婁輝清 曹先仲 楊光豪 李海偉 丁會龍

1. 河南工程學(xué)院紡織學(xué)院，河南 鄭州450007； 2. 河南宇清安全環(huán)?？萍加邢薰?，河南 鄭州450007

我國高速公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，以及礦山的大規(guī)模開發(fā)，會形成大量裸露且難以恢復(fù)植被的土石邊坡，若不加以治理，不僅會造成植被的破壞和水土的流失，還易引發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對周邊生態(tài)環(huán)境埋下極大的安全隱患[1-2]。傳統(tǒng)的邊坡防護技術(shù)主要采用水泥和塊石等硬體材料，這雖然可以減少水土流失，但施工周期長、造價高，對地基的承載力要求高，且坡面硬化后難以再進行綠化，施工過程中周圍自然環(huán)境易被破壞[3]。近年來，隨著國內(nèi)環(huán)境保護意識的逐步增強，生態(tài)護坡理念開始被業(yè)界廣泛接受，并被快速推廣到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和礦山生態(tài)修復(fù)中。

何旭東等[4]對首次在貴州省都勻市七星棚戶區(qū)安置房邊坡(二期)生態(tài)修復(fù)項目中應(yīng)用的加筋麥克墊技術(shù)的原理、施工工法及效果進行了詳細(xì)探究，結(jié)果表明該技術(shù)固土、固坡效果明顯，能在短時間內(nèi)達到綠化的效果。葉建軍等[5]采用噴射生態(tài)護坡技術(shù)對曼大高速公路項目沿線3#取土場開展了生態(tài)修復(fù)，結(jié)果顯示生態(tài)恢復(fù)效果良好，修復(fù)1年后植物群落逐漸向自然邊坡演替。陳飛等[6]針對離子型稀土礦山原地浸礦開采方式容易誘導(dǎo)滑坡的特點，提出一種以竹子為主要材料，由竹子格構(gòu)框架、竹樁和竹子排水管共同組成的生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)使用該生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)經(jīng)歷6個月的生長周期之后，坡體被草木覆蓋，且無水土流失和邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。周翠英等[7]利用新型功能材料及其生態(tài)護坡施工工藝對深圳市龍城中專后山典型巖質(zhì)邊坡進行了生態(tài)修復(fù)，發(fā)現(xiàn)植被發(fā)芽率有效提高，坡面植被覆蓋速率加快，邊坡抗沖刷侵蝕能力提高，坡面淺層土體的穩(wěn)定性增強。竇維禹等[8]結(jié)合濟祁高速公路淮南至合肥段中路基邊坡防護的實際經(jīng)驗，對植物纖維草毯邊坡防護技術(shù)的工藝原理、施工工藝、質(zhì)量控制等進行了詳細(xì)的介紹。該技術(shù)已在安徽岳武、周六等高速公路邊坡防護中收到了顯著的效果。

在常用的邊坡生態(tài)防護形式中，利用生態(tài)型防護材料進行邊坡防護，其良好的經(jīng)濟效益和社會效益越來越受到人們的關(guān)注。其中，植被網(wǎng)和植被毯是近年來新開發(fā)的一種生態(tài)防護材料，其可將植物纖維層和草種、保水劑、營養(yǎng)土等組合形成三維復(fù)合草毯結(jié)構(gòu)，不僅能夠提供防土壤侵蝕流失的保護層，還能夠為植物生長提供所需要的基質(zhì)、養(yǎng)料及水分，但強度較低，耐磨性和耐候性差，且加工過程繁瑣，故限制了其在土石邊坡防護領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。非織造土工布因具有優(yōu)良的力學(xué)性能和水力學(xué)性能，且能夠很好地滿足植物生長的要求，已被作為新型的生態(tài)護坡材料為眾多學(xué)者研究。王中珍等[9-11]將麻纖維/黏膠纖維針刺布與椰殼纖維、麻網(wǎng)布復(fù)合，黃麻網(wǎng)與脫膠后的黃麻復(fù)合，以及椰殼纖維，分別制備成護坡復(fù)合植生材料，發(fā)現(xiàn)所制備的產(chǎn)品不僅能很好地滿足植物生長的要求，而且產(chǎn)品本身還可轉(zhuǎn)化為植物的營養(yǎng)基質(zhì)，改良土壤。李素英[12]以廢棉纖維、聚丙烯纖維和麻纖維為原料制備針刺非織造材料，用作公路護坡生態(tài)毯，發(fā)現(xiàn)該生態(tài)毯有利于植被穩(wěn)定生根生長，可起到有效的護坡作用。湯燕偉等[13]比較了不同材料和不同結(jié)構(gòu)的非織造基質(zhì)對植物生長性能的影響，結(jié)果表明，天然或再生纖維和化學(xué)纖維基質(zhì)均適合草坪草的生長，只是天然或再生纖維稍優(yōu)于化學(xué)纖維，薄型針刺非織造材料優(yōu)于厚型針刺非織造材料。

我國關(guān)于生態(tài)護坡材料的研究尚處于初級階段，目前所開發(fā)的材料種類較少，投入實際工程應(yīng)用的更少，因此發(fā)展具有優(yōu)良防護性能并能為植物提供良好生長環(huán)境的生態(tài)型植生護坡材料，對我國土石邊坡防護和生態(tài)修復(fù)具有重要的意義，且發(fā)展前景十分廣闊。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

黏膠纖維(82.0 mm×2.78 dtex，常熟市紅星毛紡化工有限公司)、再生植物纖維(自制)。

電子天平(FA2004A，上海恒平科學(xué)儀器有限公司)、針刺機機組(WL，太倉市萬龍非織造工程有限公司)、數(shù)字式織物厚度儀(YG141LA，寧波紡織儀器廠)、多功能電子織物強力機(YG026D-1000，寧波紡織儀器廠)、土工布有效孔徑測定儀(YT030，泉州市美邦儀器有限公司)、無紡布吸水性能測定儀(YG814-II，泉州市美邦儀器有限公司)、織物液體穿透試驗儀(LFY-244B，山東省紡織科學(xué)研究院)。

1.2 植生護坡用針刺復(fù)合生態(tài)土工布的制備

1.2.1 針刺復(fù)合生態(tài)土工布的原料及結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足植生護坡用針刺復(fù)合生態(tài)土工布對結(jié)構(gòu)可靠性和性能穩(wěn)定性的要求，本試驗采用基底層+中間層+面層的立體復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。黏膠短纖維經(jīng)梳理、成網(wǎng)后作為基底層和面層，破碎后的天然植物纖維即再生植物纖維作為中間層。

1.2.2 制備工藝及流程

采用短纖維干法成網(wǎng)-針刺加固工藝加工上述立體復(fù)合結(jié)構(gòu)，制備植生護坡用針刺復(fù)合生態(tài)土工布。首先，黏膠短纖維送入開松機內(nèi)開松，待大的纖維束、塊、團等松解成小束后，再由梳理機梳理成由均勻伸展的單纖維組成的薄纖網(wǎng)；然后，鋪網(wǎng)設(shè)備將薄纖網(wǎng)鋪疊成具有一定厚度的勻質(zhì)黏膠短纖維網(wǎng)作為基底層，輸送帶將再生植物纖維均勻地鋪于基底層黏膠短纖維網(wǎng)之上，達到一定的厚度后，再在再生植物纖維之上鋪設(shè)一層具有一定厚度的勻質(zhì)黏膠短纖維網(wǎng)作為面層；最后，采用針刺機對鋪疊的立體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料進行反復(fù)針刺，使纖維網(wǎng)中的纖維互相纏結(jié)，纖維層貫穿連接為一體。

基底層和面層、再生植物纖維層和針刺復(fù)合生態(tài)土工布成品照片如圖1所示。

圖1 針刺復(fù)合生態(tài)土工布的結(jié)構(gòu)組成及其成品照片

1.2.3 針刺工藝參數(shù)

針刺工藝參數(shù)主要包括針刺密度、針刺深度、針刺頻率等。在針刺加固生產(chǎn)過程中，合理分配針刺密度，嚴(yán)格控制針刺深度和針刺頻率，十分重要。本試驗中，鋪網(wǎng)纖維為黏膠短纖維，兩層黏膠短纖維網(wǎng)之間夾雜再生植物纖維。若單純采用短纖維針刺用刺針，針刺效果較差。此外，本試驗在制備不同規(guī)格的針刺復(fù)合生態(tài)土工布過程中，保持了基底層和面層的質(zhì)量、厚度基本一致，主要通過改變再生植物纖維的加入量來改變針刺復(fù)合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量，因此需合理選擇針刺工藝參數(shù)。

本試驗在前期預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，確定不同規(guī)格的針刺復(fù)合生態(tài)土工布的針刺工藝參數(shù)如表1所示。

表1 針刺復(fù)合生態(tài)土工布的針刺工藝參數(shù)

1.3 性能測試

1.3.1 力學(xué)性能

分別測定針刺復(fù)合生態(tài)土工布的縱橫向斷裂強度和斷裂伸長率、縱橫向撕破強力及CBR頂破強力，其中斷裂強度和斷裂伸長率按照GB/T 15788—2017《土工合成材料 寬條拉伸試驗方法》，撕破強力按照GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破強力的測定》，頂破強力按照GB/T 14800—2010《土工合成材料 靜態(tài)頂破試驗(CBR法)》進行測試。

1.3.2 有效孔徑

利用O90(即土工布中90%的孔徑低于該值)表征針刺復(fù)合生態(tài)土工布的有效孔徑，其測試按照GB/T 14799—2005《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品有效孔徑的測定 干篩法》進行。

1.3.3 滲透性能和吸收性能

以垂直滲透系數(shù)和透水率表征滲透性能，測試方法按照GB/T 15789—2016《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品 無負(fù)荷時垂直滲透特性的測定》中的恒水頭法；以液體吸收量表征吸收性能，測試按照GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第6部分：吸收性的測定》進行。

1.4 植物種植試驗

分別選擇2#和4#樣品進行植物種植試驗。受試植物為黑麥草，草種用量為30 g/m2。為模擬土石邊坡環(huán)境，基質(zhì)層以砂石為主，自下而上分別為礫石層(5.00 cm)+粗砂層(10.00 cm)+細(xì)砂層(10.00 cm)+沙土層(5.00 cm)+針刺復(fù)合生態(tài)土工布層+土壤層(1.00 cm)+種子層+土壤層(2.00 cm)?？疾熘采阅艿闹笜?biāo)包括發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量。種植7 d后統(tǒng)計各組種子的發(fā)芽率，種植45 d后統(tǒng)計各組的植株高度和植株質(zhì)量。同步進行對照試驗，對照試驗的基質(zhì)層中不加入針刺復(fù)合生態(tài)土工布層，其他條件均與2#和4#樣品試驗相同。

分別統(tǒng)計各組發(fā)芽的植株數(shù)量，該數(shù)量與各組所播種種子數(shù)量的比值即為該組種子的發(fā)芽率；從每組植株樣品中隨機抽取長勢均勻的植株10株，然后從葉耳處開始用刻度尺測量，得到該植株的高度，10株植株的平均高度即為該組的植株高度；用分析天平分別測量10株黑麥草植株的地上部分及根部的質(zhì)量，10株植株的平均質(zhì)量即為該組的植株質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 針刺復(fù)合生態(tài)土工布的制備

按照1.2.2節(jié)所述方法和表1中的針刺工藝參數(shù)，制備不同規(guī)格的針刺復(fù)合生態(tài)土工布樣品，所得樣品的單位面積質(zhì)量(實測值)、厚度及再生植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示，樣品的截面形貌如圖2所示。

表2 針刺復(fù)合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量(實測值)、厚度及再生植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2 針刺復(fù)合生態(tài)土工布樣品的截面形貌

從表2可以看出，針刺復(fù)合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量和厚度受再生植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大。再生植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，中間層越來越厚，針刺復(fù)合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量和厚度也隨之增加。

2.2 力學(xué)性能

本試驗所制備的針刺復(fù)合生態(tài)土工布樣品的力學(xué)性能如圖3所示。

圖3 針刺復(fù)合生態(tài)土工布樣品的力學(xué)性能

從圖3可以看出，隨著單位面積質(zhì)量的增加，針刺復(fù)合生態(tài)土工布的斷裂強度、撕破強力和CBR頂破強力等力學(xué)性能增加。這是因為隨著針刺復(fù)合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量的增加，再生植物纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多，加之針刺過程中再生植物纖維與基底層、面層中的黏膠短纖維已纏繞在一起，故作用于針刺復(fù)合生態(tài)土工布之上的外力除了要克服黏膠短纖維之間的縱向穿插纏結(jié)作用外，還要克服黏膠短纖維與再生植物纖維之間的纏繞作用，力學(xué)性能提高。

GB/T 17638—2017《土工合成材料 短纖針刺非織造土工布》對短纖針刺土工布的力學(xué)性能做了一些規(guī)定，其中要求縱橫向斷裂強度≥3 kN/m、縱橫向撕破強力≥0.1 kN、CBR頂破強力≥0.60 kN、縱橫向斷裂伸長率20.0%～100.0%。對照該標(biāo)準(zhǔn)，本試驗所制備的不同規(guī)格的針刺復(fù)合生態(tài)土工布，除單位面積質(zhì)量(設(shè)計值)為200 g/m2的1#樣品其橫向斷裂伸長率(16.2%)和CBR頂破強力(0.58 kN)不滿足最低要求外，其余樣品的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 有效孔徑

試驗制備的針刺復(fù)合生態(tài)土工布樣品的有效孔徑如圖4所示。

圖4 針刺復(fù)合生態(tài)土工布的有效孔徑

從圖4可以看出，隨著單位面積質(zhì)量的增加，針刺復(fù)合生態(tài)土工布的O90呈現(xiàn)降低的趨勢。影響土工布孔徑的主要因素包括針刺密度、針刺深度，以及纖維線密度和織物厚度等。針刺復(fù)合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量越大，其厚度越厚。針刺密度和針刺深度越大，纖維與纖維之間的纏結(jié)也越緊密，則針刺復(fù)合生態(tài)土工布的O90越小[14-15]。本試驗在制備較大單位面積質(zhì)量的針刺復(fù)合生態(tài)土工布時，所選擇的針刺密度和針刺深度也較大，因此其O90減小。

土工布的孔徑對其水土保持能力有一定的影響?？讖皆叫?，土工布的透水量越少，水分越不容易流失，且土壤顆粒更容易被土工布截留而不被土壤表面徑流帶走，因此其水土保持能力較強[16]。相關(guān)研究表明[17-18]，當(dāng)土工布的有效孔徑在50～2000 μm時具有較好的水土保持能力。本試驗制備的針刺復(fù)合生態(tài)土工布的有效孔徑在75～132 μm，滿足實際應(yīng)用過程中保護邊坡，防止水土流失的要求。

2.4 滲透性能和吸收性能

試驗制備的針刺復(fù)合生態(tài)土工布的垂直滲透系數(shù)、透水率和液體吸收量如圖5所示。

圖5 針刺復(fù)合生態(tài)土工布的滲透性能和吸收性能

從圖5可以看出，隨著單位面積質(zhì)量的增加，針刺復(fù)合生態(tài)土工布的垂直滲透系數(shù)和透水率均呈現(xiàn)降低的趨勢，而液體吸收量呈增加的趨勢。這主要是因為隨著單位面積質(zhì)量的增加，針刺復(fù)合生態(tài)土工布的有效孔徑變小，垂直滲透系數(shù)和透水率降低，故滲透性能變差[18]。而滲透性能又會影響土工布的保水效果，垂直滲透系數(shù)和透水率越低，意味著保水效果越好，因此針刺復(fù)合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量越大，其保水性能越好。本試驗主要通過改變再生植物纖維的加入量來改變針刺復(fù)合生態(tài)土工布的單位面積質(zhì)量，由于中間層的再生植物纖維具有較強的吸水保水能力，因此針刺復(fù)合生態(tài)土工布的吸收性能隨單位面積質(zhì)量的增加而變大。

土工合成材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求土工布的垂直滲透系數(shù)在0.01～10.00 mm/s。本試驗制備的不同規(guī)格的針刺復(fù)合生態(tài)土工布的垂直滲透系數(shù)均在10.00 mm/s以下，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。還有研究表明[19]，當(dāng)土工布液體吸收量大于500%、透水率小于1.0 /s時，土工布具有較好的吸水保水性能。本試驗制備的針刺復(fù)合生態(tài)土工布，當(dāng)設(shè)計的單位面積質(zhì)量大于400 g/m2時，其液體吸收量大于500%、透水率小于1.0 /s。

2.5 植物種植試驗

經(jīng)種植試驗測得各組的發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量如表3所示。

表3 植物種植試驗結(jié)果

從表3可以看出：2#樣品的發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量分別比對照組提高了8.79%、10.80%、21.52%，4#樣品的發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量分別比對照組提高了13.05%、27.16%、55.03%，含有針刺復(fù)合生態(tài)土工布層的發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量均高于對照組，這說明針刺復(fù)合生態(tài)土工布對植物的生長具有良好的促進作用；此外，隨著針刺復(fù)合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量的增加，發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量也均呈現(xiàn)增加的趨勢。

分析認(rèn)為，由于種植試驗所用的模擬基質(zhì)層以砂石為主，土壤層較薄，故不利于植物的生長發(fā)育；而本試驗所制備的針刺復(fù)合生態(tài)土工布中含有大量的再生植物纖維，其優(yōu)良的吸水保水性能不但可以營造有利于植物生長發(fā)育的環(huán)境，而且產(chǎn)品本身還可轉(zhuǎn)化為植物的營養(yǎng)基質(zhì)，改良土壤。因此，針刺復(fù)合生態(tài)土工布的加入有利于種子的發(fā)芽和生長，且再生植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，發(fā)芽率越高，長勢越好。

3 結(jié)論

(1) 以黏膠短纖維和再生植物纖維為主要原料，采用短纖維干法成網(wǎng) - 針刺加固工藝，在針刺密度為60～160 針/cm2、針刺深度為3.5～12.0 mm、針刺頻率為720～940次/min的條件下，制備出單位面積質(zhì)量在196～979 g/m2、厚度在3.6～14.4 mm、再生植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在39.6%～70.9%的針刺復(fù)合生態(tài)土工布用于植生護坡。

(2) 隨著針刺復(fù)合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量的增加，其斷裂強度、撕破強力和CBR頂破強力等力學(xué)性能增加，吸水保水性能變好。

(3) 含有大量再生植物纖維的針刺復(fù)合生態(tài)土工布對植物的生長具有良好的促進作用，且隨著針刺復(fù)合生態(tài)土工布單位面積質(zhì)量的增加，發(fā)芽率、植株高度和植株質(zhì)量也均呈現(xiàn)出增加的趨勢。