经编技术在高强度、耐环境土工布中的应用

姜亚明+闫静静+齐业雄+叶华亦+项赫+田慧

摘要：本文着重介绍了经编轴向织物、经编间隔织物和经编/非织造复合织物等 3 类土工布的结构特点、性能特点和相应的应用领域，详细介绍了经编技术在高强度、耐环境土工布中的应用优势。为经编技术在高强度、耐环境土工布中的应用提供指导。

关键词：经编轴向织物；经编间隔织物；经编/非织造复合土工织物；高强度；耐环境

中图分类号：TS181.8 文献标志码：A

The Application of Warp-knitting Technology in High-strength and Environment-resistant Geotextiles

Abstract： This paper mainly introduces the structures，properties and applications of axial warp-knitted fabrics， warp-knitted spacer fabrics and warp-knitted/nonwoven compound fabrics. The huge advantages of warp knitting technology in the production of high-strength and environment-resistant geotextiles are introduced in details. It can provide guidance for the application of warp knitting technology in the field of high-strength and environment-resistant geotextiles.

Key words： axial warp-knitted fabric； warp-knitted spacer fabric； warp-knitted/nonwoven compound fabric； high strength； environment resistance

经编技术作为针织工艺技术中的一个重要分支，其产品以高附加值、设计多样性和应用领域广泛等众多优势，正迅速向高档服装面料、高附加值家纺面料和产业用增强骨架材料等领域扩展。近20年来，随着经编技术水平的提高以及经编织物结构设计的多样化，高强度、高模量、耐高低温、耐腐蚀和抗老化等高性能纱线应用到经编土工布中，使其力学性能和耐环境性能大大提高，从而受到业界越来越多的关注。

经编土工布的功能多种多样，由于结构中高性能纱线呈现平行顺直排列状态，纱线的潜能能够充分发挥出来，使其拥有非常高的强度。同时，由于高性能纱线具有防腐、抗老化等特殊的功能，从而使其具有抵抗恶劣环境的优势，具有高强度、耐环境等特性的经编土工布在排水、过滤、隔离和增强等方面的功能尤为突出。

目前，经编土工布主要有经编轴向织物土工布、双层经编土工布、经编和非织造复合土工布等 3 类。本文将着重介绍这 3 类土工布的结构、性能特点和相应的应用领域，阐述经编技术在高强度、耐环境土工布中的应用情况，揭示经编技术在高强度、耐环境土工布方面应用的优势，期望为经编技术在高强度、耐环境土工布中的应用提供指导。

1 经编土工布概述

经编土工布是一种具有高强度、结构设计性强的土工材料。它以人工合成的聚合物，包括塑料、化纤、合成橡胶等为原料，制成不同类型、不同功能的产品，置于土体、建筑等内部、表面，发挥其加强和保护作用。经编土工布的应用历史晚于其他土工材料将近20年，然而其用量及应用领域却得到了迅速发展。

1.1 经编轴向织物

通过具有衬经、衬纬功能的特殊经编机织造的经编轴向织物是一种新型的定向结构织物，目前卡尔迈耶和利巴公司的多轴向经编机是世界上使用最多和最广的多轴向经编设备。经编轴向织物衬纱纱线的方向多种多样，既可以按经纱方向和纬纱方向衬入，同时也能以几乎任意角度的斜向衬入。经编轴向织物除了在面内具有优异的力学性能外，在厚度方向的力学性能也得到了明显增强，而且它也拥有优于传统增强织物的抗撕裂性，这要归功于衬纱完全伸直排列并由捆绑纱绑缚在一起的捆绑纱结构。经编轴向织物包括单轴向、双轴向、多轴向、格栅等组织结构，图 1 为最常见的双轴向及多轴向经编织物，其绑缚纱线的基本组织可以是经平、编链等。这种织造技术具有许多优良的特点，例如生产率高、织物强度利用率高、模量高、原料适应性广泛、织物特性可设计等。

與传统的机织物相比，经编轴向织物的主要优点如下。

（1）高强度。保持高强度是骨架增强材料最基本的要素之一，经编双轴向织物中的纱线处于完全伸直状态，能够充分发挥衬纱高强高模的特性，而在机织物中，由于经纬向纱线彼此交织，纱线呈屈曲状态，从而不能充分发挥高性能纱线的性能。图 2 为 2 种织物中纱线的受力分析图。当机织物受到拉伸作用时，在纱线的弯曲部分，拉伸力可以被分解为拉伸方向与垂直于拉伸方向的两个分力。垂直方向的分力起到了推开与之垂直的纱线的作用，从而纱线的强力利用系数降低，织物整体强力下降。另外，纱线的预先屈曲也使织物的断裂伸长率变大。而对于经编轴向织物中的衬纱，纱线处于完全伸直状态，拉伸力只有沿纱线轴向的作用力，从而使纱线的性能利用率增大。

（2）抗撕裂。提高织物的抗撕裂性具有非常重要的意义。在加工一般经编双轴向织物的过程中，纱线常常会被尖锐硬物撕裂而依次断裂。而经编轴向织物的纱线配置分布于不同平面内，当经编轴向织物沿某一方向拉伸时，另一方向的纱线不会受剪切而断裂，而是在捆绑纱的作用下形成防止裂口增大的“格栅”，从而形成了经编轴向织物优越的抗撕裂性能。

（3）耐久性。考虑土木工程中应用材料的使用周期问题，材料的耐久性能将是必不可少的性能之一。通过对经编轴向织物的蠕变松弛性能的研究发现，其蠕变性能受织物结构类型的影响。其中最主要的一个影响因素是织物中纱线的伸直状况，即织物的蠕变性随纱线的屈曲变小而变小，从而使经编轴向织物具有更好的耐久性能。

（4）耐环境性能。由于经编轴向织物衬纱原料的适应性广，例如碳纤维、玻璃纤维等高性能、抗腐蚀纤维。使用高性能纤维作为衬纱不仅能够增加材料的强度，也使材料在抵抗外部恶劣环境方面具有巨大的优势。

1.2 经编间隔织物

经编间隔织物一般是在双针床拉舍尔经编机上生产的，通過间隔纱系统将上下表层的织物连接起来形成具有三维结构的整体织物（图 3）。间隔系统通常使用合成纤维贯穿于两个表层织物之间形成间隔层，使织物具有较大的空间，这也是间隔织物最大的结构特点。经编间隔织物特殊的空间结构同样赋予了其许多特殊的性能，从而能够应用于诸多领域。尤其作为土工材料应用，在过滤和排水领域具有独特的优势。

经编间隔织物由于特殊的结构，在实际应用和结构设计中都是灵活多变的，主要的性能优势如下。

（1）抗压性。经编间隔织物在厚度方向上起主要作用的是间隔系统。当间隔丝受到厚度方向的压缩载荷时，压头处的间隔丝发生弯曲，使载荷向四周传递，从而将压力分散到一个较大的半径范围内，从而使织物局部承受的压缩载荷变小。因此，该织物在厚度方向上具有较大的抗压弹性。

（2）透气、导湿性。经编间隔织物上下两层的结构通常是较轻薄、稀松的网眼结构，透气性很好，透气量一般都在1 578 ～ 2 328 mm3/（mm2？s）的范围内；而表面致密、间隔丝的克重大的织物其透气量也在420 ～ 1 360 mm3/（mm2？s）范围内。除此之外，由于间隔丝的毛细效应将液体传递到织物的另一表面，并散发到周围的空气中，因此织物也具有良好的吸湿、导湿功能。

（3）结构整体性和可成型性。传统的发泡和粘合层合织物生产过程会造成严重的环境污染，而间隔织物则无需复合和化学粘合，可整体成型，从而大量节省生产成本和减少环境污染。此外，经编间隔织物的上下 2 个表层通过间隔系统连接在一起，分层被抑制，具有良好的结构整体性。

1.3 经编/非织造复合织物

目前，德国利巴公司生产的多轴向经编机可综合非织造纤维网的制造特点和双轴向或多轴向经编织物制造特点生产经编/非织造复合织物（图 4）。非织造土工布虽然应用很广泛，但其强度、耐久性及尺寸稳定性相对较差。采用具有高强度、织物尺寸稳定性好的经编轴向织物与其复合，可以在很大程度上提高非织造布的强度和模量，同时复合后的织物能够充分发挥 2 种织物结构的优势。

在编织过程中同时喂入非织造布，带尖头的复合针可以将其穿透。有研究显示，以碳纤维为衬经纱系统、复合轻质玻璃纤维非织造布的经编单轴向复合织物可利用衬纱90%以上的强度，而相同条件下的平纹机织物强度利用率只有70%左右。轻质的玻璃纤维非织造布主要起两个作用，一个是用来保护衬经纱，因为在使用过程中碳纤维衬经纱容易受到磨损，使强力减小；另一个作用是增加织物与混凝土的接触面积，使界面强度得到提高。经平捆绑系统通过把衬纱和非织造布捆绑到一起，达到增强效果。复合土工织物拥有良好的机械强度、渗透性、尺寸稳定性且对外界传来的压力有很好的吸收作用。图 5 为TenCate公司生产的轴向经编/非织造布复合土工布。

2 经编土工布的应用

2.1 在水泥管道上的应用

以经编轴向织物为增强体的高性能水泥管道由于高性能增强材料的加入，管材质量明显减轻。在相同内径、相同承载能力的水泥混凝土管技术要求下，经编轴向织物增强高性能水泥管道的管壁明显变薄。相关研究发现，当碳纤维增强水泥的厚度仅为钢筋增强水泥厚底的1/4时，即可抵抗与钢筋增强水泥相同的外部载荷（图6）。经编轴向织物增强的水泥管同时具有良好的承载能力、抗裂性能，提升了管道的抗渗性和耐久性，为排水工程提供新型优质管材。据相关报道，该类型的管道2016年开始建设城市地下综合管廊2 000 km以上。因此，经编轴向织物增强高性能水泥管道在国家正在实施建设的“海绵城市”、“地下城”、“地下综合管廊”等建设中将起到至关重要的作用。

2.2 在道路建设中的应用

土工格栅作为经编轴向织物的一种结构形式，在织物的经向和纬向以空穿的形式同时衬入高性能纱线，衬经纱和衬纬纱之间没有交织，能够形成彼此相互平行的 2个纱片层。影响公路和铁路的使用寿命的关键因素包括如环境因素、路基条件、公路变宽和老化等，土工格栅作为一种常用的土工建筑材料，具有拉伸强度高、稳定性好、耐腐蚀抗老化等优势，可广泛应用于公路路基增强、铁路路基增强等路基加固领域。而且，经编土工织物在新公路建设和旧公路修复上都起到了至关重要的作用（表 1）。

2.3 在堤坝建设及防护中的应用

复合土工布具有优良的过滤和隔离功能，铺在防护堤的泥土层和碎石之间，可防止土层与碎石混杂，保持土层受到相对较小的压力，保护堤岸不被水流冲蚀（图 7（a））。另外，还可利用土工材料制作形成土工袋，将泥沙装在土工袋中形成柔韧的、抗侵蚀的重量较大的整体放置在河堤或者河道内，起到固定河堤和防护的作用（图 7（b））。

利用经编/非织造复合织物可形成的尺寸较大的土工管类，直径可达到甚至超过0.6 m，长度可达10 m以上。将泥沙填充到管中可用作海洋中的防波堤，用来防护海岸线及海床。由于经编土工布的特殊的结构特点及对原料的适应性广等优势，使其在高强度、耐环境中的作用不可忽视。经编/非织造复合土工布在河堤及海洋中的应用总结见表 2。

3 结语

经编土工布由于具有良好的力学性能、抗撕裂性能和耐久性等优势，从而得到了国内外许多学者的关注。近些年来，经编土工织物也在各种基础设施项目中得到广泛应用。通过对经编土工织物以及经编复合土工织物的特性及应用进行分析，可以看出经编技术在高强度、耐环境土工布中的应用很有前景，得到了国内外许多公司的青睐。但是其在我国的起步较晚，虽然目前已经取得了一定的成绩，但在产品的质量、种类、数量以及应用的深度和广度等都方面与发达国家仍有较大的差距。并且在设计准则、施工标准、产品质量检测方面仍不完善；生产者与使用者之间的交流也不够充分。针对以上几点，我们应健全有关政策和制度，加强各领域工作者间的交流，进行更加深入的研究。因此，经编技术在高强度、耐环境土工布中的应用仍面临着巨大的挑战。

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