高性能土工復合排水材料的制備及其性能

李新玥，秦文康，竇 皓

(1.西安工程大學產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西西安710048；2.西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西西安710048)

0 前言

隨著社會的發(fā)展，人們對水資源的認識逐漸加深，尤其在各種工程項目中，為了達到排水的目的，對土工復合排水材料的要求越來越嚴格。 比如在海綿城市建設工程中，要求排水材料可以達到下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，而在需要時將蓄存的水釋放并加以利用[1]。 當降水量過大時，城市綠化帶不能完全吸收所有的水量，多余的水既不能通過下水道排到河流，也不能隨意排放。 此時，土工復合排水材料可以起到重要作用，由于土壤中的水可以下滲，經(jīng)過復合土工布的過濾，純凈的水會通過排水板流入專門的蓄水池，起到合理排水并且最大程度消化吸收雨水的作用。

土工復合排水材料又可稱為塑料排水板，是由塑料排水芯材外包土工織物構(gòu)成的一種復合材料[2]。 芯板材料大部分采用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等有機聚合物制成，濾膜的主要生產(chǎn)原料則是滌綸無紡土工織物，主要作用是透水和擋土，以及防止淤堵，這種材料有良好的滲透性和耐腐蝕性，使用壽命長，幾乎可以應用在任何土壤中[3-4]。

二十世紀30 年代，W.Kjcllman 第一次在工程中使用紙板進行排水，即采用具有一定排水功能的紙板代替原來的砂井作為新的豎向排水體，但是透水性差，且不穩(wěn)定[5]。 O.Wager 用聚氯乙烯替換原來排水紙板的板芯，隨后又開發(fā)出無紡土工織物作為新的濾膜，替換原來的紙質(zhì)濾膜[6]，成功解決了穩(wěn)定性差，透水性差的問題，這一形式的土工復合排水材料得到了廣泛的使用，但是還不能與高質(zhì)量的工程相匹配。 武良金提出塑料排水板濾膜盡量使用長絲熱粘無紡布，同時改進芯板生產(chǎn)質(zhì)量可得到性能較優(yōu)的土工復合排水板[7]。 蔡曉光研究分析了分離式排水板和整體式排水板的性能，并指出了分離式排水板的缺陷[8]。 武良金、劉家豪研制出了一種新型的熱熔整體式排水板[9]，將濾膜與板芯通過熱熔粘合，形成一個整體式排水板，這種排水板較分離式排水板相比具有抗拉強度高，芯板與濾膜不會輕易發(fā)生滑移和脫落，且在土的壓力下，濾膜處于繃緊狀態(tài)，濾膜不會過多的陷入芯槽中，保障排水板的通水量[10-11]。

本實驗以滌綸和低熔點纖維為原料，采用控制變量法，生產(chǎn)出針刺復合土工布試樣。 以HDPE 和EVA 為主要原料，采用滾吸工藝生產(chǎn)出排水板。最后以較優(yōu)的土工布試樣作為濾膜，以排水板作為板芯，將兩者進行熱熔粘合，制備出土工復合排水材料。 該材料具有較高的拉伸強度及通水量，為后續(xù)土工復合排水材料的研究奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和設備

材料：滌綸(細度6D， 長度61mm)，低熔點纖維(細度1.6D，長度35 mm)。

HDPE(高密度聚乙烯，5200B，中國石油化工有限公司)、EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，HTE05-F 華特粘接材料股份有限公司)、LLDPE(線性低密度聚乙烯，7144，中國石油化工股份有限公司茂名分公司)、MLLDPE(茂金屬線型低密度聚乙烯，HPR18H10AX 大慶石化公司)。

測試儀器： BG-200A 電子天平，YG141D 數(shù)字式織物厚度儀，YT020I 型透水性測定儀，YG026D-1000 電子強力機，大榮026H 土工膜專用強力機，DR028 萬能材料試驗機，F(xiàn)Y07 排水網(wǎng)水平通水量測試儀。

1.2 針刺土工布的制備

以不同配比的滌綸和低熔點纖維為原料，利用針刺的方法，調(diào)整加工設備參數(shù)使土工布平方米克重為200g/m2、針刺密度為237 刺/cm2，最后改變熱軋工藝，制備出9 種針刺復合土工布。 熱軋過程中控制中輥、下輥溫度為170℃。

1.3 排水板的制備

以HDPE 和EVA 為主要原料，并與LLDPE、MLLDPE 等按比例混合，利用滾吸方法，生產(chǎn)出6種排水板試樣。 加工工藝流程大致為：原料選擇→混料機→上料機→螺桿擠出機→模頭→滾吸模具→牽伸輥→成卷。

1.4 土工復合排水材料的制備

將制得的復合土工布與排水板進行熱熔粘合，冷卻固化后兩者緊密粘合，最終成為整體式土工復合排水材料。

1.5 測試

平方米克重：參照GB/T 24218 《非織造布單位面積質(zhì)量的試驗方法》。

透水性：參照GB/T 15789-2005《復合土工布及其有關(guān)產(chǎn)品無負荷時垂直滲透特性的測定》。

拉伸性能：土工布測試參照FZ/T 60005-1991《非織造布斷裂強力及斷裂伸長的測定》。 排水板測試參照GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠-拉伸應力應變性能的測定》。

頂破性能：參照GB/T 14800-93《復合土工布頂破強力實驗方法》。

抗壓強度：參照GB/T 9647-2003《熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測定》。

通水量測試：參照SL/T 235-1999《土工合成材料測試規(guī)程 縱向通水量試驗》。

2 結(jié)果與討論

2.1 針刺復合土工布的性能分析

表1 為土工布的制備工藝參數(shù)及相關(guān)性能分析。 由表1 可知，9 個試樣的平方米克重均在200g/m2左右，該厚度與是否熱軋有關(guān)，雙面熱軋的試樣厚度最小，不熱軋的試樣厚度最大。

表1 復合土工布性能分析

續(xù)表

排水板濾膜通過水、氣等的功能統(tǒng)稱為滲透性，主要包括垂直和水平滲透性兩種。 本實驗主要考慮濾膜的垂直滲透性。 隨著滌綸含量的增加，試樣的垂直滲透系數(shù)減小，經(jīng)過熱軋工藝的試樣垂直滲透系數(shù)較大幅度降低。 這是由于滌綸是疏水纖維，隨著其含量的增加，所制得濾膜的透水性降低，同時熱軋工藝使纖維之間的作用力增大，纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得緊密，也使得透水性降低。

由表1 可知，土工布的橫向斷裂強力大于縱向的，隨著滌綸含量減少及熱軋進行斷裂強力逐漸增大。 參照JT/T667-2006《公路工程土工合成材料無紡土工織物》[12]，要求滌綸短纖針刺復合土工布的縱橫向拉伸強度≥3KN/m。 B1 的橫向斷裂強力為240N，C1 的為271.2N，兩者相差不大，以透水性能為優(yōu)先考慮原則，B1 作為土工布的優(yōu)先選擇。

表1 中，頂破強力隨著熱軋面數(shù)的變化而變化，熱軋的面數(shù)越多，頂破強力越大。 C 組的低熔點纖維含量最低，進行單面熱軋后，纖維網(wǎng)內(nèi)部的纏結(jié)力和粘結(jié)力趨于最大化，再對其進行雙面熱軋時，并沒有產(chǎn)生更多的粘結(jié)力，所以最終的頂破強力和單面熱軋的相差不多；不熱軋時，土工布的頂破強力主要由滌綸纖維之間纏結(jié)力提供，所以滌綸的含量越多，頂破強力越高。 當進行熱軋時，纏結(jié)力和粘結(jié)力共同作用，B2、B3 的配比使得纏結(jié)力和粘結(jié)力達到最大，其頂破強力在相同工藝下達到最大。

綜合考慮以上因素，選擇B1 作為最優(yōu)的土工布濾膜。

2.2 排水板性能分析

表2 排水板的性能分析

HDPE 是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹脂[13]，具有優(yōu)良的耐化學試劑、耐熱性、機械強度、較高的剛性和韌性，廣泛應用與于能源存儲、 生物醫(yī)學、 電介質(zhì)、 高頻應用、 負荷軸承和紡織品等[14-18]。 本實驗分別用EVA、LLDPE、MLLDPE 對其進行改性，并根據(jù)宏祥新材料股份有限公司生產(chǎn)經(jīng)驗進行排水板組分及含量設置，利用滾吸方法制備出6 種排水板，如表2 所示。 每組試樣的縱橫向斷裂強力相差不大，同時隨著厚度的增加，拉伸斷裂強力逐漸增加。

排水板試樣尺寸為10cm×10cm，有4 個凸殼，根據(jù)凸殼型排水板抗壓強度計算公式可得其抗壓強度，結(jié)果如表2 所示。 隨著排水板厚度增大，其抗壓強度顯著增加，厚度約為1.2mm 時抗壓強度最大。

如表2 所示通水量值為500KPa 壓強和水力梯度為0.5 的條件所測得的排水板的平均通水量(水力梯度i 指水頭差與有效長度(40cm)的比值)。由表2 可知，只有厚度約為1.2mm 的排水板具有通水量，其他試樣通水量為0。

綜合以上因素，選擇D3 作為最優(yōu)的排水板。

2.3 土工復合排水材料性能分析

2.3.1 拉伸性能分析

表3 拉伸性能對比

選擇B1 為土工布濾膜，D3 為排水板板芯，將兩者進行熱熔粘合而成為土工復合排水材料。 由表3 可知，土工復合排水材料的縱橫向斷裂強力顯著高于土工布濾膜及排水板各單體的斷裂強力。

2.3.2 通水量測試

圖1 土工復合排水材料的通水量測試

由圖1 可知，隨著測試壓力及水力梯度增大，土工復合排水材料的通水量逐漸降低。 當測試壓力為0KPa、水力梯度為0.1 時，土工復合排水材料的通水量最高，當測試壓力為500KPa、水力梯度為0.5 時，其通水量最低，同時復合土工排水材料的通水量均優(yōu)于兩種復合單體的。

3 結(jié)論

本文首先利用非織造針刺和熱軋工藝制備出性能較優(yōu)的土工布，并以HDPE 和EVA 為主要原料，與LLDPE、MLLDPE、HIPS 等混合，利用滾吸方法制備出排水板，最終將土工布濾膜與排水板板芯進行熱熔粘合，制備出土工復合排水材料。 土工復合排水材料拉伸強力要大于兩者復合前單體材料強力，并且具有很高的通水量。 高性能土工復合排水材料的研究與開發(fā)對工程排水問題的解決有重要意義，為土工復合排水材料的進一步研究奠定基礎(chǔ)。