生态袋纤维结构及透水性能研究

2022-07-24刘鸿鹄张文利杨春和周成云

科学技术创新 2022年20期

刘鸿鹄张文利杨春和周成云

（1、贵州省毕节公路管理局,贵州毕节 551700 2、贵州理工学院,贵州贵阳 550003 3、贵州省纳雍公路管理段,贵州毕节 553300）

1 概述

在公路边坡修筑中，减少对自然环境的破坏，使坡面与周围环境协调成为当前护坡设计需要考虑的重要因素[1-2]。生态袋是一种由聚丙烯或者聚酯纤维为原材料制成的双面熨烫针刺无纺布加工而成的土工袋，一般配合工程连接扣使用，不但能够获得较好的稳定性，同时还能与植物防护协同使用，是一种绿色的护坡技术。

相对于传统的圬工结构护坡，由于生态具有透水不透砂土的特点，待袋中植被生长出后，植物根系能够进一步对生态进行稳定和加固，且更为美观，与周围自然环境具有更好的协调性。

目前，生态袋主要应用于城市建筑、水利工程、公路和城市道路等护坡，一些研究者也针对生态袋护坡展开了一些应用与研究。黎文海等对生态袋护坡的施工工艺进行了研究，并提出了针对山区高边坡采用生态袋技术进行防护的施工工艺要点和安全保障措施[3]。陈文学等采用量纲分析方法提出了生态袋护坡在波浪作用下,生态袋内土壤颗粒损失的计算公式，并利用试验方法分析了生态袋护坡在波浪作用下的损失规律[4]。钟吉祥通过对某矿区水土流失及滑坡体形成原因分析，研究了生态袋用于矿区边坡防护的适用性，并认为在矿区利用生态进行坡面处治，不但可以使边坡具有较好的防冲刷性能，同时也能在一定程度上修复矿区开采对自然环境的破坏[5]。这些研究成果均证明了采用生态袋技术进行坡面防护的可行性，同时也从不同角度探明了生态袋用于坡面防护的关键技术。然而，已有的研究成果多集中在生态袋坡面防护的适用性、施工工艺、耐久性等方面，尚缺少针对生态袋显微特点及与水的浸润特性方面的研究成果。

本文以3 种生态袋和2 种土工袋为研究对象，分别采用荧光显微镜对生态袋的袋体纤维进行了成像，采用接触角测定仪对生态袋与水滴的接触角进行了测试，基于此对生态袋的纤维结构和透水性能展开了研究，并采用恒水头渗透性试验进行了验证。

2 生态袋纤维特点

本文选择2 种土工袋和3 种生态袋为试验对象，分别记作土工袋1、土工袋2、生态袋1、生态袋2 和生态袋3，并从5 种试验上分别裁剪出试样用于试验研究，如图1 所示。

图1 生态袋和土工袋试件

试验采用FR-4A 科研级三目落射荧光显微镜对5 种试验进行荧光显微成像，并采用显微镜相机对电子图像进行了采集。荧光显微镜工作原理是利用一个高发光效率的点光源，经过滤色系统发出一定波长的光（如紫外光）作为激发光、激发标本内的荧光物质发射出各种不同颜色的荧光后，再通过物镜和目镜的放大进行观察[6]。

在试验过程中，由于每种试样的透光度不同，需要根据各试样的透光度调整光源亮度，直至产生清晰的图像。本文采用的放大倍数分别为40 倍、100 倍和400 倍，所获得了荧光显微图像如图2～图6 所示。

从图2～图6 可以看出，生态袋的构成纤维明显比土工袋纤维致密。已有研究表明，土工织物的纤维密度是影响其强度的重要因素[7]，更高的纤维密度可以有效增强袋体的强度，提升袋体的耐久性。此外，更为密实的纤维结构也可以避免袋中的土颗粒透过，但又不至于阻绝水分的渗透。三种生态袋中，生态袋2 的纤维结构最为密实，表明生态袋2 具有更高的袋体强度。此外，从放大400 倍后的荧光显微图像可以看出，生态袋纤维的宽度略粗于土工袋，这也是生态袋具有更高结构强度的重要原因。

图2 土工袋1 荧光显微图像

图3 土工袋2 荧光显微图像

图4 生态袋1 荧光显微图像

图5 生态袋2 荧光显微图像

图6 生态袋3 荧光显微图像

3 生态袋的力学性能

生态袋力学性能是影响其防护功能和耐久性的重要因素。本研究采用《土工合成材料宽条拉伸试验方法》（GB/T 15788-2017）的方法对2 种土工袋和3 种生态袋的纵向和横向断裂强度进行了测试，采用《土工合成材料静态顶破试验(CBR 法)》（GB/T 14800）的方法对2 种土工袋和3 种生态袋的CBR 顶破强力进行了测试，结果如表1 所示。

从表1 可以看出，三种生态袋的各项力学性能均优于土工袋，这与第2 节的分析结果一致，即更高的纤维密度可以有效增强袋体的强度。

表1 各试件力学性能测试结果

4 生态袋的透水性能

4.1 水对生态袋的浸润性

透水性是采用生态袋进行坡面防护的一大优势，是透水不透砂土的，这就需要生态袋对水具有较好的渗透性。在水对生态袋袋体的渗透过程中，水分对袋体进行浸润是渗透出袋体的先决条件。

本文采用接触角参数对5 种试件与水的结合能力进行评价。一般认为，当固液接触角小于90°时，液体可以浸润固体表面，当固液接触角大于90°时，则液体不能浸润固体表面[8-9]。本文采用承德优特检测仪器制造有限公司生产的JY-PHB 型接触角测定仪对水和5 种试样的接触角进行测试。

测试时，首先，将剪切好的试件铺展在接触角测定仪载物台上，并用玻璃片按压平整；其次，采用滴定器将约5 微升水滴至试件表面，并在试件表面形成液滴；再次，调整接触角测定仪的光源和焦距，使成像清晰，继而分别获取5 种试件与水滴的接触角图像；最后，利用JYPHB 型接触角测定仪自带的分析软件，采用切线法分别求取液滴的左、右接触角，如图7 所示，以左右接触角的平均值作为水与该试件的接触角度，结果如表2 所示。

图7 接触角图像

测量过程中，生态袋1 具有极强的透水性，无法在其表面形成水滴，因此未测得其与水滴的接触角度。从表2可以看出，三种生态袋与水滴的接触角度均小于90°，而两类土工袋与水滴的接触角均大于90，即水无法浸润其表面。因此，土工袋在使用过程中，袋中积水无法对袋体进行浸润，从而难以渗透出袋体，会在袋体和护坡内部形成积水，并产生水压力。当水压力增大至一定程度后，将会使堆砌的护坡失稳垮塌。在三种生态袋中，生态袋1 具有最好的透水性能，生态袋2 次之。

表2 各试件与水的接触角测试结果

4.2 恒水头渗透性

为更直接评价水对生态袋袋体的渗透性，参照土工织物的相关标准，水对土工织物的渗透性可采用垂直渗透系数、透水率等参数进行表征[10-11]。其中，垂直渗透系数可定义为在单位水力梯度下垂直于土工织物平面流动的水的流速，透水率可定义为垂直于土工织物平面流动的水，在水位差等于1 时的渗透流速。本文采用《公路工程土工合成材料试验规程》T 1141-2006 垂直渗透性能试验（恒水头法）对5 种试件的恒水头渗透性能进行了测试，并计算了透水率。结果如表3 所示。从表3 的实验结果可以看出：生态袋的透水率显著大于土工袋，且生态袋1 的渗透系数和透水率均显著高于其他四种试件，生态袋2 的透水率略高于生态袋3，这与2.1 节的试验结果一致。