經(jīng)編技術(shù)在高強(qiáng)度、耐環(huán)境土工布中的應(yīng)用

姜亞明+閆靜靜+齊業(yè)雄+葉華亦+項(xiàng)赫+田慧

摘要：本文著重介紹了經(jīng)編軸向織物、經(jīng)編間隔織物和經(jīng)編/非織造復(fù)合織物等 3 類土工布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能特點(diǎn)和相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，詳細(xì)介紹了經(jīng)編技術(shù)在高強(qiáng)度、耐環(huán)境土工布中的應(yīng)用優(yōu)勢。為經(jīng)編技術(shù)在高強(qiáng)度、耐環(huán)境土工布中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：經(jīng)編軸向織物；經(jīng)編間隔織物；經(jīng)編/非織造復(fù)合土工織物；高強(qiáng)度；耐環(huán)境

中圖分類號：TS181.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

The Application of Warp-knitting Technology in High-strength and Environment-resistant Geotextiles

Abstract： This paper mainly introduces the structures，properties and applications of axial warp-knitted fabrics， warp-knitted spacer fabrics and warp-knitted/nonwoven compound fabrics. The huge advantages of warp knitting technology in the production of high-strength and environment-resistant geotextiles are introduced in details. It can provide guidance for the application of warp knitting technology in the field of high-strength and environment-resistant geotextiles.

Key words： axial warp-knitted fabric； warp-knitted spacer fabric； warp-knitted/nonwoven compound fabric； high strength； environment resistance

經(jīng)編技術(shù)作為針織工藝技術(shù)中的一個(gè)重要分支，其產(chǎn)品以高附加值、設(shè)計(jì)多樣性和應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等眾多優(yōu)勢，正迅速向高檔服裝面料、高附加值家紡面料和產(chǎn)業(yè)用增強(qiáng)骨架材料等領(lǐng)域擴(kuò)展。近20年來，隨著經(jīng)編技術(shù)水平的提高以及經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣化，高強(qiáng)度、高模量、耐高低溫、耐腐蝕和抗老化等高性能紗線應(yīng)用到經(jīng)編土工布中，使其力學(xué)性能和耐環(huán)境性能大大提高，從而受到業(yè)界越來越多的關(guān)注。

經(jīng)編土工布的功能多種多樣，由于結(jié)構(gòu)中高性能紗線呈現(xiàn)平行順直排列狀態(tài)，紗線的潛能能夠充分發(fā)揮出來，使其擁有非常高的強(qiáng)度。同時(shí)，由于高性能紗線具有防腐、抗老化等特殊的功能，從而使其具有抵抗惡劣環(huán)境的優(yōu)勢，具有高強(qiáng)度、耐環(huán)境等特性的經(jīng)編土工布在排水、過濾、隔離和增強(qiáng)等方面的功能尤為突出。

目前，經(jīng)編土工布主要有經(jīng)編軸向織物土工布、雙層經(jīng)編土工布、經(jīng)編和非織造復(fù)合土工布等 3 類。本文將著重介紹這 3 類土工布的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，闡述經(jīng)編技術(shù)在高強(qiáng)度、耐環(huán)境土工布中的應(yīng)用情況，揭示經(jīng)編技術(shù)在高強(qiáng)度、耐環(huán)境土工布方面應(yīng)用的優(yōu)勢，期望為經(jīng)編技術(shù)在高強(qiáng)度、耐環(huán)境土工布中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 經(jīng)編土工布概述

經(jīng)編土工布是一種具有高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性強(qiáng)的土工材料。它以人工合成的聚合物，包括塑料、化纖、合成橡膠等為原料，制成不同類型、不同功能的產(chǎn)品，置于土體、建筑等內(nèi)部、表面，發(fā)揮其加強(qiáng)和保護(hù)作用。經(jīng)編土工布的應(yīng)用歷史晚于其他土工材料將近20年，然而其用量及應(yīng)用領(lǐng)域卻得到了迅速發(fā)展。

1.1 經(jīng)編軸向織物

通過具有襯經(jīng)、襯緯功能的特殊經(jīng)編機(jī)織造的經(jīng)編軸向織物是一種新型的定向結(jié)構(gòu)織物，目前卡爾邁耶和利巴公司的多軸向經(jīng)編機(jī)是世界上使用最多和最廣的多軸向經(jīng)編設(shè)備。經(jīng)編軸向織物襯紗紗線的方向多種多樣，既可以按經(jīng)紗方向和緯紗方向襯入，同時(shí)也能以幾乎任意角度的斜向襯入。經(jīng)編軸向織物除了在面內(nèi)具有優(yōu)異的力學(xué)性能外，在厚度方向的力學(xué)性能也得到了明顯增強(qiáng)，而且它也擁有優(yōu)于傳統(tǒng)增強(qiáng)織物的抗撕裂性，這要?dú)w功于襯紗完全伸直排列并由捆綁紗綁縛在一起的捆綁紗結(jié)構(gòu)。經(jīng)編軸向織物包括單軸向、雙軸向、多軸向、格柵等組織結(jié)構(gòu)，圖 1 為最常見的雙軸向及多軸向經(jīng)編織物，其綁縛紗線的基本組織可以是經(jīng)平、編鏈等。這種織造技術(shù)具有許多優(yōu)良的特點(diǎn)，例如生產(chǎn)率高、織物強(qiáng)度利用率高、模量高、原料適應(yīng)性廣泛、織物特性可設(shè)計(jì)等。

與傳統(tǒng)的機(jī)織物相比，經(jīng)編軸向織物的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）高強(qiáng)度。保持高強(qiáng)度是骨架增強(qiáng)材料最基本的要素之一，經(jīng)編雙軸向織物中的紗線處于完全伸直狀態(tài)，能夠充分發(fā)揮襯紗高強(qiáng)高模的特性，而在機(jī)織物中，由于經(jīng)緯向紗線彼此交織，紗線呈屈曲狀態(tài)，從而不能充分發(fā)揮高性能紗線的性能。圖 2 為 2 種織物中紗線的受力分析圖。當(dāng)機(jī)織物受到拉伸作用時(shí)，在紗線的彎曲部分，拉伸力可以被分解為拉伸方向與垂直于拉伸方向的兩個(gè)分力。垂直方向的分力起到了推開與之垂直的紗線的作用，從而紗線的強(qiáng)力利用系數(shù)降低，織物整體強(qiáng)力下降。另外，紗線的預(yù)先屈曲也使織物的斷裂伸長率變大。而對于經(jīng)編軸向織物中的襯紗，紗線處于完全伸直狀態(tài)，拉伸力只有沿紗線軸向的作用力，從而使紗線的性能利用率增大。

（2）抗撕裂。提高織物的抗撕裂性具有非常重要的意義。在加工一般經(jīng)編雙軸向織物的過程中，紗線常常會被尖銳硬物撕裂而依次斷裂。而經(jīng)編軸向織物的紗線配置分布于不同平面內(nèi)，當(dāng)經(jīng)編軸向織物沿某一方向拉伸時(shí)，另一方向的紗線不會受剪切而斷裂，而是在捆綁紗的作用下形成防止裂口增大的“格柵”，從而形成了經(jīng)編軸向織物優(yōu)越的抗撕裂性能。

（3）耐久性。考慮土木工程中應(yīng)用材料的使用周期問題，材料的耐久性能將是必不可少的性能之一。通過對經(jīng)編軸向織物的蠕變松弛性能的研究發(fā)現(xiàn)，其蠕變性能受織物結(jié)構(gòu)類型的影響。其中最主要的一個(gè)影響因素是織物中紗線的伸直狀況，即織物的蠕變性隨紗線的屈曲變小而變小，從而使經(jīng)編軸向織物具有更好的耐久性能。

（4）耐環(huán)境性能。由于經(jīng)編軸向織物襯紗原料的適應(yīng)性廣，例如碳纖維、玻璃纖維等高性能、抗腐蝕纖維。使用高性能纖維作為襯紗不僅能夠增加材料的強(qiáng)度，也使材料在抵抗外部惡劣環(huán)境方面具有巨大的優(yōu)勢。

1.2 經(jīng)編間隔織物

經(jīng)編間隔織物一般是在雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)上生產(chǎn)的，通過間隔紗系統(tǒng)將上下表層的織物連接起來形成具有三維結(jié)構(gòu)的整體織物（圖 3）。間隔系統(tǒng)通常使用合成纖維貫穿于兩個(gè)表層織物之間形成間隔層，使織物具有較大的空間，這也是間隔織物最大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。經(jīng)編間隔織物特殊的空間結(jié)構(gòu)同樣賦予了其許多特殊的性能，從而能夠應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。尤其作為土工材料應(yīng)用，在過濾和排水領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

經(jīng)編間隔織物由于特殊的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都是靈活多變的，主要的性能優(yōu)勢如下。

（1）抗壓性。經(jīng)編間隔織物在厚度方向上起主要作用的是間隔系統(tǒng)。當(dāng)間隔絲受到厚度方向的壓縮載荷時(shí)，壓頭處的間隔絲發(fā)生彎曲，使載荷向四周傳遞，從而將壓力分散到一個(gè)較大的半徑范圍內(nèi)，從而使織物局部承受的壓縮載荷變小。因此，該織物在厚度方向上具有較大的抗壓彈性。

（2）透氣、導(dǎo)濕性。經(jīng)編間隔織物上下兩層的結(jié)構(gòu)通常是較輕薄、稀松的網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，透氣性很好，透氣量一般都在1 578 ～ 2 328 mm3/（mm2？s）的范圍內(nèi)；而表面致密、間隔絲的克重大的織物其透氣量也在420 ～ 1 360 mm3/（mm2？s）范圍內(nèi)。除此之外，由于間隔絲的毛細(xì)效應(yīng)將液體傳遞到織物的另一表面，并散發(fā)到周圍的空氣中，因此織物也具有良好的吸濕、導(dǎo)濕功能。

（3）結(jié)構(gòu)整體性和可成型性。傳統(tǒng)的發(fā)泡和粘合層合織物生產(chǎn)過程會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而間隔織物則無需復(fù)合和化學(xué)粘合，可整體成型，從而大量節(jié)省生產(chǎn)成本和減少環(huán)境污染。此外，經(jīng)編間隔織物的上下 2 個(gè)表層通過間隔系統(tǒng)連接在一起，分層被抑制，具有良好的結(jié)構(gòu)整體性。

1.3 經(jīng)編/非織造復(fù)合織物

目前，德國利巴公司生產(chǎn)的多軸向經(jīng)編機(jī)可綜合非織造纖維網(wǎng)的制造特點(diǎn)和雙軸向或多軸向經(jīng)編織物制造特點(diǎn)生產(chǎn)經(jīng)編/非織造復(fù)合織物（圖 4）。非織造土工布雖然應(yīng)用很廣泛，但其強(qiáng)度、耐久性及尺寸穩(wěn)定性相對較差。采用具有高強(qiáng)度、織物尺寸穩(wěn)定性好的經(jīng)編軸向織物與其復(fù)合，可以在很大程度上提高非織造布的強(qiáng)度和模量，同時(shí)復(fù)合后的織物能夠充分發(fā)揮 2 種織物結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

在編織過程中同時(shí)喂入非織造布，帶尖頭的復(fù)合針可以將其穿透。有研究顯示，以碳纖維為襯經(jīng)紗系統(tǒng)、復(fù)合輕質(zhì)玻璃纖維非織造布的經(jīng)編單軸向復(fù)合織物可利用襯紗90%以上的強(qiáng)度，而相同條件下的平紋機(jī)織物強(qiáng)度利用率只有70%左右。輕質(zhì)的玻璃纖維非織造布主要起兩個(gè)作用，一個(gè)是用來保護(hù)襯經(jīng)紗，因?yàn)樵谑褂眠^程中碳纖維襯經(jīng)紗容易受到磨損，使強(qiáng)力減??；另一個(gè)作用是增加織物與混凝土的接觸面積，使界面強(qiáng)度得到提高。經(jīng)平捆綁系統(tǒng)通過把襯紗和非織造布捆綁到一起，達(dá)到增強(qiáng)效果。復(fù)合土工織物擁有良好的機(jī)械強(qiáng)度、滲透性、尺寸穩(wěn)定性且對外界傳來的壓力有很好的吸收作用。圖 5 為TenCate公司生產(chǎn)的軸向經(jīng)編/非織造布復(fù)合土工布。

2 經(jīng)編土工布的應(yīng)用

2.1 在水泥管道上的應(yīng)用

以經(jīng)編軸向織物為增強(qiáng)體的高性能水泥管道由于高性能增強(qiáng)材料的加入，管材質(zhì)量明顯減輕。在相同內(nèi)徑、相同承載能力的水泥混凝土管技術(shù)要求下，經(jīng)編軸向織物增強(qiáng)高性能水泥管道的管壁明顯變薄。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維增強(qiáng)水泥的厚度僅為鋼筋增強(qiáng)水泥厚底的1/4時(shí)，即可抵抗與鋼筋增強(qiáng)水泥相同的外部載荷（圖6）。經(jīng)編軸向織物增強(qiáng)的水泥管同時(shí)具有良好的承載能力、抗裂性能，提升了管道的抗?jié)B性和耐久性，為排水工程提供新型優(yōu)質(zhì)管材。據(jù)相關(guān)報(bào)道，該類型的管道2016年開始建設(shè)城市地下綜合管廊2 000 km以上。因此，經(jīng)編軸向織物增強(qiáng)高性能水泥管道在國家正在實(shí)施建設(shè)的“海綿城市”、“地下城”、“地下綜合管廊”等建設(shè)中將起到至關(guān)重要的作用。

2.2 在道路建設(shè)中的應(yīng)用

土工格柵作為經(jīng)編軸向織物的一種結(jié)構(gòu)形式，在織物的經(jīng)向和緯向以空穿的形式同時(shí)襯入高性能紗線，襯經(jīng)紗和襯緯紗之間沒有交織，能夠形成彼此相互平行的 2個(gè)紗片層。影響公路和鐵路的使用壽命的關(guān)鍵因素包括如環(huán)境因素、路基條件、公路變寬和老化等，土工格柵作為一種常用的土工建筑材料，具有拉伸強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐腐蝕抗老化等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于公路路基增強(qiáng)、鐵路路基增強(qiáng)等路基加固領(lǐng)域。而且，經(jīng)編土工織物在新公路建設(shè)和舊公路修復(fù)上都起到了至關(guān)重要的作用（表 1）。

2.3 在堤壩建設(shè)及防護(hù)中的應(yīng)用

復(fù)合土工布具有優(yōu)良的過濾和隔離功能，鋪在防護(hù)堤的泥土層和碎石之間，可防止土層與碎石混雜，保持土層受到相對較小的壓力，保護(hù)堤岸不被水流沖蝕（圖 7（a））。另外，還可利用土工材料制作形成土工袋，將泥沙裝在土工袋中形成柔韌的、抗侵蝕的重量較大的整體放置在河堤或者河道內(nèi)，起到固定河堤和防護(hù)的作用（圖 7（b））。

利用經(jīng)編/非織造復(fù)合織物可形成的尺寸較大的土工管類，直徑可達(dá)到甚至超過0.6 m，長度可達(dá)10 m以上。將泥沙填充到管中可用作海洋中的防波堤，用來防護(hù)海岸線及海床。由于經(jīng)編土工布的特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及對原料的適應(yīng)性廣等優(yōu)勢，使其在高強(qiáng)度、耐環(huán)境中的作用不可忽視。經(jīng)編/非織造復(fù)合土工布在河堤及海洋中的應(yīng)用總結(jié)見表 2。

3 結(jié)語

經(jīng)編土工布由于具有良好的力學(xué)性能、抗撕裂性能和耐久性等優(yōu)勢，從而得到了國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。近些年來，經(jīng)編土工織物也在各種基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。通過對經(jīng)編土工織物以及經(jīng)編復(fù)合土工織物的特性及應(yīng)用進(jìn)行分析，可以看出經(jīng)編技術(shù)在高強(qiáng)度、耐環(huán)境土工布中的應(yīng)用很有前景，得到了國內(nèi)外許多公司的青睞。但是其在我國的起步較晚，雖然目前已經(jīng)取得了一定的成績，但在產(chǎn)品的質(zhì)量、種類、數(shù)量以及應(yīng)用的深度和廣度等都方面與發(fā)達(dá)國家仍有較大的差距。并且在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、施工標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測方面仍不完善；生產(chǎn)者與使用者之間的交流也不夠充分。針對以上幾點(diǎn)，我們應(yīng)健全有關(guān)政策和制度，加強(qiáng)各領(lǐng)域工作者間的交流，進(jìn)行更加深入的研究。因此，經(jīng)編技術(shù)在高強(qiáng)度、耐環(huán)境土工布中的應(yīng)用仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

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