚合物（聚丙烯、聚乙烯）原料被烘干后加入料斗，在

料筒的螺桿槽中被熔融，加壓推向機(jī)頭形成黏流態(tài)膜

片1，然后進(jìn)入水箱進(jìn)行冷卻定型，并通過切割而成為一定寬度的薄膜2。這種條帶是扁平的（扁絲），在拉伸牽引力的作用下，進(jìn)行單軸向拉伸3，并經(jīng)過熱定型4，最后再進(jìn)行單軸向拉伸5，達(dá)到工藝設(shè)計(jì)的線密度、強(qiáng)度和伸長率等。另外，可以在拉伸后經(jīng)過纖維化處

理，裂開成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（裂膜絲）。最后卷繞在紗管上6。扁絲生產(chǎn)過程中的廢絲被集中到廢絲集箱7中，并回收利用。圖2-4典型平膜法扁絲機(jī)組第三節(jié)土工織物一、有紡織物的生產(chǎn)過程及性能有紡織物至少由兩組平行的紗線(或扁絲)組成，一組沿織機(jī)的縱向(織物行進(jìn)的方向)稱經(jīng)紗(warp)；另一組橫向布置稱為緯紗(weft)。紡織物的制作過程如圖2-5所示。有紡織物性能的要求可查閱國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17640-2008《土工合成材料長絲機(jī)織土工布》。圖2-5有紡織物的生產(chǎn)過程二、無紡織物的生產(chǎn)過程及性能無紡織物按纖維長短分類為：短纖無紡織物；長絲無紡織物。無紡織物生產(chǎn)過程包括纖維成網(wǎng)前的開松與混合；纖維網(wǎng)（絮墊）的形成；纖維網(wǎng)的加固，以及織物的后整理。1、開松與混合；2、纖維成網(wǎng)；3、纖維網(wǎng)的加固，可分為機(jī)械加固(針刺法，如圖

2-6b所示)、化學(xué)黏合和熱黏合；4、織物的后整理。規(guī)格、柔軟、外觀。圖2-6針刺無紡織物生產(chǎn)過程a)針刺的形狀 b)加固的過程無紡織物性能的要求可查閱GB/T17639-2008《土工合成材料長絲紡黏針刺非織造土工布》。三、土工織物的連接土工織物的幅寬一般在6m以下（圓織機(jī)生產(chǎn)的扁絲編織土工布可達(dá)幅寬12m），工程應(yīng)用時，連接是必須的。一種方法是在織物生產(chǎn)廠進(jìn)行預(yù)連接，該法質(zhì)量好；另一種方法是在工地現(xiàn)場連接，后者實(shí)際上是不可避免的。連接縫往往是土工織物的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量使其處在受力較小的位置，或?qū)⒔涌p的垂直方向避開主拉力的方向。連接的方法有下面幾種：1、

搭接

2、

縫接

3、黏接

4、扎接1.搭接該法經(jīng)常使用，特別適合鋪設(shè)于水下部位的織物。織物間的搭接量由結(jié)構(gòu)的要求和鋪設(shè)的誤差而定。水上部分可采用較小的搭接量，如25-30cm，并可用塑

料扣或U形釘進(jìn)一步減小搭接量；水下部位應(yīng)加大搭

接量，如50cm或更大。2.縫接縫接是一種線的構(gòu)造單元，將線以一定間隔反復(fù)穿過織物的接頭。接頭的方式有a)肘接、b)帽接、c)蝴蝶接、d)疊接等（圖2-7）。圖2-7織物的縫接接頭強(qiáng)度與針腳間距和縫線的強(qiáng)度有關(guān)，肘接可達(dá)織物強(qiáng)度的25％一75％，疊接用于工廠預(yù)制的接頭，一般可達(dá)90％的織物強(qiáng)度，且持砂性能較好。而蝴蝶接與帽接多用于無布邊的織物，它們分別是肘接和疊接的變形型式。縫線的縫接形式主要有兩種，一種是a)鎖縫，常用于工廠預(yù)制的接頭；另一種是b)鏈縫，多用于工地現(xiàn)場的接頭（圖2-8）。圖2-8

縫線的縫接形式3.粘接土工織物的接頭可用黏合劑黏接。常用的有機(jī)黏合劑如圖2-9所示。圖2-10織物的扎接圖2-9常用的有機(jī)黏合劑4.扎接每塊織物卷邊縫合，并插入承力的硬軸，然后用鋼絲或塑料環(huán)將卷邊連同硬軸捆扎在一起，參見圖2-10。該法常用于承受拉力的接頭。第四節(jié)土工膜和復(fù)合土工膜一、土工膜的生產(chǎn)過程及性能土工膜按生產(chǎn)工藝分類為：吹塑法（又稱管膜法）、壓延法、擠壓法、層壓法。其中吹塑法還可分為：上吹法、平吹法、下吹法。1、吹塑法上吹法生產(chǎn)過程如圖2-11所示。干燥的聚合物顆粒存于料斗2內(nèi)，帶有加熱器的螺桿擠出機(jī)1將熔融的聚合物向前擠壓，經(jīng)過機(jī)頭3，通過?？跀D出熔融狀態(tài)的管坯，經(jīng)吹脹后的管膜通過風(fēng)環(huán)6外冷卻和內(nèi)冷卻，經(jīng)過人字板

4，使整個管膜冷卻定型，再通過牽引棍5牽引，經(jīng)過剖開，展平，最后被收卷機(jī)7收成整卷的土工膜。圖2-11上吹法土工膜的生產(chǎn)過程目前上吹法可以生產(chǎn)出幅寬達(dá)8

m，厚度達(dá)3

mm的聚乙烯土工膜。圖2-12四輥壓延機(jī)輥筒的排列方式a)I型b)L型c)正Z型d)倒Z型2、壓延法壓延法土工膜可定義為：將加熱塑化的熱塑性塑料通過兩個以上的相向旋轉(zhuǎn)的輥筒間隙，以得到規(guī)定尺寸薄膜。常用的四輥壓延機(jī)，可分為I型、L型、正Z型和倒Z型四種，如圖2-12所示。3、擠壓法擠壓法（又稱平膜擠出法）是將聚合物經(jīng)擠出機(jī)熔融塑化，從機(jī)頭狹窄的?？跀D出熔融的片坯，經(jīng)輥筒壓光冷卻，牽引，切邊，然后卷取成土工膜。擠壓法在聚合物原料選用上比吹塑法有更大的自由，能生產(chǎn)比壓延法更寬和更厚的土工膜。4、層壓法層壓法土工膜（板）可定義為：將已壓延成型的聚合物（主要是聚氯乙烯、聚丙烯）薄片置于層壓機(jī)中，經(jīng)加熱加壓，并在壓力下冷卻定型而制成的膜（板）。土工膜性能的要求可查閱GB/T17643-2011《土工合成材料聚乙烯土工膜》。二、復(fù)合土工膜生產(chǎn)過程及性能1、復(fù)合土工膜的定義復(fù)合土工膜可定義為：以織物為基材，以聚乙烯、聚氯乙烯等土工膜為膜材，經(jīng)流延、壓延、涂刮、輥壓等復(fù)合而成的復(fù)合土工膜。2、復(fù)合土工膜的分類按布基材可分為：短纖針刺無紡織物、長絲紡黏針刺無紡織物、長絲有紡織物、扁絲有紡織物等；按膜材可分為：聚乙烯（PE）膜、聚氯乙烯（PVC）膜、氯化聚乙烯（CPE）膜等；按結(jié)構(gòu)可分為：一布一膜、二布一膜、一布二膜、多布多膜等。3、復(fù)合土工膜的制造方法復(fù)合土工膜制造方法主要有：流延、壓延、涂刮、輥壓四種復(fù)合方法。其中，流延（擠出流延復(fù)合）、壓延（擠出壓延復(fù)合）兩種方法技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好。4、復(fù)合土工膜的性能復(fù)合土工膜主要用于防滲，同時具有較高的強(qiáng)度和摩擦系數(shù)。復(fù)合土工膜性能可查閱GB/T17642-2008《土工合成材料非織造布復(fù)合土工膜》。三、復(fù)合土工膜的連接復(fù)合土工膜的連接包括織物和織物的連接（見2.3節(jié)），膜和膜的連接（主要有黏接和焊接兩種），土工膜與周圍巖土及混凝土的連接，見第5.4節(jié)。第五節(jié)土工網(wǎng)和土工復(fù)合排水網(wǎng)、其他土工復(fù)合排水材料一、土工網(wǎng)和土工復(fù)合排水網(wǎng)土工網(wǎng)(geonet)是一種大網(wǎng)格的二維結(jié)構(gòu)，主要用于和上下兩面的無紡織物濾層（或一面無紡織物、另一面土工膜）構(gòu)成復(fù)合排水體。因此，土工網(wǎng)和土工復(fù)合排水網(wǎng)是不可分開的同一材料。土工網(wǎng)是以聚合物為主要原料，采用擠出工藝，經(jīng)特制的旋轉(zhuǎn)機(jī)頭一步制成的非編織型整體化平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1.排水土工網(wǎng)的結(jié)構(gòu)排水土工網(wǎng)是由兩組或三組筋條以一定的角度交叉而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有排水道槽和通道。其中三組筋條排水網(wǎng)結(jié)構(gòu)如文前彩圖7所示。三組交錯的肋條中，中間的直肋條剛性很大，形成矩形排水通道。應(yīng)用于土中排水時，不會因壓力使通道面積顯著減小或使無紡織物顯著侵入通道。2.土工網(wǎng)的性能土工網(wǎng)性能可查閱GB/T19470-2004《土工合成材料塑料土工網(wǎng)》。文前彩圖7二、其他土工復(fù)合排水材料其他土工復(fù)合排水材料主要有塑料排水帶、穿孔波

紋管、彈簧軟式透水管和塑料盲溝四種不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。這些材料正逐步取代以碎石外包無紡織物滲排結(jié)構(gòu)?？捎糜谂潘耐凉ず铣刹牧嫌型凉た椢?、土工網(wǎng)和土工復(fù)合排水材料。然而它們的排水能力是不同的。雖然土工織物的滲透系數(shù)很大，是一種優(yōu)良的透水材料，但作為排水材料，滲流是沿著土工織物平面在其內(nèi)部進(jìn)行的，由于土工織物的厚度不大，且受壓后變薄，故其導(dǎo)水率在三者中是最小的，如果要求的導(dǎo)水率和上覆壓力較大，應(yīng)優(yōu)先選用土工網(wǎng)和土工復(fù)合排水材料。第六節(jié)土工格柵和土工網(wǎng)墊一、土工格柵土工格柵（geogrid）是整體由抗拉材料聯(lián)結(jié)構(gòu)成的、呈規(guī)則孔狀的一種平面聚合物結(jié)構(gòu)體，可以是擠壓拉伸、粘合或編織而成。首先生產(chǎn)的是塑料土工格柵，如圖1-1所示。本書只介紹塑料土工格柵。圖1-1(a)單向格柵

(b)

雙向格柵塑料土工格柵制造方法塑料土工格柵制造方法主要有兩種，一種是聚合物（聚丙烯或高密度乙烯）經(jīng)擠出成板材，在板材上進(jìn)行有規(guī)則地沖孔，然后對孔板進(jìn)行加熱、拉伸（單向或先單向后雙向）。另一種方法是聚合物（聚丙烯或高密度聚乙烯）直接擠出成型網(wǎng)板，經(jīng)加熱進(jìn)行拉伸。拉伸過程使原來隨機(jī)方向分布的團(tuán)狀分子鏈沿拉伸方向重新定向排列，呈直線狀態(tài)。從而，使土工格柵的拉伸強(qiáng)度大大增加，拉伸應(yīng)變和蠕變應(yīng)變均明顯降低，顯著提高了材料的力學(xué)性能。塑料土工格柵性能塑料土工格柵性能的要求可查閱GB/T17689-2008《土工合成材料塑料土工格柵》。二、土工網(wǎng)墊土工網(wǎng)墊（geomat）是一種三維結(jié)構(gòu)，又稱為塑料三維土工網(wǎng)墊（參見文前彩圖8），它是控制水土流失的坡面防護(hù)土工合成材料。塑料三維土工網(wǎng)可定義為：底面為雙向拉伸平面網(wǎng)，表面為非拉伸擠出網(wǎng)，經(jīng)點(diǎn)焊復(fù)合，熱收