玄武岩纤维土工管袋的生产及应用前景

杨 堃

(山西晋投玄武岩开发有限公司， 山西 大同 037000)

玄武岩纤维土工管袋的生产及应用前景

杨 堃

(山西晋投玄武岩开发有限公司， 山西 大同 037000)

本文针对目前市场对玄武岩纤维的不断需求，就玄武岩纤维土工管袋的制作工艺进行了阐述，并介绍了玄武岩纤维土工管袋在水利、海洋、交通、土木建筑、环境保护等领域的应用。

玄武岩纤维；土工管袋；生产；应用前景

土工管袋是一种由丙、锦、涤纶复合纱线为原料编织而成的具有过滤结构的管状土工袋，其直径可根据需要变化(1～10 m)，长度最大可达到200 m，容积一般在10～2 000 m3;具有抗拉强度高、耐磨、过滤性能和长期抗紫外线性能。各项工程对土工管袋各项物理指标要求很高，而聚丙烯纱线耐热性、耐老化性差，手感偏硬、易积聚静电等缺点，玄武岩纤维具有良好的热绝缘性、抗腐蚀性、无毒性、不燃性以及良好的力学性能，因此可以取代上面所述的纱线，编织成玄武岩纤维土工管袋。它同时具有满意的使用性质和优良的环境协调性，成为很好的生态友好、环境温和材料[1]。

玄武岩纤维土工管袋具有降低工作量、缩短施工周期、节省工程费用、降低工程维修费用等优点，可以广泛应用于水利、海洋、交通、土木建筑、环境保护等工程实践中[2]。

1 玄武岩纤维概况

1.1 玄武岩纤维国内外研究进展

玄武岩纤维早在1922年被法国人Paul申请美国专利，可是没有实际生产，成为当时纤维界的遗憾。20世纪70年代，这个想法被前苏联的科研机构落实，研制出20多种连续玄武岩纤维制品的生产工艺[3]。1985年，在乌克兰一个生产基地，应用200孔漏板的拉丝工艺，实现了年产量260吨的工业化生产，成为当时的奇迹。随着生产技术的公开，玄武岩纤维产品从最初的军工和航天领域扩展至民用领域。现在，俄罗斯、乌克兰、美国和中国等国家对玄武岩纤维生产技术已经完全掌握[4]。

我国很早就对玄武岩纤维有所了解，但对其研究不是很深，直到21世纪，我国相关专家才开始重视，同时国家也很关注并给予资助。2001年6月，中国和俄罗斯开始了玄武岩纤维项目科技合作。2002年9月，科技部将“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家863计划，并通过技术引进，消化吸收再创新，取得了自主知识产权，完成了工业化生产实验[5]。2008年玄武岩纤维项目被列为国家重点新产品和“十二五”发展规划新材料产业。

1.2 玄武岩纤维的生产和性能

玄武岩连续纤维通过玄武岩熔融过程形成，制备方法简单，生产成本相对降低。在加工过程中，主要采用高温熔融、漫流引丝。由于该方法几乎不用水，也几乎无空气污染，本身无化学挥发物，因此它是一种环境友好的纤维制备方法。玄武岩的主要成分为SiO2(约占42%～55%)、Al2O3、FeO、CaO、MgO等，与土壤的成分相似，所以玄武岩连续纤维在自然环境中可容易地全部降解为土壤母质，作为21世纪新型环保纤维，被广泛的应用在各个领域[6]。

玄武岩纤维具有良好的拉伸强度及增强效应、高耐腐蚀性和化学稳定性、良好的绝缘性能、耐高温和低温热稳定性、高弹性模量以及隔热、隔音等性能。玄武岩纤维具备以上各种性能优点，而且它的价格远远低于碳纤维，成为性价比最好的材料。

单从纤维力学性能和化学性这两部分能来看，我们能发现比玄武岩连续纤维更好的高性能纤维，如：碳纤维、芳纶等。然而，把综合性能考虑进去，玄武岩连续纤维是最佳的“多能”纤维。玄武岩纤维具有三维的分子维数，与分子维数一维的线性聚合物纤维相比具有较高的抗压缩强度、剪切强度和抗老化性[7]。

2 玄武岩纤维土工管袋制造工艺流程

2.1 产品设计

为了满足玄武岩纤维土工管袋的性能要求，以高强度玄武岩连续纤维有捻纱和低强度粘胶短纤两种纤维作为原料进行生产。玄武岩纤维具有良好的热绝缘性、抗腐蚀性、无毒性、不燃性以及良好的力学性能，在管袋中充当软钢筋，起到加固作用；粘胶纤维具有强力低、吸湿性好、软化点低的特点，易软化变形丧失强力破裂、降解 、融化，在管袋底部起到连接作用[8]。为了简便我们把管袋设计为一次成型，这样织物织出来就不需要缝纫加工了。采用两种纱线做经纬纱，一种玄武岩纤维有捻纱600tex，另一种用粘胶纱线做网格。两种经纱采用不同的穿筘方法，实现加筋部分纱支粗密度大，网格部分纱支细密度小，是一种非常符合实际的设计理念。我们部分采用2/2经重平，织成一条被分成四段的管袋织物(双层织物)。织物上机图见图1。

图1 织物上机图

2.2 织造难点与技术措施

双层织物具有表里层其密度与紧度不同，使得在织造时缩率有所差异，从而影响开口，断头增加，停经片下沉无法开车，生产效率低下，产品质量无法满足要求。针对以上问题，我们做了技术改进。

(1)穿综：一般采用顺穿法或分区穿法穿综。如果用分区穿法，那么表经应穿入前区，里经应该穿入后区。综片总数是表、里层基础组织所需综片数之和。

(2)穿筘：在管状组织边缘的两内侧各采用一根强度好、张力大的特经线，另用一片综控制升降。特经线不织入表、里层组织中，不与表、里纬纱交织，织物织好后，从织物中抽掉。当织物密度很大、纱线较粗、纬纱张力很大用内撑器去防止收缩而成边部密度偏大的疵点。

(3)为了很好的引纬，需要引纬过程中梭口高度不大，成为相对稳定的织口状态。

(4)采用迟开口时间比早开口时间更好。因为迟开口时，两层经纱平缓交替后，被相反方向拉紧，不会出现单层组织被钢筘打破。

(5)当在梭口满开时，从托布架的托布点A起，经过筘座，穿过下层综眼C、经停架D到后梁E所连成一条经纱位置线。经位置线最好应用水平式(图2)。一旦后梁抬高过大，上下两层纱线张力差异较大，那层经纱张力小的织造时，会发生断经，打纬时容易左右相对滑动。

A—托布架的托布点 B—上层经纱的综眼 C—下层经纱的综眼 D—经停架 E—后梁KK′—箱座处在后止点时走剑板表面的切线延长线图2 经位置线示意图

(6)在织造过程中停经片下沉，可以适当提高停经架高度，利用停经架托纱作用。

(7)刚开始试纱时，经常有大量经纱断头。解决措施：一方面，增加断经的灵敏度，使经纱一断立即停车，适当加重停经片；另一方面，我们改变织造工艺，减小开口量，综平时间放晚，增大送经量，送经时间提前。

经过科学的分析和反复的实践，优化技术水平，织机效率明显提高，布面质量也有所改观。

2.3 机织土工管袋的优越处

一般土工布生产线工艺流程为：开松—梳理—铺网—针刺，流程复杂。我们做的机织土工管袋工艺流程简单，好操作。以前我们在有梭织机上做过，由于幅宽小不能满足工程建设的需要，织机性能不稳定等，让生产有一定的难度。此后应用剑杆织机，它有较大的幅宽，综框运行平稳，纱线张力均匀，而且车速快，能够提高产品质量，织造成本也明显降低[9]]。

机织土工管袋厚度可厚可薄，成形可大可小，由于组织结构不同，可以织造出很多种不同的几何形状。机织土工管袋织物柔软，能与土很好地结合。量孔直径小，渗滤性好，其中利用高压泵充灌流动性混凝土或水泥砂浆，凝固后形成高强度刚性硬结板块，可适应任何复杂的坡形、地形的变化和土质条件，用于大面积护坡或作土面层及水下护底，它能够起到模板的作用。

3 玄武岩纤维土工管袋的应用领域

土工管袋最早在国外开始被应用：埃及人抵御尼罗河的洪水；20世纪中期，荷兰三角洲工程抵御各种海啸的冲击；1953年，鹿特丹以南地区修建世界规模最大的防波堤工程；1997年，美国密西西比有效地过滤城市污水的粉砂颗粒；1984年，澳大利亚利用Soil Filters Australia Pty有限公司生产的土工管袋在有毒废物的围堵中应用。我国也逐步开始应用该项技术，并试验应用玄武岩纤维土工管袋。

3.1 农业

根据全国第一次污染源普查数据，2007年我国规模化畜禽养殖场(小区、专业户)的畜禽粪便产生量为2.43亿吨，尿液产生量为1.63亿吨，并且这些量还在逐年增长。由于畜禽养殖与人们密切相关，被人们称为农业污染源之最，会把一部分人类饮用水变质恶化，村镇人居环境和人体健康受到很严重的干扰，所以把畜禽养殖污染减排纳入“十二五”重点规划。

对于这种情况，采用玄武岩纤维土工管袋技术能很好的解决固液分离，其原理为物理挤干脱水处理法。把固液混合物直接充入袋体，通过袋体材料本身的滤水作用，把有机物、悬浮物及其它固体物质分离出来，同时可使污水中的化学耗氧量降低14%～17%。玄武岩纤维含有K2O、Na2O、TiO2等成分，使得玄武岩纤维土工管袋的耐腐蚀性得到进一步提高，增加使用寿命。

3.2 堤防工程

在很久以前人们常采用适当的防护措施去消减自然现象、环境影响和人类活动对堤坡和岸坡造成的危害。应用埽枕、柴排、石笼、抛石保护岸坡或打护坡桩等传统方法，保护河岸、湖岸、海岸等的防水流冲刷，波浪冲击等。然而传统方法的弱点有：要取土取砂，造成水土流失，破坏生态；时间越长，耐久性越差，需要经常维修；人工装土，劳动强度高，效率低下，成本较高；沙土重，不方便运输；岸坡在水流冲蚀以及潮浪淘刷抽吸的情况下，使得岸坡的泥土很容易被水流带走，会产生剥蚀和坍塌的现象。

应用玄武岩纤维土工管袋这项新技术有一些优点：具有良好的透水留土功能，能够避免基土被水的冲刷，护底工程的稳定性和可靠性相应的得到了提高；质量轻、运输和施工方便，可以根据具体条件就地取材，保护生态；延长工程使用寿命，大大节省维修工程量和费用，效率很高。

3.3 路基工程

目前，高速公路建设正蓬勃发展，方兴未艾。在高速公路的设计与施工中经常会遇到软土地基、膨胀土地基、水沟、鱼塘等的填筑问题等一些特殊路基，通过长期的工程实践，虽然对这些问题有了解决方案，但也还有值得研究改进的地方[10-11]。一方面，碎石填筑沟塘考虑到人工、设备等相对费用很高；另一方面，即使把碎石填筑在沟塘中，经过几年的汽车通行，会使得软土中陷入一些碎石(主要是汽车强大的振动作用)，这样碎石填筑的沟塘就会发生变形，给碎石填筑的效果打了大大的折扣。随着不断的向国外学习，在路基工程中使用玄武岩纤维土工管袋有这样的优势：玄武岩纤维具有很高的强度和刚度，在路基沉降变形可增强路基的操作力；在加固路基时，考虑到运输、挖装、推平碾压、水浸和整个过程中的损耗，可以有效降低路基建造成本；有效的节省用地面积；有很好的护坡效果；玄武岩纤维是无毒无害的绿色纤维，起到环保效果。

3.4 环境工程

3.4.1 河道淤泥处理

沿海城市把生活污水通过排水管道排放到深海，由于河道很宽、水流速缓慢，污水中的悬浮物质沉降于河床，久而久之成为淤泥；雨水对地面的冲洗，使得一部分悬浮物沉积在河里；每年还有约20多吨的自然降尘落入河床形成淤泥。这些淤泥会对环境有很大的风险，对它的处理会无形增加困难和成本。利用玄武岩纤维土工管袋可以既经济又快速，将淤泥充入土工管袋中，通过自身过滤系统，把泥浆中的水过滤出去。据实验证明，滤出的水比清理进去的淤泥混液中有害元素指标减少92%～96%，减小了废弃物的体积，节省了处理费用。

3.4.2 市政污泥处理

市政污泥是污泥的一种种类，总量大、有机物含量高，易产生沉淀。随着我国城镇化快速发展，污水处理市场从最初的投资建设时期，变成现在的运营完善阶段。目前，污泥处理已经成为当前社会问题，我国很大部分市政污泥没有得到很好的处理，预计到2016年，我国脱水污泥年产量将超过3000万吨。怎么处理污泥，使其稳定化、无害化、减量化和资源化，已成为科学界首要考虑问题。玄武岩纤维土工管袋技术为市政污泥处理问题的解决又多了一个选择，把高含水量的淤泥充填到土工管袋里，加上荷载进行预压，进一步减少污泥含水量。固结后的土既可以土地填埋，也可直接堆叠土工管袋修筑污泥坑围堤，有效地将污泥处理和筑围堤结合起来，具有废物循环利用、脱水效率高、处理成本低的优点。

3.4.3 采选矿业废物回收利用

我国是世界采矿大国，现有2万多个矿山，堆存的固体废弃物有60亿吨，平均每采出1吨矿石，就有0.92吨固体废弃物。矿山固体废弃物作为二次资源已受到世界各国的高度重视，然而我国目前矿山固体废弃物的综合利用率不到10%。对于一些含重金属离子的废弃物，在酸性雨水的冲淋下，对整个生态环境造成危害。矿山尾矿堆积占用大量土地，搬运费用高，污染很严重，应用玄武岩纤维土工管袋可以把尾矿作充填料，利用过滤脱水截留性能，回收有用金属。这种工艺具有操作简单、成本低、环境效果好等优点，会被大范围的推广。

4 应用案例

4.1 中国天津中新生态城污水库治理

2007年11月18日，国务院总理温家宝和新加坡总理李显龙,确定中国和新加坡政府合作建设中新天津生态城。规划区中北部为面积约2.6 km2的汉沽污水库，污水库堤高3 m，占地面积298万m2，蓄水量为560万m3，平均水深2 m。根据污水库前期本底调查，将整个污水库的底泥划分为三个不同程度的污染分区：即重度污染区、中度污染区、轻度污染区。

对污染底泥按不同的污染程度分别进行环保疏浚。轻微污染底泥经过土工管袋减容后，经现场固化稳定化进行资源化利用，主要用于路基填垫用土；中度污染底泥经过土工管袋减容，经稳定化后，直接在城内进行填岛造景；重度污染的底泥经过土工管袋减容后，经现场固化稳定化，运至城外进行安全处置。经计算，脱水后最终需处置的底泥中，轻微污染体积约为30.51万m3，中度污染体积约为38.94万m3，重度污染体积约为11.43万m3。其中轻度污染和重度污染需要进行固化处理后进行处置。

本次工程土工管袋脱水施工开始于2010年5月，工程持续到2010年10月底，共处理污染底泥量约为495.87万m3(以含水率90%计)。工程采用土工管袋的规格为周长27.5 m，总长度18.7 km，最后叠加的层数是4层。

4.2 中国云南滇池底泥疏挖及处置

20世纪50年代初，滇池水质良好。随着人口的迅速增长以及滇池流域的经济发展，污染问题日益严重。如今，按国家标准，湖水的水质已经恶化到5级以上，这意味着湖水已经不能再利用于休闲娱乐、工业和农业的应用。政府部门意识到滇池水质整治工程势在必行。

滇池被大坝分为两部分，北边是草海，南边是外海。草海的污染比外海严重得多。大坝和西苑隧道的建设工程完成于20世纪90年代中期，为外海环境的改善创造了条件。草海的污水无法进入外海，减少了重污染源的进入。草海里面的污水通过西苑隧道引入污水处理厂进行处理，达标后排入金沙江。大坝的建成使草海很容易发生淤塞，所以草海需要定期疏浚沉积的淤泥。然而，沉积的湖底淤泥含有很多污染物，需要进行特殊的技术处理。淤泥含有的污染物包括氮、磷以及重金属，如铜、铅、铬、锰等。

滇池污染底泥疏挖及处置二期工程是滇池治理六大工程之一“生态清淤工程”的重要内容。土工管袋用于疏浚后的污染沉淀物的盛装和脱水。 工程于2009年5月开工，2010年9月完工。土工管袋的规格是周长15.4 m，全长7 038 m，断面宽度6.30 m、充填高度2.5 m。工程具体疏浚范围为滇池草海南部、盘龙江入湖河口及大清河入湖河口湖区3个区域，疏浚水域面积422万m2，疏浚底泥工程量为340万m3。

5 结论

玄武岩纤维土工管袋技术的研究目前仍处于初步阶段，如何合理应用该项技术，并建立一套在各个应用领域完善的配套技术，是各领域工程技术人员面临的课题。玄武岩纤维土工管袋技术作为一项新技术，应该越来越受到人们的重视，同时随着研究的深入，其应用领域也必将会越来越多地被发现。玄武岩纤维土工管袋这项技术必然会带来广泛的经济价值和社会价值，为扩大产业用纺织领域意义重大。

[1] 吴人洁.复合材料[M].天津：天津大学出版社，2000.

[2] 朱远胜.土工管袋及其应用前景[J].纺织导报,2005(12):75-77．

[3] 陈德茸.连续玄武岩纤维的发展与应用[J]. 高科技纤维与应用,2014,39(06):17-20.

[4] 谢尔盖,李中郢.玄武岩纤维材料的应用前景[J].纤维复合材料,2003,20(3):17-20.

[5] CernyMartin, Glogar Petr, Golias Viktor,et al. Comparison of mechanical properties and structural changes of continuous basalt and glass fibres at elevated temperatures [J].Ceramics Silikaty, 2007, 51(2):82-88.

[6] 石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J].玻璃纤维,2003(4):27-31.

[7] 闰全英，高春梅.玄武岩纤维制备的研究[J].新型建筑材料,2003(11):58-59.

[8] 任晓林，张红，莫杰.淤泥基桩管袋布的开发[J].天津纺织科技，2009(1)：36-38.

[9] 蒋少军,李雪雁,王弟.机织土工布的性能和生产技术[J]. 非织造布，2007,15(03):25-27.

[10] 程鹏环,李飞.土工布充泥袋技术在软土地区修筑路堤中的应用探讨[J]. 盐城工学院学报,2000, 13(1): 56-59.

[11] 陈小桐,何平,田鸿发,等.土工合成材料在汾灌高速公路上的应用[J]. 公路, 2000(10):26-33.

Production and application prospects of basalt fiber geo-textile bag

Yang Kun

(Shanxi ECIC Basalt Development Co., LTD，Datong,03700)

Aiming at dramatically increasing demands in the market, this paper introduces the production processes and techniques for geo-textile pipe bag made of basalt fiber and its application prospects to the fields such as hydraulic, ocean, transportation, civil and environmental engineering.

basalt fiber; geo-textile pipe bag; production; application prospect

2016-07-07;2016-11-04修回

杨堃，男，1984年生，工程师，研究方向：玄武岩纤维的织造以及后制品的研发与应用。E-mail：yangkun_147@126.com

X505

A