生态型植生护坡土工布的性能评价及损伤分析

娄辉清 曹先仲 闫新 李海伟 杨光豪 刘永昌

摘要： 文章以黏胶短纤维和天然植物纤维为主要原料，采用短纤维干法成网-针刺加固工艺制备生态型植生护坡土工布，并对所制备的不同规格生态土工布的抗拉伸撕破、抗磨损冲击、抗老化和降解性能进行了测试和研究。结果表明，生态土工布的平方米质量和植物纤维含量对样品的性能有明显的影响，当生态土工布平方米质量在400～800 g/m2、植物纤维含量在45%～65%时，其各项性能指标均能够满足相关标准的要求和实际使用需求。所制备的生态土工布在自然环境中具有较好的降解性能，掩埋于土壤中120 d后，其质量损失率为60%～70%，强力损失率为70%～90%，在土石边坡防护及生态修复方面表现出了较好的应用前景。

关键词： 生态型土工布;植生护坡材料;针刺工艺;性能评价;损伤分析

中图分类号： TS176.5

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2020）09003907

引用页码： 091108

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2020.09.008（篇序）

Performance evaluation and damage analysis of ecotype geotextileswith vegetation growth and slope protection

LOU Huiqing1，2， CAO Xianzhong3， YAN Xin1， LI Haiwei1， YANG Guanghao1， LIU Yongchang1

（1.School of Textiles， Henan University of Engineering， Zhengzhou 450007， China; 2.Collaborative Innovation Center of Henan Textile andGarment Industry， Zhengzhou 450007， China; 3.Henan Yuqing Environment & Safety Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou 450007， China）

Abstract：

In this paper， ecotype geotextiles with vegetation growth and slope protection were prepared by dry laid and needle-punched reinforcement process with the raw material of viscose fiber and plant fiber. The tensile-tearing resistance property， wear and impact resistance， ageing resistance and degradability of ecotype geotextiles with different specifications were tested and investigated comprehensively. Test results indicated that the square meter mass and the content of plant fiber had a significant effect on the performance of ecotype geotextiles. When the square meter mass and the content of plant fiber were 400～800 g/m2 and 45%～65% respectively， the main performance indexes of ecotype geotextiles could meet the requirements of relevant standards and actual use. The ecotype geotextiles prepared in this paper also had good degradation performance in the natural environment. The mass loss and the strength loss percentage of ecotype geotextiles were 60%～70% and 70%～90% respectively after being buried in the soil for 120 days. They also showed a good application prospect in the protection of earth and rock slopes and ecological restoration.

Key words：

ecotype geotextiles; vegetation growth and slope protection material; needle-punched process; performance evaluation; damage analysis

收稿日期： 20200107;

修回日期： 20200817

基金项目： 河南省科技攻关计划项目（192102310495）;河南工程学院博士基金项目（Dkj2018023）;中国纺织工业联合会科技指导性计划項目（2018056）

作者简介： 娄辉清（1985），女，讲师，博士，主要从事产业用和功能服装用纤维及纺织品的研究。

随着中国经济和社会的不断发展，环境污染和生态破坏问题日益突出，经济发展与人口资源环境之间的矛盾已成为制约中国可持续发展的重大瓶颈。与此同时，中国高速公路、铁路等基础设施的建设和矿山的大规模开发，在带来巨大经济效益的同时，也产生了一系列极其严重的环境问题，形成了大量裸露且难以恢复植被的土石边坡。不仅造成了植被破坏和水土流失，还会引发泥石流、滑坡等地质灾害，对周边生态环境产生极大的危害[1-2]。

传统的边坡防护技术主要采用水泥和块石等硬体材料进行护坡，虽然可以减少水土流失，但施工周期长、造价高，对地基的承载力要求高，且坡面硬化后难以再进行绿化，施工过程中容易破坏周围自然环境[3]。随着国内外环境保护意识逐步增强，生态护坡理念开始被业界广泛接受，并快速推广到基础设施建设和矿山生态修复中。其中植生护坡材料生态修复技术是一种新兴的、能有效防护裸露坡面的生态护坡方式，它与传统的工程护坡相结合，可有效实现坡面的生态植被恢复[4]。国外的边坡生态防护研究和应用开展得较早，从植被选择、喷播基质配方、施工工艺到养护管理均已较为成熟，工程中常用的生态防护技术包括格框喷植法、土钉混合喷植法、打桩编栅法、坡面喷植法、植生带（束）铺植法及草苗栽（铺）植法等方法[5]。目前，主要侧重于护坡形式的开发和护坡机理方面的研究[6-7]。国内在边坡生态防护技术及应用方面的研究起步较晚，20世纪90年代之前多采用撒草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草等护坡方法。植被混凝土生态防护技术是国内在厚层基材喷射（TBS）植被护坡工程技术的基础上开发而成的[8]，该技术融合了生物学、肥料学、环境学、岩石工程力学等多种学科，是一种综合环保技术，现已在高陡边坡生态修复、矿山生态环境治理、公路边坡绿化等领域中进行了应用[9-10]。

植被网和植被毯是近年来新开发的集坡面加固和植物防护于一体的一种生态防护材料，可将植物纤维层和草种、保水剂、营养土等组合形成三维复合草毯结构，是中国目前边坡生态防护主要材料之一[11]。中国在植被毯的研究和开发方面进行了有益的探索[12-13]，并在岩石、劣质土坡、陡坡和岩质边坡防护方面进行了应用[14-15]。虽然植被混凝土和植被毯技术在护坡、绿化、景观等方面取得了很大的进步，极大地改善了生态环境，但植物在植被混凝土中的生长状况远不如在普通土壤中长得好，且其可再播种的重复性还需要进一步验证，而植被毯强度相对较低，耐磨性和耐候性差，在某种程度上限制了其在岩质边坡生态防护领域的应用。

土工布等非织造材料因具有优良的力学性能和水力学性能，且能够很好地满足植物生长的要求，作为新型的生态护坡材料开始受到广泛的关注。王中珍等[16-17]采用麻纤维/黏胶纤维针刺布与椰壳纤维、麻网布复合，黄麻网与脱胶后的黄麻复合来制备护坡复合植生材料，所制备的产品不仅能很好地满足植物生长的要求，而且产品本身还可转化为植物的营养基质，并可改良土壤。李素英[18]以废棉纤维、聚丙烯纤维和麻纤维为原料制备针刺非织造材料，用作公路护坡生态毯，该生态毯有利于植被稳定生根生长，可有效起到护坡作用。汤燕伟等[19]比较了不同材料和不同结构的非织造基质对植物生长性能的影响，结果表明天然纤维和化学纤维基质均适合草坪草的生长，天然或再生纤维稍优于化学纤维，薄型针刺非织造布优于厚型针刺非织造布。尽管国内在生态护坡技术和护坡材料方面开展了相关的研究，但从总体上看，中国关于生态护坡的研究仍处于初级阶段[20-21]，目前所开发的材料种类较少，投入实际工程应用的更少。因此，发展具有优良的防护性能并能为植物提供良好生长环境的生态型植生护坡材料，对土石边坡防护和生态修复具有重要的意义。

本文以黏胶纤维和天然植物纤维为原料，采用短纤维干法成网-针刺加固工艺制备不同规格的生态型植生护坡土工布（简称“生态土工布”），并对其抗拉伸撕破性能、抗磨损冲击性能、抗老化性能和降解性能等进行研究，以期为发展新型植生护坡材料提供有益的思路。

1 试 验

1.1 材料与仪器

82 mm×2.78 dtex黏胶纤维（常熟市红星毛纺化工有限公司），天然植物纤维（自制）按质量比由20%的作物秸秆、40%的杂草和40%的落叶组成，长度3～5 cm。

FA 2004 A电子天平（上海恒平科学仪器有限公司），DZK-K 50 B真空干燥箱（合肥华德利科学器材有限公司），WL针刺机机组（太仓市万龙非织造工程有限公司），YG 141 LA数字式织物厚度仪、YG 026 D-1000多功能电子织物强力机（宁波纺织仪器厂），FR-1205紫外线耐候试验箱（上海发瑞仪器科技有限公司），YG 522织物耐磨仪、YT 030土工布有效孔径测定仪、YG 814-Ⅱ无纺布吸水性能测定仪（泉州市美邦仪器有限公司），LFY-244 B织物液体穿透试验仪（山东省纺织科学研究院）。

1.2 方 法

1.2.1 生态土工布的制备工艺

采用短纤维干法成网-针刺加固工艺制备生态土工布。首先将黏胶短纤维送入开松机内开松，使大的纤维束或纤维块、团等松解成小束，再经梳理机梳理成由均匀伸展的单纤维组成的薄纤网;然后通过铺网设备将薄纤网铺叠成具有一定厚度的匀质纤维网作为基底层;由输送带将天然植物纤维传送至基底层纤维网上，使植物纤维均匀铺在纤维网上，并达到一定厚度;然后在植物纤维上面铺设一层具有一定厚度的匀质纤维网作为面层;最后采用针刺机对铺网后的复合材料进行反复针刺，使纤维网中的纤维互相缠结，并使两层纤维网与其之间的天然植物纤维层贯穿连接为一体。

1.2.2 物理性能

生态土工布的平方米质量测试参照GB/T 13762—2009《土工合成材料土工布及土工布有关产品平方米质量的測定方法》。裁取10块尺寸为10 cm×10 cm的试样，在40 ℃下真空干燥24 h后，分别对每个试样进行称量，平均计算求其平方米质量。

生态土工布的厚度测试参照GB/T 13761.1—2009《土工合成材料规定压力下厚度的测定第1部分：单层产品厚度的测定方法》。剪取10块直径为5 cm的圆形试样，将样品放在基准板上，用与基准板平行的圆形压脚对试样施加0.6 N的压力，每次压脚停留时间为5 s，两块板之间的垂直距离即为样品的厚度。

1.2.3 抗拉伸撕破性能

试验考察生态土工布的抗拉强度、伸长率、撕破强力和顶破强力，其中抗拉强度和伸长率测试参照GB/T 15788—2017《土工合成材料宽条拉伸试验方法》;撕破强力测试参照GB/T 13763—2010《土工合成材料梯形法撕破强力的测定》;顶破强力测试参照GB/T 14800—2010《土工合成材料静态顶破试验（CBR法）》。

采用YG 026 D-1000型多功能电子织物强力机分别测定生态土工布的纵向和横向抗拉强度、纵向和横向各自最大负荷下的伸长率、纵向和横向撕破强力及CBR顶破强力。所有试样测试前均在40 ℃下真空干燥24 h，试样规格和工作参数均按相关标准的要求设定。

1.2.4 抗磨损冲击性能

抗磨损性能测试参照GBT 17636—1998《土工布及其有关产品抗磨损性能的测定砂布/滑块法》。从样品上剪取2个试样，一个作为摩擦试样，另一个作为参照试祥。将摩擦试样在磨损试验仪上以每分钟90周期的频率磨750个周期，以强力损失率来表征抗磨损性能。

抗冲击性能测试参照GB/T 17630—1998《土工布及其有关产品动态穿孔试验落锥法》。将锥角45°、最大直径50 mm、质量1 kg的不锈钢锥从500 mm的高度上垂直刺入试样，以钢锥的贯入度（即破洞直径）来表征抗冲击性能。

1.2.5 抗老化性能

抗酸碱性能测试参照GB/T 17632—1998《土工布及其有关产品抗酸、碱液性能的试验方法》。将生态土工布样品分别在0.025 mol/L的H2SO4溶液或2.5 g/L的Ca（OH）2溶液中浸渍3 d，以浸渍后样品的强力保持率来表征抗酸碱性能。

抗氧化性能测试参照GB/T 17631—1998《土工布及其有关产品抗氧化性能的试验方法》。将生态土工布样品在110 ℃的烘箱中老化14 d，以老化后的强力保持率来表征抗氧化性能。

抗紫外线性能测试参照GB/T 31899—2015《纺织品耐候性试验紫外光曝晒》。在紫外老化试验机中将生态土工布样品首先在黑板温度为60 ℃条件下曝晒（紫外光辐射下暴露）8 h，接着在黑板温度为60 ℃条件下冷凝（无辐照暴露）4 h，以暴露后的强力保持率来表征抗紫外线性能。

1.2.6 降解性能

裁剪20 cm×50 cm大小的生态土工布样品30份，在40 ℃下真空干燥24 h并称重，将烘干后的土工布样品掩埋在土壤中，土埋深度距离地面50 cm，分别在第15、30、45、60、90、120 d各取出5份，将取出的土工布样品用蒸馏水冲洗干净，在40 ℃下真空干燥24 h后再次称重，并测定其强力，以质量损失率和强力损失率来表征其降解性能。

2 结果与分析

2.1 生态土工布的规格和形貌

按照1.2.1所述方法，固定面层和基底层的层数和单层厚度不变，随添加植物纤维含量的不同，所制备生态土工布样品的规格如表1所示，截面形貌如图1所示。

2.2 抗拉伸撕破性能

不同规格生态土工布的抗拉强度、撕破強力、顶破强力等性能如图2所示。

从图2可以看出，随着平方米质量的增加，生态土工布的抗拉强度、撕破强力和顶破强力等力学性能增加。这是因为随着生态土

工布平方米质量的增加，植物纤维的含量增多，在针刺过程中中间层的植物纤维与基底层和面层的黏胶短纤维缠绕在一起，在拉伸和撕破过程中，除了要克服黏胶之间的纵向穿插缠结作用，还要克服黏胶纤维与植物纤维之间的缠绕作用;此外，样品平方米质量越大，其植物纤维含量越高，中间层越厚，生态土工布越不易被顶破。

相同条件下样品的横向抗拉强度和横向撕破强力均大于纵向抗拉强度和纵向撕破强力，而横向最大伸长率小于纵向最大伸长率。这是因为纤网经交叉铺网机铺网后纤维大多呈横向排列，在拉伸过程中，纤网中纤维的滑脱和纤维的断裂最终会导致生态土工布试样的断裂，而横向拉伸或撕裂过程中有更多的纤维参与承担外力的作用，对整个试样的拉伸力作用贡献较大，最终会导致横向抗拉强度和撕破强力相对较大。

GB/T 17638—2017《土工合成材料短纤针刺非织造土工布》对短纤针刺土工布的力学性能做了一些规定，其中纵横向

抗拉强度≥3 kN/m，纵横向撕破强力≥0.1 kN，顶破强力≥06 kN，纵横向最大伸长率20%～100%。对比上述标准，本试验所制备的不同平方米质量的生态土工布中，除平方米质量为200 g/m2样品的横向最大伸长率（16.2%）和顶破强力（0.58 kN）不满足最低要求外，其余样品的力学性能均满足该标准的要求。

2.3 抗磨损冲击性能

不同规格生态土工布样品的抗磨损冲击性能如图3所示。

从图3（a）可以看出，随着平方米质量的增加，生态土工布经磨损后强力损失率增加，说明其耐磨损性能降低。这是由于所制备的生态土工布中间层为植物纤维，其强力远低于由黏胶短纤维铺成的基底层和面层，生态土工布平方米质量越大，其基底层和面层厚度相对越薄，在摩擦过程中，平方米质量越大的生态土工布基底层和面层容易被磨损掉，其强力损失率越高，抗磨损性能降低。而生态土工布受到冲击后的贯入度减小（图3（b）），这是因为其受到外力冲击时，植物纤维层具有较强的缓冲作用，植物纤维含量越高，缓冲作用越强，抗冲击性能越好。

分析认为，当生态土工布平方米质量为200 g/m2时，磨损后其强力损失率仅为7.8%，但受冲击后贯入度达到32.9 mm，在实际使用过程中容易被顶破;当生态土工布平方米质量为1 000 g/m2时，其抗冲击性能最好，但磨损后强力损失率超过30%，导致其使用过程中容易被磨损等。上述试验结果表明，当生态土工布平方米质量在400～800 g/m2、植物纤维含量在45%～65%时，具有较好的抗磨损冲击性能。

2.4 抗老化性能

不同规格生态土工布的抗酸碱性能、抗氧化性能和抗紫外线性能如图4所示。

从图4可以看出，生态土工布的平方米质量越大，其抗酸碱性能和抗氧化性能越差，而抗紫外线性能越好。这是因为随着生态土工布平方米质量的增加，中间层植物纤维含量增加，植物纤维较黏胶纤维更容易被酸碱腐蚀，因此抗酸碱性能变差;植物纤维含量增加，生态土工布变厚，紫外透过率降低，抗紫外线性能越好。平方米质量越大，植物纤维含量越多，高温下植物纤维更容易受到损伤，因此其抗氧化性能变差。

相同条件下，所制备土工布的抗碱性能优于抗酸性能，这主要是因为黏胶纤维的抗碱性能更好[22]，因此以黏胶纤维为主要原料的基底层和面层的抗碱性能也较抗酸性能好。与抗酸性能和抗碱性能相比，土工布的抗氧化性能和抗紫外线性能相对较差，这也与黏胶纤维在光氧化和热氧化条件下易降解[23-24]的性质有关。

GB/T 17638—2017《土工合成材料短纤针刺非织造土工布》中规定，各种规格的短纤针刺土工布的抗酸碱性能、抗氧化性能和抗紫外线性能均应在80%以上。本试验所制备的不同规格的生态土工布中，除平方米质量为200 g/m2的抗紫外线性能（强力保持率79.5%）和平方米质量为1 000 g/m2的抗氧化性能（强力保持率74.4%）较低外，其余生态土工布的抗酸性能、抗碱性能、抗氧化性能和抗紫外线性能均可满足要求。

2.5 降解性能

将本试验所制备的不同规格生态土工布掩埋在土壤中不同时间段后，考察其质量损失和强力损失情况，如图5所示。

从图5可以看出，生态土工布在120 d内其质量损失率达到60%～70%，强力损失率高达70%～90%，说明本试验所制备的生态土工布在自然环境中具有较好的降解性能，使用后不会产生二次污染，这主要是因为试验中所使用的黏胶纤维和天然植物纤维在自然环境中均可降解[25-26]。

根据土工布的降解速率，可以将其降解过程分为初始阶段（0～30 d）、快速降解阶段（30～60 d）和穩定降解阶段（60 d以后）。在初始阶段，土工布降解较为缓慢，其质量损失率和强力损失率分别在10%和20%以内;在快速降解阶段，其降解速率明显加快，该阶段损失的质量和强力可占到整个降解过程的一半左右;此后土工布的降解速率整体趋缓，直至完全降解。实践表明，利用生态土工布或植生毯进行边坡绿化，2～3 d种子开始发芽，4～7 d芽苗清晰可见，20～30 d边坡复绿，45～60 d快速生长成坪。本试验所制备的生态土工布在30 d内较为稳定，有利于种子发芽和芽苗的固定，而30～60 d的快速降解期与植物的快速生长期一致，期间土工布降解产生的养分可供植物吸收利用。因此，本试验所制备的生态土工布在土石边坡防护及生态修复方面具有较好的应用前景。

从图5还可以看出，随着土工布平方米质量的增加，不同时间段内其质量损失率和强力损失率均呈现上升的趋势。这是因为随着生态土工布平方米质量的增加，植物纤维的含量增多，而植物纤维的降解性能优于以黏胶纤维为原料的基底层和面层，因此其降解性能增加，相同时间段内的降解率较高。

3 结 论

本文以黏胶短纤维和天然植物纤维为主要原料，采用短纤维干法成网-针刺加固工艺可制备出性能优良、应用前景良好的生态型植生护坡土工布，主要结论如下：

1）在基底层和面层一定的条件下，随着生态土工布平方米质量的增加，其抗拉伸撕膜性能、抗冲击性能和降解性能增加，抗磨损性能和抗老化性能降低。

2）本试验所制备的生态型植生护坡土工布在自然环境中具有较好的降解性能，使用后不会产生二次污染，其降解过程分为初始阶段（0～30 d）、快速降解阶段（30～60 d）和稳定降解阶段（60 d以后）。

3）当生态型植生护坡土工布的平方米质量在400～800 g/m2、植物纤维含量在45%～65%时，其抗拉伸撕破性能、抗冲击破坏性能和抗老化性能等各项指标均能够满足相关标准的要求和实际使用需求。

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