(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

土工布可分為機(jī)織類、針織類(主要指經(jīng)編類產(chǎn)品)、非織造類及復(fù)合類[1]。盡管工藝類型不同，但總體上均具有一定的物理性能和水力學(xué)性能，能夠應(yīng)用于巖土工程、水利和市政建設(shè)等領(lǐng)域。本文以目前廣泛應(yīng)用的滌綸紡黏針刺土工布和滌綸短纖維針刺土工布為例，研究了兩者在拉伸斷裂強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率、梯形撕裂強(qiáng)力、CBR頂破強(qiáng)力、握持強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)上的差異[2]，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 試樣

1.1 滌綸紡黏針刺土工布

滌綸紡黏針刺土工布試樣的面密度分別為100、200、300和400 g/m2，其生產(chǎn)工藝是：

聚酯切片→結(jié)晶干燥→螺桿擠壓→熔體過(guò)濾→紡絲→側(cè)吹風(fēng)冷卻→氣流牽伸→擺絲鋪網(wǎng)→預(yù)針刺→主針刺→儲(chǔ)布→切邊成卷。

1.2 滌綸短纖維針刺土工布

滌綸短纖維針刺土工布試樣的面密度分別為100、200、300和400 g/m2，其生產(chǎn)工藝是：纖維包→混合開(kāi)松→精開(kāi)松→梳理→鋪網(wǎng)→預(yù)針刺→主針刺→修面針刺→切邊成卷。

2 性能測(cè)試

2.1 拉伸斷裂強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率

采用YT010型土工布綜合強(qiáng)力機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15788—2005方法測(cè)試。

測(cè)試條件：環(huán)境溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%；試樣尺寸200 mm×200 mm；夾持隔距100 mm，拉伸速度100 mm/min。縱橫向取樣數(shù)量分別為10個(gè)。

2.2 梯形撕裂強(qiáng)力

采用YT010型土工布綜合強(qiáng)力機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13763—2010方法測(cè)試。

測(cè)試條件：環(huán)境溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%；試樣尺寸200 mm×75 mm；夾持隔距25 mm，拉伸速度50 mm/min?？v橫向取樣數(shù)量分別為10個(gè)。

2.3 CBR頂破強(qiáng)力

采用YT010型土工布綜合強(qiáng)力機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14800—2010方法測(cè)試。

測(cè)試條件：環(huán)境溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%；試樣為Ф300 mm的圓形試樣；頂壓速度50 mm/min。取樣數(shù)量10個(gè)。

2.4 握持強(qiáng)力

采用YT010型土工布綜合強(qiáng)力機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)SL 235—2012方法測(cè)試。

測(cè)試條件：環(huán)境溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%；試樣尺寸200 mm×100 mm；夾具面鉗口尺寸為寬25 mm，長(zhǎng)50 mm；試樣長(zhǎng)邊平行于荷載作用方向，試樣計(jì)量長(zhǎng)度75 mm，在長(zhǎng)度方向上試樣兩端應(yīng)伸出夾具至少10 mm；拉伸速度300 mm/min?？v橫向取樣數(shù)量分別為10個(gè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 拉伸斷裂強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率

土工布的拉伸斷裂強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率通過(guò)寬條樣法拉伸試驗(yàn)測(cè)出，是土工布力學(xué)性能要求中最基本的一項(xiàng)指標(biāo)。滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2數(shù)據(jù)分析可知：

(1)縱橫向斷裂強(qiáng)度：滌綸紡黏針刺土工布均大于滌綸短纖維針刺土工布，數(shù)值上前者約是后者的2倍。

(2)縱向斷裂伸長(zhǎng)率：面密度低于200 g/m2時(shí)，滌綸紡黏針刺土工布>滌綸短纖維針刺土工布；面密度大于200 g/m2、小于400 g/m2時(shí)，滌綸紡黏針刺土工布<滌綸短纖維針刺土工布。

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖1 不同面密度土工布的拉伸強(qiáng)度

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖2 不同面密度土工布的斷裂伸長(zhǎng)率

(3)橫向斷裂伸長(zhǎng)率：面密度低于約150 g/m2時(shí)，滌綸紡黏針刺土工布>滌綸短纖維針刺土工布；面密度大于150 g/m2、小于400 g/m2時(shí)，滌綸紡黏針刺土工布<滌綸短纖維針刺土工布。

滌綸紡黏針刺土工布的拉伸斷裂強(qiáng)度大于滌綸短纖維針刺土工布是因?yàn)閱卫w維的強(qiáng)力起到了主要作用。滌綸紡黏針刺土工布的纖維是由管式氣流牽伸裝置牽伸而成，紡絲速度達(dá)到5 000 m/min[3]，單絲性能類似于化纖紡絲中的全拉伸絲(FDY)，因而其強(qiáng)力較高。同時(shí)，由于滌綸紡黏針刺土工布中的纖維是長(zhǎng)絲，在受到外界拉伸時(shí)，單纖維強(qiáng)力的貢獻(xiàn)較短纖維大，且相互間的纏結(jié)接觸以及摩擦力大，從而使得滌綸紡黏針刺土工布的拉伸強(qiáng)力大于短纖維針刺土工布。

在面密度較低時(shí)，滌綸紡黏針刺土工布的尺寸穩(wěn)定性較差，伸長(zhǎng)率較滌綸短纖維針刺土工布大；而面密度高時(shí)，滌綸短纖維針刺土工布的伸長(zhǎng)率比滌綸紡黏針刺土工布大。主要原因是面密度低時(shí)，土工布厚度小，加之長(zhǎng)絲剛度較大，其纖維間的抱合較短纖維之間的抱合困難；隨著面密度的增加，土工布厚度增大，纖維之間的接觸增多，長(zhǎng)絲與周圍纖維有更多的纏結(jié)和抱合。

3.2 梯形撕裂強(qiáng)力

測(cè)試織物撕裂性能的方法有舌形法、梯形法、落錘法和翼形法等，而梯形法撕裂是在土工布測(cè)試中較為廣泛采用的。滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的梯形撕裂強(qiáng)力如圖3所示。

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖3 不同面密度土工布的梯形撕裂強(qiáng)力

由圖3數(shù)據(jù)分析可知：滌綸紡黏針刺土工布的縱橫向梯形撕裂強(qiáng)力均大于滌綸短纖維針刺土工布，數(shù)值上前者約是后者的2倍。撕裂破壞作用主要是依靠撕裂三角區(qū)的局部應(yīng)力場(chǎng)作用。相對(duì)于機(jī)織土工布，針刺非織造土工布變形能力大，因而隨著撕裂應(yīng)力集中區(qū)的擴(kuò)大，撕裂的不同時(shí)性主作用明顯減弱，轉(zhuǎn)向大面積的拉伸[4]。就其本質(zhì)而言，梯形撕裂法針對(duì)針刺土工布的評(píng)價(jià)主要還是體現(xiàn)了拉伸斷裂性能。因此，本文兩種土工布的梯形撕裂強(qiáng)力的相對(duì)性能與拉伸斷裂強(qiáng)度是一致的。

3.3 CBR頂破強(qiáng)力

土工布在一垂直于其平面的負(fù)荷作用下，頂起或鼓起擴(kuò)張而破裂的現(xiàn)象稱為頂破。測(cè)試織物頂破性能的方法有圓球頂破、CBR頂破、氣壓脹破、液壓脹破等，這些方法在土工布的測(cè)試中都有應(yīng)用，并有相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。本文的CBR頂破強(qiáng)力是使用直徑為50 mm 的平頭圓柱頂桿垂直頂壓試樣，以過(guò)程中的最大頂壓力表征。滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的CBR頂破強(qiáng)力如圖4所示。

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖4 不同面密度土工布的CBR頂破強(qiáng)力

由圖4數(shù)據(jù)分析可知：滌綸紡黏針刺土工布的CBR頂破強(qiáng)力均大于滌綸短纖維針刺土工布，數(shù)值上前者約是后者的2倍。針刺土工布被頂破主要是纖維的斷裂和纖維網(wǎng)的松散化，頂破口是一個(gè)隆起的松散纖維包[4]。影響針刺土工布頂破強(qiáng)力的最直接的因素是其拉伸斷裂強(qiáng)度，隨著縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)度的增加，頂破強(qiáng)力明顯提高。因此，本文兩種土工布的CBR頂破強(qiáng)力的相對(duì)性能與拉伸斷裂強(qiáng)度是一致的。

3.4 握持強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率

握持強(qiáng)力是土工布一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。這一指標(biāo)表示了在特定寬度范圍內(nèi)的土工布在局部被夾持的條件下進(jìn)行拉伸時(shí)所能夠承受的最大拉力。握持強(qiáng)力反映的是土工布分散集中應(yīng)力的能力，即對(duì)集中載荷的擴(kuò)散范圍越大，握持強(qiáng)力越大。滌綸紡黏與滌綸短纖維針刺土工布的握持強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6數(shù)據(jù)分析可知：

(1)縱橫向握持強(qiáng)力：滌綸紡黏針刺土工布均大于滌綸短纖維針刺土工布，數(shù)值上前者約是后者的2倍。

(2)縱向握持伸長(zhǎng)率：面密度低于250 g/m2時(shí)，滌綸紡黏針刺土工布<滌綸短纖維針刺土工布；面密度大于250 g/m2、小于400 g/m2時(shí)，滌綸紡黏針刺土工布>滌綸短纖維針刺土工布。 (3)橫向握持伸長(zhǎng)率：滌綸短纖維針刺土工布均大于滌綸紡黏針刺土工布，數(shù)值上前者約是后者的1.15倍。

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖5 不同面密度土工布的握持強(qiáng)力

1——滌綸紡黏針刺土工布；2——滌綸短纖維針刺土工布圖6 不同面密度土工布的握持伸長(zhǎng)率

兩種土工布的握持強(qiáng)力均小于相應(yīng)面密度的拉伸斷裂強(qiáng)力，這是由于局部夾持造成應(yīng)力集中，對(duì)土工布的破壞性較大。滌綸紡黏針刺土工布易于轉(zhuǎn)移集中應(yīng)力。

4 結(jié)論

(1)滌綸紡黏針刺土工布的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)度、梯形撕裂強(qiáng)力、CBR頂破強(qiáng)力和握持強(qiáng)力均大于滌綸短纖維針刺土工布，數(shù)值上前者的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均約是后者的2倍。

(2)滌綸紡黏針刺土工布在面密度較低時(shí)，其縱橫向拉伸斷裂伸長(zhǎng)率較大；隨著面密度的增大，斷裂伸長(zhǎng)率變化幅度較小。滌綸短纖維針刺土工布與之相反，面密度低時(shí)，縱橫向斷裂伸長(zhǎng)率?。浑S著面密度的增大，斷裂伸長(zhǎng)率增大，即面密度高時(shí)，尺寸穩(wěn)定性不如滌綸紡黏針刺土工布。

(3)面密度較低時(shí)，滌綸紡黏針刺土工布的縱向握持伸長(zhǎng)率小于滌綸短纖維針刺土工布；面密度增大到250 g/m2之后，滌綸紡黏針刺土工布的縱向握持伸長(zhǎng)率大于滌綸短纖維針刺土工布。滌綸紡黏針刺土工布的橫向握持伸長(zhǎng)率始終小于滌綸短纖維針刺土工布，后者約是前者的1.15倍。

在實(shí)際巖土工程等設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮兩種土工布所起的作用或其具體的受力情況，合理選擇土工布種類和規(guī)格，上述結(jié)論對(duì)其具有重要的意義。

[1] 劉玉蘭.土工織物發(fā)展綜述[J].非織造布，1996(4)：1-4.

[2] 葉欒梁，徐樸.土工布的生產(chǎn)技術(shù)和性能要求[J].紡織導(dǎo)報(bào),2000(3)：36-40.

[3] 柯勤飛，靳向煜. 非織造學(xué)[M]. 2版.上海：東華大學(xué)出版社，2010：246-247.

[4] 于偉東. 紡織材料學(xué)[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2006:296-297.