高性能土工复合排水材料的制备及其性能
2019-06-19李新玥秦文康
李新玥，秦文康，窦 皓
(1.西安工程大学产业用纺织品协同创新中心，陕西西安710048；2.西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安710048)
0 前言
随着社会的发展，人们对水资源的认识逐渐加深，尤其在各种工程项目中，为了达到排水的目的，对土工复合排水材料的要求越来越严格。 比如在海绵城市建设工程中，要求排水材料可以达到下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，而在需要时将蓄存的水释放并加以利用[1]。 当降水量过大时，城市绿化带不能完全吸收所有的水量，多余的水既不能通过下水道排到河流，也不能随意排放。 此时，土工复合排水材料可以起到重要作用，由于土壤中的水可以下渗，经过复合土工布的过滤，纯净的水会通过排水板流入专门的蓄水池，起到合理排水并且最大程度消化吸收雨水的作用。
土工复合排水材料又可称为塑料排水板，是由塑料排水芯材外包土工织物构成的一种复合材料[2]。 芯板材料大部分采用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等有机聚合物制成，滤膜的主要生产原料则是涤纶无纺土工织物，主要作用是透水和挡土，以及防止淤堵，这种材料有良好的渗透性和耐腐蚀性，使用寿命长，几乎可以应用在任何土壤中[3-4]。
二十世纪30 年代，W.Kjcllman 第一次在工程中使用纸板进行排水，即采用具有一定排水功能的纸板代替原来的砂井作为新的竖向排水体，但是透水性差，且不稳定[5]。 O.Wager 用聚氯乙烯替换原来排水纸板的板芯，随后又开发出无纺土工织物作为新的滤膜，替换原来的纸质滤膜[6]，成功解决了稳定性差，透水性差的问题，这一形式的土工复合排水材料得到了广泛的使用，但是还不能与高质量的工程相匹配。 武良金提出塑料排水板滤膜尽量使用长丝热粘无纺布，同时改进芯板生产质量可得到性能较优的土工复合排水板[7]。 蔡晓光研究分析了分离式排水板和整体式排水板的性能，并指出了分离式排水板的缺陷[8]。 武良金、刘家豪研制出了一种新型的热熔整体式排水板[9]，将滤膜与板芯通过热熔粘合，形成一个整体式排水板，这种排水板较分离式排水板相比具有抗拉强度高，芯板与滤膜不会轻易发生滑移和脱落，且在土的压力下，滤膜处于绷紧状态，滤膜不会过多的陷入芯槽中，保障排水板的通水量[10-11]。
本实验以涤纶和低熔点纤维为原料，采用控制变量法，生产出针刺复合土工布试样。 以HDPE 和EVA 为主要原料，采用滚吸工艺生产出排水板。最后以较优的土工布试样作为滤膜，以排水板作为板芯，将两者进行热熔粘合，制备出土工复合排水材料。 该材料具有较高的拉伸强度及通水量，为后续土工复合排水材料的研究奠定基础。
1 实验部分
1.1 实验材料和设备
材料：涤纶(细度6D， 长度61mm)，低熔点纤维(细度1.6D，长度35 mm)。
HDPE(高密度聚乙烯，5200B，中国石油化工有限公司)、EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，HTE05-F 华特粘接材料股份有限公司)、LLDPE(线性低密度聚乙烯，7144，中国石油化工股份有限公司茂名分公司)、MLLDPE(茂金属线型低密度聚乙烯，HPR18H10AX 大庆石化公司)。
测试仪器： BG-200A 电子天平，YG141D 数字式织物厚度仪，YT020I 型透水性测定仪，YG026D-1000 电子强力机，大荣026H 土工膜专用强力机，DR028 万能材料试验机，FY07 排水网水平通水量测试仪。
1.2 针刺土工布的制备
以不同配比的涤纶和低熔点纤维为原料，利用针刺的方法，调整加工设备参数使土工布平方米克重为200g/m2、针刺密度为237 刺/cm2，最后改变热轧工艺，制备出9 种针刺复合土工布。 热轧过程中控制中辊、下辊温度为170℃。
1.3 排水板的制备
以HDPE 和EVA 为主要原料，并与LLDPE、MLLDPE 等按比例混合，利用滚吸方法，生产出6种排水板试样。 加工工艺流程大致为：原料选择→混料机→上料机→螺杆挤出机→模头→滚吸模具→牵伸辊→成卷。
1.4 土工复合排水材料的制备
将制得的复合土工布与排水板进行热熔粘合，冷却固化后两者紧密粘合，最终成为整体式土工复合排水材料。
1.5 测试
平方米克重：参照GB/T 24218 《非织造布单位面积质量的试验方法》。
透水性：参照GB/T 15789-2005《复合土工布及其有关产品无负荷时垂直渗透特性的测定》。
拉伸性能：土工布测试参照FZ/T 60005-1991《非织造布断裂强力及断裂伸长的测定》。 排水板测试参照GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶-拉伸应力应变性能的测定》。
顶破性能：参照GB/T 14800-93《复合土工布顶破强力实验方法》。
抗压强度：参照GB/T 9647-2003《热塑性塑料管材环刚度的测定》。
通水量测试：参照SL/T 235-1999《土工合成材料测试规程 纵向通水量试验》。
2 结果与讨论
2.1 针刺复合土工布的性能分析
表1 为土工布的制备工艺参数及相关性能分析。 由表1 可知，9 个试样的平方米克重均在200g/m2左右，该厚度与是否热轧有关，双面热轧的试样厚度最小，不热轧的试样厚度最大。
表1 复合土工布性能分析
续表
排水板滤膜通过水、气等的功能统称为渗透性，主要包括垂直和水平渗透性两种。 本实验主要考虑滤膜的垂直渗透性。 随着涤纶含量的增加，试样的垂直渗透系数减小，经过热轧工艺的试样垂直渗透系数较大幅度降低。 这是由于涤纶是疏水纤维，随着其含量的增加，所制得滤膜的透水性降低，同时热轧工艺使纤维之间的作用力增大，纤维网结构变得紧密，也使得透水性降低。
由表1 可知，土工布的横向断裂强力大于纵向的，随着涤纶含量减少及热轧进行断裂强力逐渐增大。 参照JT/T667-2006《公路工程土工合成材料无纺土工织物》[12]，要求涤纶短纤针刺复合土工布的纵横向拉伸强度≥3KN/m。 B1 的横向断裂强力为240N，C1 的为271.2N，两者相差不大，以透水性能为优先考虑原则，B1 作为土工布的优先选择。
表1 中，顶破强力随着热轧面数的变化而变化，热轧的面数越多，顶破强力越大。 C 组的低熔点纤维含量最低，进行单面热轧后，纤维网内部的缠结力和粘结力趋于最大化，再对其进行双面热轧时，并没有产生更多的粘结力，所以最终的顶破强力和单面热轧的相差不多；不热轧时，土工布的顶破强力主要由涤纶纤维之间缠结力提供，所以涤纶的含量越多，顶破强力越高。 当进行热轧时，缠结力和粘结力共同作用，B2、B3 的配比使得缠结力和粘结力达到最大，其顶破强力在相同工艺下达到最大。
综合考虑以上因素，选择B1 作为最优的土工布滤膜。
2.2 排水板性能分析
表2 排水板的性能分析
HDPE 是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂[13]，具有优良的耐化学试剂、耐热性、机械强度、较高的刚性和韧性，广泛应用与于能源存储、 生物医学、 电介质、 高频应用、 负荷轴承和纺织品等[14-18]。 本实验分别用EVA、LLDPE、MLLDPE 对其进行改性，并根据宏祥新材料股份有限公司生产经验进行排水板组分及含量设置，利用滚吸方法制备出6 种排水板，如表2 所示。 每组试样的纵横向断裂强力相差不大，同时随着厚度的增加，拉伸断裂强力逐渐增加。
排水板试样尺寸为10cm×10cm，有4 个凸壳，根据凸壳型排水板抗压强度计算公式可得其抗压强度，结果如表2 所示。 随着排水板厚度增大，其抗压强度显著增加，厚度约为1.2mm 时抗压强度最大。
如表2 所示通水量值为500KPa 压强和水力梯度为0.5 的条件所测得的排水板的平均通水量(水力梯度i 指水头差与有效长度(40cm)的比值)。由表2 可知，只有厚度约为1.2mm 的排水板具有通水量，其他试样通水量为0。
综合以上因素，选择D3 作为最优的排水板。
2.3 土工复合排水材料性能分析
2.3.1 拉伸性能分析
表3 拉伸性能对比
选择B1 为土工布滤膜，D3 为排水板板芯，将两者进行热熔粘合而成为土工复合排水材料。 由表3 可知，土工复合排水材料的纵横向断裂强力显著高于土工布滤膜及排水板各单体的断裂强力。
2.3.2 通水量测试
图1 土工复合排水材料的通水量测试
由图1 可知，随着测试压力及水力梯度增大，土工复合排水材料的通水量逐渐降低。 当测试压力为0KPa、水力梯度为0.1 时，土工复合排水材料的通水量最高，当测试压力为500KPa、水力梯度为0.5 时，其通水量最低，同时复合土工排水材料的通水量均优于两种复合单体的。
3 结论
本文首先利用非织造针刺和热轧工艺制备出性能较优的土工布，并以HDPE 和EVA 为主要原料，与LLDPE、MLLDPE、HIPS 等混合，利用滚吸方法制备出排水板，最终将土工布滤膜与排水板板芯进行热熔粘合，制备出土工复合排水材料。 土工复合排水材料拉伸强力要大于两者复合前单体材料强力，并且具有很高的通水量。 高性能土工复合排水材料的研究与开发对工程排水问题的解决有重要意义，为土工复合排水材料的进一步研究奠定基础。
