耐老化增糙高性能防汛土工袋研制及试验

2022-09-28陈擎宇武闻天曹驰宇

江苏水利 2022年9期

陈擎宇，武闻天，曹驰宇

（1.江苏省水利防汛物资储备中心，江苏南京 210029；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京 210000）

1 概述

20世纪90年代中期以来，抗洪抢险中大量使用土工合成材料防汛物资，其中编织袋应用广泛［1-3］，其可用于临时加高堤顶防止漫溢，加固堤脚及堤坡防止侵蚀和滑坡，构筑反滤围井缓解管涌险情等［4］。绝大部分抢险编织袋用白色聚丙烯裂膜丝制成，抗冲击性能不高，抢险工程中易破损，其耐老化性能也不高，尤其南方地区汛期较长，抢险编织袋暴露使用时间长，影响后期使用效果。若使用一般长丝机织物制成的土工袋，抗冲击和耐老化性能均有提高，但其界面摩擦系数较低，往往需要较缓坡度得以维持稳定。所以，研发既有较高抗冲击及耐老化性能又具有较高界面摩擦性能的土工袋，对长汛期抢险工程的安全具有较大的社会和经济效益。

2 高性能抢险土工袋研制

所谓高性能抢险土工袋是指具有较高抗拉及抗冲击强度、较高摩擦系数与较高耐老化性能的抢险土工袋。

2.1 抢险土工袋的材质及特性

从袋体强度与耐老化性能综合考虑，材质选择聚酯（PET）型为长丝纤维。聚酯（PET）即聚对苯二甲酸乙二酯，比重为1.38，熔点255℃～260℃，吸湿度很低，仅为0.4%。聚酯长丝的断裂强度为4.5～5.5 g/d，长丝的断裂伸长率为15%～25%；高强低伸型纤维强度可达7～8 g/d，伸长率为7.5%～12.5%。聚酯长丝强度高，伸长率低，具有良好的尺寸稳定性，耐日光，耐摩擦，不霉不蛀，有较好的耐化学性能。

纤维级PET切片通常分为超有光型、有光型、半消光型及全消光型（表1），在本研发项目中，对材料的强度要求较高，釆用有光型作为生产原料。

表1 聚酯切片类型及主要特征

2.2 抢险土工袋制造工艺

2.2.1 高强低伸工艺

普通纺PET长丝强度为4.5 g/d左右，伸长率为25%左右，难以满足本研制项目的材料力学指标要求。为获得高拉伸强度及低变形率，釆用纺牵一步法工艺进行生产，以期获得高强低伸型长丝纤维，其黏度由0.65 dL/g增加到0.75 dL/g左右，所制得的长丝纤维强度为6.7 g/d左右，伸长率为14%。强度上升48%，伸长率下降44%，满足了本研制产品对材料的要求。

2.2.2 提升耐老化性能工艺

虽然聚酯的耐老化性能远高于聚丙烯，但聚酯在加工、存储、使用过程中，受外界（光、水、热）条件影响，会发生分子链降解，导致性能产生不可逆转的衰减。本研制项目为提升耐老化工艺，舍弃能耗高、效率低、污染重的后整理法，采用纺丝获得法，即在纺丝过程中按比例添加抗老化剂，使得长丝纤维本身具有优良的抗老化性能，主要涉及抗老化剂的选择、添加比例、具体生产工艺的调整优化。

采用纳米级硅灰石系聚酯纤维专用抗老化剂，使用特殊的母粒注射设备按0.8%左右添加。纳米级材料分散性优良，易形成晶核，纤维结晶度增加，抗拉强度、冲击强度上升，其有效成分为紫外线吸收剂，可大量吸收紫外线。热稳定性好，在加工过程中不会因为高温而发生变化，由于紫外线吸收剂均匀分布于纤维之中，不会因为露天雨水冲刷而衰减。

经过半年多生产调整与选择，最终确定采用含有光稳定剂、抗氧剂及紫外线吸收剂的复合抗老化剂，不仅完全满足生产工艺的要求，而且与普通土工袋布比较，性能大幅度提高，具有明显的技术优势。经成品检测，耐老化性能满足本研制项目的要求。

2.2.3 增糙织造及缝制工艺

一方面，保证足够的经纬向密度，使袋体具有透水持土的性能；另一方面，布料组织采用2.5 cm×2.5 cm平纹加筋格，确保每个方向均能增加同等的摩擦系数，并采用特制吸水膨胀线和凹凸点增糙技术，进一步提高袋体的摩擦系数，增加抢险工程的安全性和经济性。所谓凹凸点增糙技术，是对织物进行后整理加工，采用热扎定型工艺，在保证材料力学指标不受到影响的前提下，釆用特殊轧点，施以加温、加压，使布体材料具有0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm左右的凹凸点，使摩擦系数明显提高。在生产过程中，需充分考虑温度、压力、生产速度等因素，以达到最佳增糙效果。

采用与袋体同材料的聚酯（PET）缝制线，严格要求缝制密度及松紧度，确保缝接平整、密实，确保防汛土工布袋整体的可靠性。采用与袋体同材料的聚酯（PET）织布带，材质柔软、高强度，与袋体连接可靠，位置适宜。

3 抢险土工袋的主要特征指标

3.1 主要工艺特征

高性能抢险土工袋以聚酯（PET）长丝为原料，经消除静电处理、工艺织造、固纱处理、平整定型及裁剪缝制而成。袋体材料包括聚酯（PET）布料、聚酯（PET）缝制线、聚酯（PET）扎口绳等。布料组织形式为加筋格形，布料单位面积质量为100～140 g/m2，布料抗拉强度为20～30 kN/m，布袋尺寸为85 cm×50 cm，布袋质量为0.10～0.15 kg，布袋装填荷载为15～30 kg，布袋颜色为白色、灰色等，可印图案和文字。

3.2 主要力学指标

经力学性能测试，袋布的主要力学性能指标见表2。袋体缝制强度为29 kN/m，扎口绳极限受力为480 N。

表2 主要力学性能指标

3.3 耐老化性能指标

长丝经过耐老化工艺处理后，袋布的耐老化性能明显提高，经过室内、野外暴露，自然老化试验的性能指标测试值见表3。

从表3中可见，在室内存储条件下，袋布质量无明显变化。而野外暴露使用，未经耐老化处理的袋布强度指标下降约20%，经耐老化工艺处理的袋布强度指标只下降了约10%，处理效果明显。

表3 耐老化处理前、后的性能指标

3.4 界面摩擦性能指标

一般长丝平纹结构机织布，材料表面较平整，摩擦系数较小。本研制项目采用方格加粗筋、遇水膨胀线、凹凸点增糙等工艺技术，使袋布材料摩擦系数有较大提高，表4为加糙工艺处理后与平纹结构袋布的摩擦系数值。

从表4可见，经过加粗筋、加膨胀线、加凹凸等工艺处理后，袋布的摩擦系数从0.12大幅度提升至0.41（干）、0.43（湿），很大程度增加了袋体之间、袋体与土体之间的堆砌稳定性，实际堆砌高度1 m以上的，稳定坡度可达到30°以上。

表4 平纹结构袋布与加糙措施袋布的摩擦系数

4 抢险土工袋布耐候试验

高性能土工袋研制生产后，除分别进行了袋布力学性能和界面性能的室内试验测试外，还开展了历时1年的野外耐候及室内耐候试验。

4.1 试验材料

本次试验选取当前作为防汛土工袋的3种主流袋布材料：聚丙烯（PP）编织布、聚酯（PET）无纺布、聚酯（PET）长丝机织布。聚丙烯（PP）编织基布为全新料制品，不包括回料制品；聚酯（PET）无纺布为长丝制品，不包括短纤维制品；聚酯（PET）长丝机织布为本次研制的高性能土工袋布，通过试验比较上述3种袋布材料的耐候性能。