针刺复合生态土工布的制备及植生性能研究*

娄辉清 曹先仲 杨光豪 李海伟 丁会龙

1. 河南工程学院纺织学院，河南 郑州450007； 2. 河南宇清安全环保科技有限公司，河南 郑州450007

我国高速公路、铁路等基础设施的建设，以及矿山的大规模开发，会形成大量裸露且难以恢复植被的土石边坡，若不加以治理，不仅会造成植被的破坏和水土的流失，还易引发泥石流、滑坡等地质灾害，对周边生态环境埋下极大的安全隐患[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，这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，施工过程中周围自然环境易被破坏[3]。近年来，随着国内环境保护意识的逐步增强，生态护坡理念开始被业界广泛接受，并被快速推广到基础设施建设和矿山生态修复中。

何旭东等[4]对首次在贵州省都匀市七星棚户区安置房边坡(二期)生态修复项目中应用的加筋麦克垫技术的原理、施工工法及效果进行了详细探究，结果表明该技术固土、固坡效果明显，能在短时间内达到绿化的效果。叶建军等[5]采用喷射生态护坡技术对曼大高速公路项目沿线3#取土场开展了生态修复，结果显示生态恢复效果良好，修复1年后植物群落逐渐向自然边坡演替。陈飞等[6]针对离子型稀土矿山原地浸矿开采方式容易诱导滑坡的特点，提出一种以竹子为主要材料，由竹子格构框架、竹桩和竹子排水管共同组成的生态护坡结构。发现使用该生态护坡结构经历6个月的生长周期之后，坡体被草木覆盖，且无水土流失和边坡失稳现象发生。周翠英等[7]利用新型功能材料及其生态护坡施工工艺对深圳市龙城中专后山典型岩质边坡进行了生态修复，发现植被发芽率有效提高，坡面植被覆盖速率加快，边坡抗冲刷侵蚀能力提高，坡面浅层土体的稳定性增强。窦维禹等[8]结合济祁高速公路淮南至合肥段中路基边坡防护的实际经验，对植物纤维草毯边坡防护技术的工艺原理、施工工艺、质量控制等进行了详细的介绍。该技术已在安徽岳武、周六等高速公路边坡防护中收到了显著的效果。

在常用的边坡生态防护形式中，利用生态型防护材料进行边坡防护，其良好的经济效益和社会效益越来越受到人们的关注。其中，植被网和植被毯是近年来新开发的一种生态防护材料，其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，不仅能够提供防土壤侵蚀流失的保护层，还能够为植物生长提供所需要的基质、养料及水分，但强度较低，耐磨性和耐候性差，且加工过程繁琐，故限制了其在土石边坡防护领域的广泛应用。非织造土工布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，已被作为新型的生态护坡材料为众多学者研究。王中珍等[9-11]将麻纤维/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，以及椰壳纤维，分别制备成护坡复合植生材料，发现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，改良土壤。李素英[12]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，发现该生态毯有利于植被稳定生根生长，可起到有效的护坡作用。汤燕伟等[13]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，天然或再生纤维和化学纤维基质均适合草坪草的生长，只是天然或再生纤维稍优于化学纤维，薄型针刺非织造材料优于厚型针刺非织造材料。

我国关于生态护坡材料的研究尚处于初级阶段，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，对我国土石边坡防护和生态修复具有重要的意义，且发展前景十分广阔。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

黏胶纤维(82.0 mm×2.78 dtex，常熟市红星毛纺化工有限公司)、再生植物纤维(自制)。

电子天平(FA2004A，上海恒平科学仪器有限公司)、针刺机机组(WL，太仓市万龙非织造工程有限公司)、数字式织物厚度仪(YG141LA，宁波纺织仪器厂)、多功能电子织物强力机(YG026D-1000，宁波纺织仪器厂)、土工布有效孔径测定仪(YT030，泉州市美邦仪器有限公司)、无纺布吸水性能测定仪(YG814-II，泉州市美邦仪器有限公司)、织物液体穿透试验仪(LFY-244B，山东省纺织科学研究院)。

1.2 植生护坡用针刺复合生态土工布的制备

1.2.1 针刺复合生态土工布的原料及结构设计

为了满足植生护坡用针刺复合生态土工布对结构可靠性和性能稳定性的要求，本试验采用基底层+中间层+面层的立体复合结构形式。黏胶短纤维经梳理、成网后作为基底层和面层，破碎后的天然植物纤维即再生植物纤维作为中间层。

1.2.2 制备工艺及流程

采用短纤维干法成网-针刺加固工艺加工上述立体复合结构，制备植生护坡用针刺复合生态土工布。首先，黏胶短纤维送入开松机内开松，待大的纤维束、块、团等松解成小束后，再由梳理机梳理成由均匀伸展的单纤维组成的薄纤网；然后，铺网设备将薄纤网铺叠成具有一定厚度的匀质黏胶短纤维网作为基底层，输送带将再生植物纤维均匀地铺于基底层黏胶短纤维网之上，达到一定的厚度后，再在再生植物纤维之上铺设一层具有一定厚度的匀质黏胶短纤维网作为面层；最后，采用针刺机对铺叠的立体复合结构材料进行反复针刺，使纤维网中的纤维互相缠结，纤维层贯穿连接为一体。

基底层和面层、再生植物纤维层和针刺复合生态土工布成品照片如图1所示。

图1 针刺复合生态土工布的结构组成及其成品照片

1.2.3 针刺工艺参数

针刺工艺参数主要包括针刺密度、针刺深度、针刺频率等。在针刺加固生产过程中，合理分配针刺密度，严格控制针刺深度和针刺频率，十分重要。本试验中，铺网纤维为黏胶短纤维，两层黏胶短纤维网之间夹杂再生植物纤维。若单纯采用短纤维针刺用刺针，针刺效果较差。此外，本试验在制备不同规格的针刺复合生态土工布过程中，保持了基底层和面层的质量、厚度基本一致，主要通过改变再生植物纤维的加入量来改变针刺复合生态土工布的单位面积质量，因此需合理选择针刺工艺参数。

本试验在前期预试验的基础上，确定不同规格的针刺复合生态土工布的针刺工艺参数如表1所示。

表1 针刺复合生态土工布的针刺工艺参数

1.3 性能测试

1.3.1 力学性能

分别测定针刺复合生态土工布的纵横向断裂强度和断裂伸长率、纵横向撕破强力及CBR顶破强力，其中断裂强度和断裂伸长率按照GB/T 15788—2017《土工合成材料 宽条拉伸试验方法》，撕破强力按照GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破强力的测定》，顶破强力按照GB/T 14800—2010《土工合成材料 静态顶破试验(CBR法)》进行测试。

1.3.2 有效孔径

利用O90(即土工布中90%的孔径低于该值)表征针刺复合生态土工布的有效孔径，其测试按照GB/T 14799—2005《土工布及其有关产品有效孔径的测定 干筛法》进行。

1.3.3 渗透性能和吸收性能

以垂直渗透系数和透水率表征渗透性能，测试方法按照GB/T 15789—2016《土工布及其有关产品 无负荷时垂直渗透特性的测定》中的恒水头法；以液体吸收量表征吸收性能，测试按照GB/T 24218.6—2010《纺织品 非织造布试验方法 第6部分：吸收性的测定》进行。

1.4 植物种植试验

分别选择2#和4#样品进行植物种植试验。受试植物为黑麦草，草种用量为30 g/m2。为模拟土石边坡环境，基质层以砂石为主，自下而上分别为砾石层(5.00 cm)+粗砂层(10.00 cm)+细砂层(10.00 cm)+沙土层(5.00 cm)+针刺复合生态土工布层+土壤层(1.00 cm)+种子层+土壤层(2.00 cm)。考察植生性能的指标包括发芽率、植株高度和植株质量。种植7 d后统计各组种子的发芽率，种植45 d后统计各组的植株高度和植株质量。同步进行对照试验，对照试验的基质层中不加入针刺复合生态土工布层，其他条件均与2#和4#样品试验相同。

分别统计各组发芽的植株数量，该数量与各组所播种种子数量的比值即为该组种子的发芽率；从每组植株样品中随机抽取长势均匀的植株10株，然后从叶耳处开始用刻度尺测量，得到该植株的高度，10株植株的平均高度即为该组的植株高度；用分析天平分别测量10株黑麦草植株的地上部分及根部的质量，10株植株的平均质量即为该组的植株质量。

2 结果与讨论

2.1 针刺复合生态土工布的制备

按照1.2.2节所述方法和表1中的针刺工艺参数，制备不同规格的针刺复合生态土工布样品，所得样品的单位面积质量(实测值)、厚度及再生植物纤维质量分数如表2所示，样品的截面形貌如图2所示。

表2 针刺复合生态土工布的单位面积质量(实测值)、厚度及再生植物纤维质量分数

图2 针刺复合生态土工布样品的截面形貌

从表2可以看出，针刺复合生态土工布的单位面积质量和厚度受再生植物纤维质量分数的影响较大。再生植物纤维质量分数增加，中间层越来越厚，针刺复合生态土工布的单位面积质量和厚度也随之增加。

2.2 力学性能

本试验所制备的针刺复合生态土工布样品的力学性能如图3所示。

图3 针刺复合生态土工布样品的力学性能

从图3可以看出，随着单位面积质量的增加，针刺复合生态土工布的断裂强度、撕破强力和CBR顶破强力等力学性能增加。这是因为随着针刺复合生态土工布单位面积质量的增加，再生植物纤维的质量分数增多，加之针刺过程中再生植物纤维与基底层、面层中的黏胶短纤维已缠绕在一起，故作用于针刺复合生态土工布之上的外力除了要克服黏胶短纤维之间的纵向穿插缠结作用外，还要克服黏胶短纤维与再生植物纤维之间的缠绕作用，力学性能提高。

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，其中要求纵横向断裂强度≥3 kN/m、纵横向撕破强力≥0.1 kN、CBR顶破强力≥0.60 kN、纵横向断裂伸长率20.0%～100.0%。对照该标准，本试验所制备的不同规格的针刺复合生态土工布，除单位面积质量(设计值)为200 g/m2的1#样品其横向断裂伸长率(16.2%)和CBR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标准的要求。

2.3 有效孔径

试验制备的针刺复合生态土工布样品的有效孔径如图4所示。

图4 针刺复合生态土工布的有效孔径

从图4可以看出，随着单位面积质量的增加，针刺复合生态土工布的O90呈现降低的趋势。影响土工布孔径的主要因素包括针刺密度、针刺深度，以及纤维线密度和织物厚度等。针刺复合生态土工布单位面积质量越大，其厚度越厚。针刺密度和针刺深度越大，纤维与纤维之间的缠结也越紧密，则针刺复合生态土工布的O90越小[14-15]。本试验在制备较大单位面积质量的针刺复合生态土工布时，所选择的针刺密度和针刺深度也较大，因此其O90减小。

土工布的孔径对其水土保持能力有一定的影响。孔径越小，土工布的透水量越少，水分越不容易流失，且土壤颗粒更容易被土工布截留而不被土壤表面径流带走，因此其水土保持能力较强[16]。相关研究表明[17-18]，当土工布的有效孔径在50～2000 μm时具有较好的水土保持能力。本试验制备的针刺复合生态土工布的有效孔径在75～132 μm，满足实际应用过程中保护边坡，防止水土流失的要求。

2.4 渗透性能和吸收性能

试验制备的针刺复合生态土工布的垂直渗透系数、透水率和液体吸收量如图5所示。

图5 针刺复合生态土工布的渗透性能和吸收性能

从图5可以看出，随着单位面积质量的增加，针刺复合生态土工布的垂直渗透系数和透水率均呈现降低的趋势，而液体吸收量呈增加的趋势。这主要是因为随着单位面积质量的增加，针刺复合生态土工布的有效孔径变小，垂直渗透系数和透水率降低，故渗透性能变差[18]。而渗透性能又会影响土工布的保水效果，垂直渗透系数和透水率越低，意味着保水效果越好，因此针刺复合生态土工布单位面积质量越大，其保水性能越好。本试验主要通过改变再生植物纤维的加入量来改变针刺复合生态土工布的单位面积质量，由于中间层的再生植物纤维具有较强的吸水保水能力，因此针刺复合生态土工布的吸收性能随单位面积质量的增加而变大。

土工合成材料的相关标准要求土工布的垂直渗透系数在0.01～10.00 mm/s。本试验制备的不同规格的针刺复合生态土工布的垂直渗透系数均在10.00 mm/s以下，满足相关标准的要求。还有研究表明[19]，当土工布液体吸收量大于500%、透水率小于1.0 /s时，土工布具有较好的吸水保水性能。本试验制备的针刺复合生态土工布，当设计的单位面积质量大于400 g/m2时，其液体吸收量大于500%、透水率小于1.0 /s。

2.5 植物种植试验

经种植试验测得各组的发芽率、植株高度和植株质量如表3所示。

表3 植物种植试验结果

从表3可以看出：2#样品的发芽率、植株高度和植株质量分别比对照组提高了8.79%、10.80%、21.52%，4#样品的发芽率、植株高度和植株质量分别比对照组提高了13.05%、27.16%、55.03%，含有针刺复合生态土工布层的发芽率、植株高度和植株质量均高于对照组，这说明针刺复合生态土工布对植物的生长具有良好的促进作用；此外，随着针刺复合生态土工布单位面积质量的增加，发芽率、植株高度和植株质量也均呈现增加的趋势。

分析认为，由于种植试验所用的模拟基质层以砂石为主，土壤层较薄，故不利于植物的生长发育；而本试验所制备的针刺复合生态土工布中含有大量的再生植物纤维，其优良的吸水保水性能不但可以营造有利于植物生长发育的环境，而且产品本身还可转化为植物的营养基质，改良土壤。因此，针刺复合生态土工布的加入有利于种子的发芽和生长，且再生植物纤维质量分数越高，发芽率越高，长势越好。

3 结论

(1) 以黏胶短纤维和再生植物纤维为主要原料，采用短纤维干法成网 - 针刺加固工艺，在针刺密度为60～160 针/cm2、针刺深度为3.5～12.0 mm、针刺频率为720～940次/min的条件下，制备出单位面积质量在196～979 g/m2、厚度在3.6～14.4 mm、再生植物纤维质量分数在39.6%～70.9%的针刺复合生态土工布用于植生护坡。

(2) 随着针刺复合生态土工布单位面积质量的增加，其断裂强度、撕破强力和CBR顶破强力等力学性能增加，吸水保水性能变好。

(3) 含有大量再生植物纤维的针刺复合生态土工布对植物的生长具有良好的促进作用，且随着针刺复合生态土工布单位面积质量的增加，发芽率、植株高度和植株质量也均呈现出增加的趋势。