非织造土工布的性能对比及应用分析

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非织造土工布是主要的土工合成材料之一，具有良好的力学性能、水力学性能、耐久性等优点，能够起到过滤、排水、隔离、加筋、保护土工膜的作用，在各类岩土工程、水利工程和市政建设等领域得到了广泛应用。在我国，非织造土工布虽然起步较晚，但发展非常迅速，在工程材料中占据重要地位。本文主要介绍国际上常用的四种非织造土工布的特性及其应用。

1 非织造土工布的对比分析

1.1 涤纶非织造土工布和丙纶非织造土工布

非织造土工布的原料来源广泛，包括涤纶、丙纶、锦纶、维纶和一些天然纤维等，其中涤纶和丙纶因价格低、性能好而成为应用最多的原料。丙纶与涤纶的性能差异见表1。

表1 涤纶与丙纶的性能差异

目前在我国，涤纶非织造土工布是工程中应用最广泛的土工布。涤纶非织造土工布的强度较高，熔点高，具有优良的韧度和蠕变特性，尤其在抗紫外线、抗老化性能上，均能够满足工程要求[1]39。但涤纶非织造土工布也存在一定的缺点，如耐酸碱性较差(只耐弱酸，强酸、弱碱可使其分解)、热收缩性大、尺寸稳定性差等，这限制了其工程应用范围。

相对于涤纶非织造土工布，丙纶非织造土工布的强度更高，耐酸碱性更好，且耐磨、耐腐蚀、耐霉变，还有较好的芯吸效应。丙纶的密度比涤纶小30%，当丙纶非织造土工布和涤纶非织造土工布的定重相同时，丙纶非织造土工布的纤维量多，其滤水性和平面排水性更好。由于具备这些特性，丙纶非织造土工布在地下酸碱环境下和高寒等恶劣环境下都具有涤纶非织造土工布不可替代的地位[1]39。但丙纶的抗紫外性能较差，这限制了丙纶非织造土工布在其应用领域的使用量[2]。目前在我国，丙纶非织造土工布在工程中的应用较少。

1.2 短纤针刺非织造土工布和纺黏针刺非织造土工布

根据加工方法的不同，非织造土工布有短纤针刺、纺黏针刺、热黏合或化学黏合等几种类型，其中短纤针刺非织造土工布和纺黏针刺非织造土工布的用量最大，用途也最广。短纤针刺非织造土工布，不管是气流成网的还是梳理成网的，都有良好的三维立体结构，且厚度较大、结构蓬松、孔隙率大，用于过滤和排水最为合适，一般在岩土工程中代替砂石粒料做过滤层。

纺黏针刺非织造土工布在力学性能方面表现优异，国内的一些试验表明，与相同原料、相同面密度的短纤针刺非织造土工布相比，前者的断裂强度比后者高1.5～1.9倍，而一些国外资料显示的两者的差距更大；在其他力学性能上，如撕破强力、顶破强力、蠕变和摩擦性能，纺黏针刺非织造土工布也比短纤针刺非织造土工布更优良[3]。除此之外，纺黏针刺非织造土工布暴露在阳光中时，受到破坏的主要是表层纤维，这很大程度地减小了各项性能的损耗。

涤纶短纤针刺非织造土工布、涤纶纺黏针刺非织造土工布、丙纶短纤针刺非织造土工布和丙纶纺黏针刺非织造土工布是目前国际上常用的四种非织造土工布，参考Q/CR 549.5—2016《铁路工程土工合成材料 第5部分 土工布》，对四种非织造土工布的力学性能进行比较(表2)[4]。

表2 四种非织造土工布的力学性能比较

注：四种非织造土工布的面密度均为400 g/m2

由表2可知，相同面密度下，相同工艺、不同原料的丙纶非织造土工布比涤纶非织造土工布的断裂强度高得多；相同原料、不同工艺的纺黏针刺土工布比短纤针刺土工布的断裂强度高。顶破强力的情况也是如此。由于非织造土工布的断裂强度与面密度成正相关，可以推断，相同断裂强度下，相同工艺的丙纶非织造土工布比涤纶非织造土工布的面密度小。Q/CR 549.5—2016《铁路工程土工合成材料 第5部分 土工布》指出，非织造土工布的断裂强度为40.0 kN/m时，涤纶纺黏针刺非织造土工布的面密度须为800 g/m2，而丙纶纺黏针刺非织造土工布的面密度为600 g/m2就能达到此要求。

将四种非织造土工布的几种性能按优劣进行排序(表3)。

表3 四种非织造土工布的几种性能优劣顺序

注：圆圈数字从小到大表示性能从优到劣，如①代表性能最优

四种非织造土工布的原料或工艺各不相同，它们在不同工程、不同部位发挥的主要作用不同，应按照具体工程的实际情况加以选择。

2 非织造土工布的功能及选用

2.1 过滤作用

非织造土工布在工程应用中的主要作用之一是过滤。良好的透水性、保土性使非织造土工布在岩土工程中可作为过滤层代替砂石粒料起过滤作用，避免土壤颗粒流失、水体压力过大造成的土体失稳。非织造土工布过滤层的应用范围包括垃圾填埋场渗沥液收集系统、垃圾填埋场封场、尾矿库、水库坝体、挡土墙排水、交通等方面。在应用中，非织造土工布和需过滤液体直接接触，所以主要考虑需过滤液体的酸碱性、腐蚀性等因素进行选择。丙纶短纤针刺土工布的耐酸碱性能好，有利于工程长期有效地运行。

2.2 排水作用

非织造土工布是片状的且有一定厚度的纤维集合体，具有良好的集水性能和横向排水性能，放置在土体内部能够将土体中的水分汇聚，然后将水分沿着土工布的横向排出土体。非织造土工布的这种特性，使其可以应用在填土下的水平排水、土石坝坝身及坝基的竖式排水和水平排水、消散超孔隙水压力的土坡排水、软土地基排水等工程中[5]。当非织造土工布主要用于排水时，选择厚的非织造土工布能够达到更好的预期目标，此时对非织造土工布的力学性能的要求不高。

2.3 保护土工膜

在防渗工程中，防渗层采用HDPE(即高密度聚乙烯)土工膜时，按照设计要求，会在HDPE土工膜上铺设一层面密度不小于600 g/m2的非织造土工布作为保护层，HDPE土工膜下也需铺设非织造土工布作为保护层。在未覆盖填埋物时，非织造土工布可以保护HDPE土工膜不受到紫外线的老化作用；在填埋中和填埋后，非织造土工布可以保护HDPE土工膜在长期荷载状态下不受到下部尖锐物体的损坏和骤然不均匀承重所产生的摩擦力的破坏。非织造土工布自身的抗紫外线能力与其厚度有关。涤纶纺黏针刺非织造土工布的防紫外线性能优越，相比于涤纶短纤针刺非织造土工布，紫外线对前者的影响主要发生在表层纤维上。

2.4 隔离作用

在工程设计中，常常会遇到两种粒径不同的材料相互接触的情况。为了防止粒径不同的两种材料在水的作用下相互渗透，失去设计结构的意义，保证工程的正常运行，会在两种材料之间放置隔离层[6]。非织造土工布的强度高，透水性好，具有一定的厚度，能够满足工程设计的需要。例如在我国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道设计中，丙纶短纤非织造土工布作为隔离层设置在道床板和底座之间，主要避免桥梁上部结构的变形将力传递到道床板中，使其发生翘曲变形，同时具有一定的隔热、隔震作用[7]。

2.5 加筋作用

一般在要求较低的加筋工程中会选用非织造土工布，例如加筋土结构、软基处理中的加筋垫层。加筋是利用非织造土工布的拉伸性能来改善土壤的力学性能，限制土体在长时间的使用过程中产生位移。这对非织造土工布的各项力学性能的要求较高，丙纶非织造土工布在这方面的表现更加优异。

在岩土工程设计中选择合适的非织造土工布，需从两个方面进行综合判定：一是非织造土工布的作用和目的；二是工程情况。当主要起过滤作用，且需过滤液体接近中性时，可选择涤纶针刺非织造土工布。当不只是起过滤作用，还要有一定的隔离、加筋作用，且需过滤液体为非中性时，应选择强度高、耐酸碱性能好的丙纶非织造土工布。当有多种非织造土工布都符合要求时，可根据使用经验和价格选出最合适的非织造土工布。

3 应用实例

3.1 大理大沙地尾矿库扩容项目

大理大沙地尾矿库所在地属于丘陵地带，其地面的起伏程度较大，土质以细粒土、沙土、石块为主，库容约1 700万m2，目前已使用13年。该项目采用了由多种土工合成材料组成的复合防渗系统，其中非织造土工布的作用至关重要。大理大沙地尾矿库防渗系统从下至上各层所用的土工合成材料及各层作用如图1所示。

图1 大理大沙地尾矿库防渗系统示意

图1所示的防渗系统中，从上至下共有3层非织造土工布。第一层位于砾石渗滤液导排层(厚度30 cm)之上，采用涤纶短纤针刺非织造土工布(面密度200 g/m2)，主要起过滤、隔离作用，渗滤液经过滤，在砾石导渗滤液排层排出尾矿库。第二层为涤纶纺黏针刺非织造土工布(面密度600 g/m2)，位于砾石渗滤液导排层和HDPE土工膜(厚度1.5 mm)之间，作为HDPE土工膜的上保护层，其在铺设过程中保护HDPE土工膜免受紫外线的老化作用，在使用过程中长期有效地保护HDPE土工膜在高负荷状态下不受砾石的伤害。第三层为涤纶纺黏针刺非织造土工布(面密度600 g/m2)，作为HDPE土工膜的下保护层。

3.2 三江治理工程

2013年，黑龙江省发生特大洪水。随后，在国家的支持下，对松花江、嫩江、黑龙江流域开展了三江治理工程。三江治理工程是国家重点水利工程，其建设增强了相关流域的防洪排涝和综合减灾能力，保护和修复了当地的生态环境。在整个三江治理工程中，采用了大量的非织造土工布。图2所示为三江治理工程中部分标段堤坝结构。

图2 三江治理工程中部分标段堤坝结构示意

在三江治理工程的堤坝结构中，短纤针刺非织造土工布因其具有良好的透水性和反滤性而被用作反滤结构，其主要功能是保护填土不被水流冲走，从而保护坝体的安全稳定性。此外，在此堤坝结构中，非织造土工布还具有排水、隔离的功能。

3.3 土工泡沫塑料路堤

土工泡沫塑料路堤是一种处理软土地基常用的结构，路堤内部填料采用EPS(即聚苯乙烯泡沫)超轻质料。在放置EPS块体之前，需在开挖的地基上铺设厚度为15～30 cm的砂垫层，并在砂垫层的上、下界面铺设具有一定强度的非织造土工布，且非织造土工布应横向铺设。土工泡沫塑料路堤局部结构如图3所示。

图3 土工泡沫塑料路堤局部结构示意

在土工泡沫塑料路堤中，非织造土工布铺设在软土地基上，发挥一定的加筋作用，减少路堤的沉降量，提高路堤固结度。此处使用的非织造土工布还具有反滤、排水和隔离的作用，软土地基的含水量较高，非织造土工布搭配砂垫层一起使用，形成了非常好的集水、横向排水系统，能及时将地下水排出，增强了路堤的整体稳定性。

3.4 非织造土工布在海绵城市中的应用

海绵城市建设是政府大力支持的项目。海绵城市由多种设施组成，而非织造土工布是各种设施中不可或缺的材料。例如在绿色屋顶花园设计中，过滤层和保护层都采用非织造土工布，如图4所示。

图4 绿色屋顶设计示意

从图4可以看到，非织造土工布作为过滤层时其设置在排水层的上方，起到透水、保土的作用，作为保护层时其主要作用是保护防水层不被破坏。在推进海绵城市建设的过程中，应根据非织造土工布的不同特性，进行合理的选择和使用。

4 非织造土工布的前景

在我国，非织造土工布的应用起步较晚，但普及迅速，其为国家各方面的基础设施建设做出了重要贡献。目前，各种土木工程的修复及新的工程建设对非织造土工布的需求量非常巨大，加之当今世界大力提倡保护生态环境和防止水土流失，用于工程护坡的植被土工布也得到了迅速的发展和应用[8]。我国已成为非织造土工布的消耗大国，也兴起了一大批非织造土工布企业。随着国家对环境保护的日益重视，未来非织造土工布仍有广阔的市场：

(1) 铁路建设。根据国家中长期铁路网规划方案，到2025年，我国高速铁路里程将超过3.0万km，截至2015年已建成1.9万km，2016—2020年共建1.1万km，约需土工布6 600万m2，约4.62万t。

(2) 防渗工程。在垃圾填埋场、污水处理厂、污染物储存池、环保、水工、建筑防渗及农业领域，非织造土工布作为保护层与防渗土工膜结合使用。按照我国土工膜环保工程防渗材料需求，仅2016年对非织造土工布的需求就达到了15.00万t。

(3) 水利方面。在我国现有的25.0万km堤防中，有75%需要进行基础处理和除险加固。非织造土工布具有的优良的过滤、排水、隔离、加筋功能，能使其在水利方面大展拳脚。

(4) 海绵城市建设。海绵城市建设的推进为非织造土工布提供了一个新的发展平台。其中，和非织造土工布相关的设施包括蓄水池、绿色屋顶、复杂型生物滞留设施、渗透塘、渗井、渗管/渠等。

我国非织造土工布的用量巨大，产量也相应提升，但是产品质量和发达国家还有很大的差距，一些重点工程仍需使用进口土工布。今后，我国非织造土工布行业只有在技术和设备上不断地更新和发展，才能弥补缺口，不再受制于人。除此之外，相关人员和机构在非织造土工布专用料的研发上，也应该付出更多的努力，这样才能生产出更高性能的的非织造土工布。

[1] 姜瑞明，钱竞芳.聚丙烯纺黏法针刺非织造土工布应

用前景分析[J].山东纺织科技，2015，56(4)：39-42.

[2] 魏晓丽.聚丙烯土工布纤维抗老化性能研究与测试[D].天津：天津工业大学，2004.

[3] 熊葳.非织造布土工布的发展和应用[J].轻纺工业与技术，2010，39(4)：19-21.

[4] 周诗广，曾长贤，丁光文，等.铁路工程土工合成材料第5部分 土工布：Q/CR549.5—2016[S].北京：中国铁路总公司，2017.

[5] 刘栓明，赵世来，赵洪林.土工合成材料在护岸工程中的应用与展望[J].人民黄河，2010，23(9)：20-21.

[6] 刘宗耀，杨灿文，王正宏，等.土工合成材料工程应用手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[7] 王梦，刘伟斌，王继军，等.高速铁路CRTSⅢ型板式 无砟轨道隔离层用土工布暂行技术条件：TJ/GW113—2013[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[8] 信鹏月，任元林，苏倩.浅谈非织造土工布技术[J].产业用纺织品，2013，31(7)：1-6.