土工合成材料 第2版 第2章 土工合成材料的制造

第2章 土工合成材料的制造第一节

概

述土工合成材料的主要产品有土工织物、土工膜、土工格栅、土工格室、土工网、土工复合材料（如塑料排水带）等。土工织物是用合成纤维按照不同的生产方法制造的，其中经过经纬机织生产的产品称为有纺织物（又称纺织物）；而把纤维网经机械加固或热黏合或化学黏合的方法而生产的产品称为无纺织物（又称非织造布）。土工合成材料是由聚合物材料的颗粒（切片）经过熔融、喷丝、拉丝、压延、吹塑、拉伸等生产过程形成不同形状的产品，如丝、片、膜、网等，或再经过一定的加工工艺制成的具有不同用途的合成材料产品。第二节合成纤维一、合成纤维简介合成纤维是以煤、天然气、石油等作原料，经过提炼出可供合成的有机物质，再通过化学方法合成为高分子化合物（聚合物），最后经过熔融或溶解成为黏稠纺丝液，在一定压力下由喷丝头喷丝，并经加工而制成的各种纤维。纤维（丝）是合成材料的最主要形式之一，是一种长度与截面直径之比大于1000，富于柔曲性，具有一定强度的材料。由于纤维截面形状的差异和不均匀性，习惯上用纤维的线密度(纤度)表示纤维的粗细程度，即用单位长度的质量作为单位。在纤维及纺织术语中采用下列专用的线密度单位：1、特克斯(tex)，1tex代表1000m长纤维的质量为1g；2、旦尼尔(denier)或旦(den)，1den代表9000m长纤维的质量为1g；其中tex单位是我国的法定计量单位。二、几种主要合成纤维的化学成分和特性目前大规模生产的合成纤维达30～40种之多，主要有锦纶(尼龙)、涤纶(聚酯)、丙纶(聚丙烯)，乙纶（聚乙烯）等。1.锦纶(polyamide，PA)锦纶的化学成分是聚酰胺，它是由石油的衍生物氨基酸(HOOC一(CH2)4一HOOC)与内酰胺(H2N一(CH2)6一NH2)聚合生成。主要有尼龙6和尼龙66，占聚酰胺产品的80％。其显著特点是强度高(比钢丝绳强度大)、质轻(比棉花轻35％)、耐磨，耐腐蚀、不怕虫蛀等。它的缺点是拉伸模量较低，尺寸稳定性差，加荷后会产生蠕变，且价格较高。锦纶常用于混凝土、水泥砂浆的模袋布(fabriformmat)，又称“法布”。2.涤纶(polyester，PET)它的化学成分是聚酯，由石油的衍生物乙二醇(HOCH2一CH2OH)与对苯二甲酸酯聚合而成。其特点是干湿强度均高，初始模量高，变形恢复能力好，耐冲击性能好（比锦纶高4倍），耐磨性好(仅次于锦纶)，而抗皱性、保形性为其它纤维所不及，因原料价格比尼龙低廉，其产量远超过尼龙，占合成纤维第一位。缺点是吸湿、透气性、染色性差，不耐暴晒。3.丙纶(polypropylene,PP)丙纶的化学成分是聚丙烯，由丙烯分子(C3H6)在催化剂作用下聚合反应生成。丙纶是后起之秀，质轻、强度高，比涤纶轻得多，能浮于水面，强度不比锦纶逊色，它的另一显著特点是熔点低，也常用作纤维型热粘合剂。缺点是吸湿性差，蠕变现象明显，防老化性能（耐晒性）差，常在制颗粒时加入添加剂（如抗氧剂和光稳定剂等）或防老化母料，以提高防老化的能力。4.乙纶(polyethylene，PE)乙纶的化学成分是乙烯(C2H4)聚合而成。根据聚合反应时不同的压力、温度和催化剂，可以分别生成：低密度聚乙烯(LDPE)；线性低密度聚乙烯(LLDPE)；高密度聚乙烯(HDPE)，其中相对密度（比重）：0.90-0.96，断裂强度400～760

MPa，回潮率为0。具有较好的化学稳定性，其强度、韧性更好，也常用于制作丝和条带(扁丝)，生产土工织物和土工格栅。图2-1四种典型纱线的载荷-伸长曲线合成纤维经过黏合或搓捻形成纱线，纱线的拉伸特性与温度、拉伸速率有关，一般情况下，强度随温度升高而下降，随拉伸速率加快而提高。图2-1表示四种典型纱线在20℃、拉伸速率为每

分钟10％条件下的荷载-伸长曲线。三、合成纤维的生产过程合成纤维的生产方法有熔融法、干法和湿法三种。从聚合物到纤维的形成过程可用图2-2表示。图2-2合成纤维的成形过程熔融纺丝的生产过程如图2-3所示。干燥的聚合物颗粒存于储罐1内，带有加热器的螺杆挤出机2由电动机3驱动，熔融的聚合物加压后经多个支管，通过计量泵4供给各喷丝头5，形成的丝经上油装置6、导丝轴7，由卷绕装置8卷绕。熔融丝从喷丝头形成后也可直接或切短后铺成絮垫，以便制造无纺织物。图2-3熔融纺丝工艺过程薄膜切割扁丝平膜法的生产过程如图2-4所示。聚合物（聚丙烯、聚乙烯）原料被烘干后加入料斗，在

料筒的螺杆槽中被熔融，加压推向机头形成黏流态膜

片1，然后进入水箱进行冷却定型，并通过切割而成为一定宽度的薄膜2。这种条带是扁平的（扁丝），在拉伸牵引力的作用下，进行单轴向拉伸3，并经过热定型4，最后再进行单轴向拉伸5，达到工艺设计的线密度、强度和伸长率等。另外，可以在拉伸后经过纤维化处

理，裂开成网状结构（裂膜丝）。最后卷绕在纱管上6。扁丝生产过程中的废丝被集中到废丝集箱7中，并回收利用。图2-4典型平膜法扁丝机组第三节土工织物一、有纺织物的生产过程及性能有纺织物至少由两组平行的纱线(或扁丝)组成，一组沿织机的纵向(织物行进的方向)称经纱(warp)；另一组横向布置称为纬纱(weft)。纺织物的制作过程如图2-5所示。有纺织物性能的要求可查阅国家标准GB/T17640-2008《土工合成材料长丝机织土工布》。图2-5有纺织物的生产过程二、无纺织物的生产过程及性能无纺织物按纤维长短分类为：短纤无纺织物；长丝无纺织物。无纺织物生产过程包括纤维成网前的开松与混合；纤维网（絮垫）的形成；纤维网的加固，以及织物的后整理。1、开松与混合；2、纤维成网；3、纤维网的加固，可分为机械加固(针刺法，如图

2-6b所示)、化学黏合和热黏合；4、织物的后整理。规格、柔软、外观。图2-6针刺无纺织物生产过程a)针刺的形状 b)加固的过程无纺织物性能的要求可查阅GB/T17639-2008《土工合成材料长丝纺黏针刺非织造土工布》。三、土工织物的连接土工织物的幅宽一般在6m以下（圆织机生产的扁丝编织土工布可达幅宽12m），工程应用时，连接是必须的。一种方法是在织物生产厂进行预连接，该法质量好；另一种方法是在工地现场连接，后者实际上是不可避免的。连接缝往往是土工织物的薄弱环节，设计时应尽量使其处在受力较小的位置，或将接缝的垂直方向避开主拉力的方向。连接的方法有下面几种：1、

搭接

2、

缝接

3、黏接

4、扎接1.搭接该法经常使用，特别适合铺设于水下部位的织物。织物间的搭接量由结构的要求和铺设的误差而定。水上部分可采用较小的搭接量，如25-30cm，并可用塑

料扣或U形钉进一步减小搭接量；水下部位应加大搭

接量，如50cm或更大。2.缝接缝接是一种线的构造单元，将线以一定间隔反复穿过织物的接头。接头的方式有a)肘接、b)帽接、c)蝴蝶接、d)叠接等（图2-7）。图2-7织物的缝接接头强度与针脚间距和缝线的强度有关，肘接可达织物强度的25％一75％，叠接用于工厂预制的接头，一般可达90％的织物强度，且持砂性能较好。而蝴蝶接与帽接多用于无布边的织物，它们分别是肘接和叠接的变形型式。缝线的缝接形式主要有两种，一种是a)锁缝，常用于工厂预制的接头；另一种是b)链缝，多用于工地现场的接头（图2-8）。图2-8

缝线的缝接形式3.粘接土工织物的接头可用黏合剂黏接。常用的有机黏合剂如图2-9所示。图2-10织物的扎接图2-9常用的有机黏合剂4.扎接每块织物卷边缝合，并插入承力的硬轴，然后用钢丝或塑料环将卷边连同硬轴捆扎在一起，参见图2-10。该法常用于承受拉力的接头。第四节土工膜和复合土工膜一、土工膜的生产过程及性能土工膜按生产工艺分类为：吹塑法（又称管膜法）、压延法、挤压法、层压法。其中吹塑法还可分为：上吹法、平吹法、下吹法。1、吹塑法上吹法生产过程如图2-11所示。干燥的聚合物颗粒存于料斗2内，带有加热器的螺杆挤出机1将熔融的聚合物向前挤压，经过机头3，通过模口挤出熔融状态的管坯，经吹胀后的管膜通过风环6外冷却和内冷却，经过人字板

4，使整个管膜冷却定型，再通过牵引棍5牵引，经过剖开，展平，最后被收卷机7收成整卷的土工膜。图2-11上吹法土工膜的生产过程目前上吹法可以生产出幅宽达8

m，厚度达3

mm的聚乙烯土工膜。图2-12四辊压延机辊筒的排列方式a)I型b)L型c)正Z型d)倒Z型2、压延法压延法土工膜可定义为：将加热塑化的热塑性塑料通过两个以上的相向旋转的辊筒间隙，以得到规定尺寸薄膜。常用的四辊压延机，可分为I型、L型、正Z型和倒Z型四种，如图2-12所示。3、挤压法挤压法（又称平膜挤出法）是将聚合物经挤出机熔融塑化，从机头狭窄的模口挤出熔融的片坯，经辊筒压光冷却，牵引，切边，然后卷取成土工膜。挤压法在聚合物原料选用上比吹塑法有更大的自由，能生产比压延法更宽和更厚的土工膜。4、层压法层压法土工膜（板）可定义为：将已压延成型的聚合物（主要是聚氯乙烯、聚丙烯）薄片置于层压机中，经加热加压，并在压力下冷却定型而制成的膜（板）。土工膜性能的要求可查阅GB/T17643-2011《土工合成材料聚乙烯土工膜》。二、复合土工膜生产过程及性能1、复合土工膜的定义复合土工膜可定义为：以织物为基材，以聚乙烯、聚氯乙烯等土工膜为膜材，经流延、压延、涂刮、辊压等复合而成的复合土工膜。2、复合土工膜的分类按布基材可分为：短纤针刺无纺织物、长丝纺黏针刺无纺织物、长丝有纺织物、扁丝有纺织物等；按膜材可分为：聚乙烯（PE）膜、聚氯乙烯（PVC）膜、氯化聚乙烯（CPE）膜等；按结构可分为：一布一膜、二布一膜、一布二膜、多布多膜等。3、复合土工膜的制造方法复合土工膜制造方法主要有：流延、压延、涂刮、辊压四种复合方法。其中，流延（挤出流延复合）、压延（挤出压延复合）两种方法技术先进、生产效率高、产品质量好。4、复合土工膜的性能复合土工膜主要用于防渗，同时具有较高的强度和摩擦系数。复合土工膜性能可查阅GB/T17642-2008《土工合成材料非织造布复合土工膜》。三、复合土工膜的连接复合土工膜的连接包括织物和织物的连接（见2.3节），膜和膜的连接（主要有黏接和焊接两种），土工膜与周围岩土及混凝土的连接，见第5.4节。第五节土工网和土工复合排水网、其他土工复合排水材料一、土工网和土工复合排水网土工网(geonet)是一种大网格的二维结构，主要用于和上下两面的无纺织物滤层（或一面无纺织物、另一面土工膜）构成复合排水体。因此，土工网和土工复合排水网是不可分开的同一材料。土工网是以聚合物为主要原料，采用挤出工艺，经特制的旋转机头一步制成的非编织型整体化平面网状结构。1.排水土工网的结构排水土工网是由两组或三组筋条以一定的角度交叉而形成的网状结构，具有排水道槽和通道。其中三组筋条排水网结构如文前彩图7所示。三组交错的肋条中，中间的直肋条刚性很大，形成矩形排水通道。应用于土中排水时，不会因压力使通道面积显著减小或使无纺织物显著侵入通道。2.土工网的性能土工网性能可查阅GB/T19470-2004《土工合成材料塑料土工网》。文前彩图7二、其他土工复合排水材料其他土工复合排水材料主要有塑料排水带、穿孔波

纹管、弹簧软式透水管和塑料盲沟四种不同结构的产品。这些材料正逐步取代以碎石外包无纺织物渗排结构。可用于排水的土工合成材料有土工织物、土工网和土工复合排水材料。然而它们的排水能力是不同的。虽然土工织物的渗透系数很大，是一种优良的透水材料，但作为排水材料，渗流是沿着土工织物平面在其内部进行的，由于土工织物的厚度不大，且受压后变薄，故其导水率在三者中是最小的，如果要求的导水率和上覆压力较大，应优先选用土工网和土工复合排水材料。第六节土工格栅和土工网垫一、土工格栅土工格栅（geogrid）是整体由抗拉材料联结构成的、呈规则孔状的一种平面聚合物结构体，可以是挤压拉伸、粘合或编织而成。首先生产的是塑料土工格栅，如图1-1所示。本书只介绍塑料土工格栅。图1-1(a)单向格栅

(b)

双向格栅塑料土工格栅制造方法塑料土工格栅制造方法主要有两种，一种是聚合物（聚丙烯或高密度乙烯）经挤出成板材，在板材上进行有规则地冲孔，然后对孔板进行加热、拉伸（单向或先单向后双向）。另一种方法是聚合物（聚丙烯或高密度聚乙烯）直接挤出成型网板，经加热进行拉伸。拉伸过程使原来随机方向分布的团状分子链沿拉伸方向重新定向排列，呈直线状态。从而，使土工格栅的拉伸强度大大增加，拉伸应变和蠕变应变均明显降低，显著提高了材料的力学性能。塑料土工格栅性能塑料土工格栅性能的要求可查阅GB/T17689-2008《土工合成材料塑料土工格栅》。二、土工网垫土工网垫（geomat）是一种三维结构，又称为塑料三维土工网垫（参见文前彩图8），它是控制水土流失的坡面防护土工合成材料。塑料三维土工网可定义为：底面为双向拉伸平面网，表面为非拉伸挤出网，经点焊复合，热收