纺织材料在土木工程建设领域的应用及发展

1. 江西服装学院，江西 南昌 330201 2. 江西省现代服装工程技术研究中心，江西 南昌 330201

近年来，我国土木工程建设领域的纺织产品产业发展迅速，其中部分产品的主要技术指标达到了世界先进水平。随着国家“十三五”规划的实施，我国的基础设施建设将达到一个更新的水平，一些欠发展地区的基础建设将得到极大的改善，大量的纺织材料将不断地应用在工程建设过程中。与此同时，我国提出的“一带一路”倡议也促进了亚洲和欧洲的沿线国家土工用纺织品市场的高速增长[1]。巨大的市场需求为土木工程建设用纺织品的发展注入了新的动力。因此，新技术应用和新产品开发对于土木工程建设用纺织品的发展具有重要的现实意义。本文通过查阅有关土木工程建设领域中应用纺织品的文献，总结纺织材料在土木工程建设中的应用及发展趋势，以期为新型土木工程建设用纺织品的设计开发提供理论参考。

1 土木工程建设用纺织材料的定义及产品分类

土木工程建设用纺织材料主要指应用在建筑、水利和交通等现代土木工程建设过程中的各类纺织产品，是产业用纺织品的重要组成部分。

1.1 建筑工程用纺织品

建筑工程用纺织品是指在建筑领域作为特殊建筑材料使用的纺织品，包括混凝土增强纤维、防水基材、隔声材料和隔热材料等。林艳杰等[2]在设计强度等级为C25的天然浮石轻骨料混凝土中掺入不同含量的聚丙烯纤维，然后研究立方体的抗压强度，发现在浮石轻骨料混凝土中掺入聚丙烯纤维会不同程度地提高混凝土的抗压强度，且随着聚丙烯纤维掺入量的增加，混凝土的抗压强度先增加后减小，继而得到混凝土中聚丙烯纤维的最佳掺入量为0.9 kg/m3。美国Johns Manville公司开发了玻璃纤维/聚合物复合非织造材料地板，其弹性明显提高。同时，该公司利用特殊浸渍工艺制成的玻璃纤维非织造布门面板，不仅弹性优良，还具有阻燃性能，满足了阻燃级别A2的需求[3]。涂征[4]为了制备具有良好隔声性能的层合板，以常用的松木压制板为基材，玻璃纤维增强聚氯乙烯隔声材料为芯层，设计制备了几种结构的层合板(图1)，并采用双声道声学分析仪，对样品的隔声性能进行测试和分析，结果表明：厚度为20.0 mm的层合板的隔声量大于30 dB，能够满足一般场合的声音隔断要求。

图1 层合板的结构示意[2]

1.2 水利工程用纺织品

我国水资源分布不均，在南方地区雨水充沛，经常会遭遇洪涝灾害；在北方地区则雨量匮乏，常常会发生干旱。这就需要大量的水利工程来调节水资源的分布。在建造水利工程过程中，水利工程用纺织品在护坡、护岸和防渗等方面起到了非常重要的作用[5]。

将土工布与块石或混凝土板组成滤层护坡结构，或者土工布与混凝土组成模袋护坡结构，并将其应用在堤岸的坡面上，可以避免堤岸岸坡的基土被水流冲刷或侵蚀掉，防止塌岸、滑坡等现象的发生。土工布在坡岸护脚工程中的应用，主要采用土工布软体排及土工布土袋结构形式，作为防冲护底的结构，避免水流对护坡基底的冲击，保证护坡的稳定性。山东宏祥化纤集团有限公司研发的糙面复合土工膜在南水北调工程中的大量应用，展示了其良好的防渗功能[6]。此外，该产品还具有很好的防滑功能，受到200 kPa法向应力时其摩擦因数为0.8，其拉伸强度比传统土工布提高了14.5%，且具有较好的耐腐蚀性。

水利工程的数量不断增加使得因边坡开挖而造成的裸露坡面现象经常出现，导致了严重的水土流失，因此需要进行护坡。传统护坡主要采用水泥和石块等材料，不仅对地基的承载力要求较为严格，还会破坏周围的自然环境，不符合生态护坡的要求。另外还有移植植物进行护坡的传统方式，但植物的生长周期较长，不能及时地控制水土流失。山东省纺织科学研究院将黄麻纤维针刺非织造布与黄麻网布进行复合，开发出一种复合植生材料，其铺设方式及护坡原理如图2所示[7]。该材料可以自然降解，转化为植物的养料，植物根系与自然降解的纤维、泥土牢固地结合在一起，根系锚固到深处较稳定的岩土层上，起到顶应力锚杆的作用，可影响到地下更深的岩土层，有明显的土壤加强作用，形成一层坚固的绿色复合保护层。

图2 黄麻护坡复合植生材料铺设方式及护坡原理示意[7]

1.3 交通工程用纺织品

随着“十三五”规划的实施，我国公路建设速度及规模都达到了一个新的高度，仅高速公路总里程已突破13万公里。大量的纺织品已在软基加固、旧路修复、公路路基防护和公路绿化中得到了广泛的应用。特别是我国有些地区的土质松软，地基中的含水量较高，这会导致其承载能力较低，在公路建设过程中容易产生材料沉陷或变形现象，所以，在软土基上施工时常铺设土工布，以增强路基的承载能力，如图3(a)所示[8]。公路在使用过程中会出现不同程度的损坏，在修复中将土工布用于路面底层，取代应力消减层和封闭层，可以控制和防止路面裂缝进一步扩大，防止地表水进入，同时也可以在路面中起到良好的加筋作用，如图3(b)所示[9]32。

(a) 增强路基用纺织品

(b) 公路修复用纺织品

粟娴等[10]结合靖那(靖西—那坡)高速公路炭质页岩边坡滑塌处治实例，在《土工膜+挂网客土喷播防护技术在炭质边坡处治中的应用》中介绍了土工膜+挂网客土喷播防护技术的设计原理、技术要求、施工工艺及技术优势，阐述了该防护技术在炭质页岩边坡滑塌处治中的应用效果和推广价值。结果表明：土工膜+挂网客土喷播防护技术处理后的边坡坡面稳定性好，且整个坡面绿化防护效果较好，在技术经济、社会效益、自然协调等方面都有较大优势，具有重要的推广价值。

1.4 其他工程用纺织品

1.4.1 高铁无砟轨道滑动层

在铁路桥梁建设过程中，为了减小桥梁因温度变化而产生的伸缩变形对纵连轨道结构的影响，减小轨道系统与桥梁间的相互作用，确保轨道结构的稳定和平顺，我国铁路客运专线对CRTSⅡ型板式无砟轨道系统的重要组成部分广泛采用“两布一膜”滑动层，即2层土工布中间夹1层土工膜(400 g/m2土工布+1.0 mmHDPE膜+200 g/m2土工布)，其在铁路轨道中的位置如图4所示[11]。利用胶黏剂将上述滑动层粘在梁面防水层或梁面上，可以起到很好的加固作用。

1.4.2 垃圾填埋场土工膜

我国每年产生近10亿t垃圾，其中大部分生活垃圾直接进行填埋，还有一部分生活垃圾通过焚烧和其他生活垃圾混合后进行填埋[12]。在建设大型的垃圾填埋场过程中，为了防止垃圾产生失稳现象，往往会在垃圾填埋场的底部铺设多层土工布。由于垃圾填埋场的不同区域所存在的垃圾渗沥液的酸碱性不同，在土工布设计过程中，对土工布的耐酸碱性提出了更加严格的要求。同时，该土工布还要具有良好的耐环境温度、抗腐蚀、高强度等特点。此外，部分生活垃圾经过焚烧会产生大量的炉渣，这些炉渣与其他生活垃圾一起填埋时，渗滤液中的钙含量会上升，当钙离子与填埋气中的二氧化碳接触，将加速土工膜结垢现象的产生，提高了填埋场土工膜堵塞的风险[13]。所以，开发适合填埋焚烧炉渣的填埋场土工膜是将来的研究热点。

2 土木工程建设用纺织材料的发展现状及趋势

2.1 发展现状

近年来，随着我国大力推进基础设施建设，土木工程建设用纺织品的应用范围不断扩大，产品性能也越来越高。2016年，我国土木工程建设用纺织品的纤维加工总量达到93.23万t，与2015年相比，增长了9.2%[14]。高性能土工材料、矿山支护材料和智能土工材料等，在保障基础设施建设质量方面发挥了积极作用，成为土壤加固、结构安全监控和预警工程中重要的组成部分。随着“一带一路”倡议的提出和实施，土木工程建设用纺织品将迎来新的发展机遇。我国的土木工程建设用纺织品，部分已达到国际水平，但产品性能及精度还有待提高，高端产品与发达国家相比还有很大的差距，创新能力也不足，缺少自己的品牌。此外，我国土木工程建设用纺织品的质量标准也需要逐渐完善。特别是近些年新型城镇化和绿色建筑环保化的不断推进，一些具有绿色建材因子的新型纺织复合材料，由于没有相应的绿色评价体系，其应用受到了很大限制。

2.2 发展趋势

2.2.1 生态环保化

随着我国生态文明建设的不断深入，环保化已成为土木工程建设用纺织材料的发展趋势[9]36。生物可降解土工布和生态型垃圾填埋用复合土工布膜的应用，不仅满足了土木工程建设的需要，还可以提高土木工程用纺织品的生态相容性，减少对环境产生的不良影响。可以将聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)和聚酯(PET)纺织品用于耐久性要求不高的土木工程，大力推广黄麻、椰壳和秸秆等天然纤维土工布在公路坡面绿化防护和生态修复等工程中的应用。

2.2.2 智能化

随着智能技术在纺织品生产过程中的不断应用，智能化也是土木工程建设用纺织品的发展趋势。目前，智能土工布中常加入光纤传感器和石墨烯纤维[15]。在土工布中加入集成光纤传感器，可以监测堤坝应变、湿度、孔隙压力、化学物质等的变化，判断堤坝岩石结构的完整性，可以提前发现高失效和具有破坏风险的岩土结构及其位置，有利于提前预防或进行维修。石墨烯复合导电土工布应用在河堤或水库漏液检测上，可以及时发现渗漏，并通过不同位置检测点的数据对比确定渗漏点的位置，及时进行修复，防止河堤或水库发生更大的危害。目前，我国有关光纤传感器和石墨烯的研究取得了阶段性的成果，但在土工布上将光纤传感器或石墨烯进行有效集成的技术却鲜有报道。

2.2.3 新型化

经过近20年的发展，我国在长丝纺黏针刺土工布领域取得了较大成就，其中涤纶土工布的主要指标已经达到世界先进水平，但具有高强度和耐老化性能的高强丙纶长丝纺黏针刺土工布的发展相对滞后。在西方发达国家，高强丙纶长丝纺黏针刺土工布在整个行业总产量中的占比超过了30%，有的国家甚至达到了50%。浙江省励达无纺布有限公司[16]从2013年开始研发高强丙纶长丝纺黏针刺土工布生产线项目，攻克了多项技术难题，生产出的高强丙纶长丝纺黏针刺土工布样品的纤维强度达到 9 cN/dtex， 达到了国际著名企业Polyfelt(百利福)公司的标准。该公司是我国第一个具备高强丙纶长丝纺黏针刺土工布生产能力的企业，大量的高强高强长丝纺黏针刺土工布将逐渐代替涤纶土工布。

3 结语

随着我国对基础建设投入力度的不断增强，土木工程建设用纺织品在我国建筑工程、水利工程、公路工程、铁路工程和垃圾填埋工程等领域得到了广泛的应用。同时，随着国家“一带一路”倡议的提出和实施，土木工程建设用纺织品在沿线国家的基础建设中也将发挥重要作用，这将为该产业的发展注入强大的动力。但是，我国的土木工程建设用纺织品主要集中在中低端产品，创新能力不足，在高端产品市场中缺乏竞争力，需投入更多的精力和政策支持以补齐产业短板。此外，随着土木工程建设用纺织品向生态环保化、智能化和新型化方向发展，相关的评价体系及国家标准的制定需逐步完善。特别是近些年新型城镇化和绿色建筑环保化的不断推进，部分具有绿色建材因子的新型纺织复合材料，由于没有相应的绿色评价体系，其应用受到了很大的限制。土木工程建设用纺织品扩展了纺织产品的应用领域，为纺织材料的开发和产业用纺织生产企业的转型发展提供了更广阔的空间。

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