耐老化增糙高性能防汛土工袋研制及試驗

陳擎宇，武聞天，曹馳宇

（1.江蘇省水利防汛物資儲備中心，江蘇 南京 210029；2.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

20世紀90年代中期以來，抗洪搶險中大量使用土工合成材料防汛物資，其中編織袋應用廣泛［1-3］，其可用于臨時加高堤頂防止漫溢，加固堤腳及堤坡防止侵蝕和滑坡，構筑反濾圍井緩解管涌險情等［4］。絕大部分搶險編織袋用白色聚丙烯裂膜絲制成，抗沖擊性能不高，搶險工程中易破損，其耐老化性能也不高，尤其南方地區汛期較長，搶險編織袋暴露使用時間長，影響后期使用效果。若使用一般長絲機織物制成的土工袋，抗沖擊和耐老化性能均有提高，但其界面摩擦系數較低，往往需要較緩坡度得以維持穩定。所以，研發既有較高抗沖擊及耐老化性能又具有較高界面摩擦性能的土工袋，對長汛期搶險工程的安全具有較大的社會和經濟效益。

2 高性能搶險土工袋研制

所謂高性能搶險土工袋是指具有較高抗拉及抗沖擊強度、較高摩擦系數與較高耐老化性能的搶險土工袋。

2.1 搶險土工袋的材質及特性

從袋體強度與耐老化性能綜合考慮，材質選擇聚酯（PET）型為長絲纖維。聚酯（PET）即聚對苯二甲酸乙二酯，比重為1.38，熔點255℃～260℃，吸濕度很低，僅為0.4%。聚酯長絲的斷裂強度為4.5～5.5 g/d，長絲的斷裂伸長率為15%～25%；高強低伸型纖維強度可達7～8 g/d，伸長率為7.5%～12.5%。聚酯長絲強度高，伸長率低，具有良好的尺寸穩定性，耐日光，耐摩擦，不霉不蛀，有較好的耐化學性能。

纖維級PET切片通常分為超有光型、有光型、半消光型及全消光型（表1），在本研發項目中，對材料的強度要求較高，釆用有光型作為生產原料。

表1 聚酯切片類型及主要特征

2.2 搶險土工袋制造工藝

2.2.1 高強低伸工藝

普通紡PET長絲強度為4.5 g/d左右，伸長率為25%左右，難以滿足本研制項目的材料力學指標要求。為獲得高拉伸強度及低變形率，釆用紡牽一步法工藝進行生產，以期獲得高強低伸型長絲纖維，其黏度由0.65 dL/g增加到0.75 dL/g左右，所制得的長絲纖維強度為6.7 g/d左右，伸長率為14%。強度上升48%，伸長率下降44%，滿足了本研制產品對材料的要求。

2.2.2 提升耐老化性能工藝

雖然聚酯的耐老化性能遠高于聚丙烯，但聚酯在加工、存儲、使用過程中，受外界（光、水、熱）條件影響，會發生分子鏈降解，導致性能產生不可逆轉的衰減。本研制項目為提升耐老化工藝，舍棄能耗高、效率低、污染重的后整理法，采用紡絲獲得法，即在紡絲過程中按比例添加抗老化劑，使得長絲纖維本身具有優良的抗老化性能，主要涉及抗老化劑的選擇、添加比例、具體生產工藝的調整優化。

采用納米級硅灰石系聚酯纖維專用抗老化劑，使用特殊的母粒注射設備按0.8%左右添加。納米級材料分散性優良，易形成晶核，纖維結晶度增加，抗拉強度、沖擊強度上升，其有效成分為紫外線吸收劑，可大量吸收紫外線。熱穩定性好，在加工過程中不會因為高溫而發生變化，由于紫外線吸收劑均勻分布于纖維之中，不會因為露天雨水沖刷而衰減。

經過半年多生產調整與選擇，最終確定采用含有光穩定劑、抗氧劑及紫外線吸收劑的復合抗老化劑，不僅完全滿足生產工藝的要求，而且與普通土工袋布比較，性能大幅度提高，具有明顯的技術優勢。經成品檢測，耐老化性能滿足本研制項目的要求。

2.2.3 增糙織造及縫制工藝

一方面，保證足夠的經緯向密度，使袋體具有透水持土的性能；另一方面，布料組織采用2.5 cm×2.5 cm平紋加筋格，確保每個方向均能增加同等的摩擦系數，并采用特制吸水膨脹線和凹凸點增糙技術，進一步提高袋體的摩擦系數，增加搶險工程的安全性和經濟性。所謂凹凸點增糙技術，是對織物進行后整理加工，采用熱扎定型工藝，在保證材料力學指標不受到影響的前提下，釆用特殊軋點，施以加溫、加壓，使布體材料具有0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm左右的凹凸點，使摩擦系數明顯提高。在生產過程中，需充分考慮溫度、壓力、生產速度等因素，以達到最佳增糙效果。

采用與袋體同材料的聚酯（PET）縫制線，嚴格要求縫制密度及松緊度，確?？p接平整、密實，確保防汛土工布袋整體的可靠性。采用與袋體同材料的聚酯（PET）織布帶，材質柔軟、高強度，與袋體連接可靠，位置適宜。

3 搶險土工袋的主要特征指標

3.1 主要工藝特征

高性能搶險土工袋以聚酯（PET）長絲為原料，經消除靜電處理、工藝織造、固紗處理、平整定型及裁剪縫制而成。袋體材料包括聚酯（PET）布料、聚酯（PET）縫制線、聚酯（PET）扎口繩等。布料組織形式為加筋格形，布料單位面積質量為100～140 g/m2，布料抗拉強度為20～30 kN/m，布袋尺寸為85 cm×50 cm，布袋質量為0.10～0.15 kg，布袋裝填荷載為15～30 kg，布袋顏色為白色、灰色等，可印圖案和文字。

3.2 主要力學指標

經力學性能測試，袋布的主要力學性能指標見表2。袋體縫制強度為29 kN/m，扎口繩極限受力為480 N。

表2 主要力學性能指標

3.3 耐老化性能指標

長絲經過耐老化工藝處理后，袋布的耐老化性能明顯提高，經過室內、野外暴露，自然老化試驗的性能指標測試值見表3。

從表3中可見，在室內存儲條件下，袋布質量無明顯變化。而野外暴露使用，未經耐老化處理的袋布強度指標下降約20%，經耐老化工藝處理的袋布強度指標只下降了約10%，處理效果明顯。

表3 耐老化處理前、后的性能指標

3.4 界面摩擦性能指標

一般長絲平紋結構機織布，材料表面較平整，摩擦系數較小。本研制項目采用方格加粗筋、遇水膨脹線、凹凸點增糙等工藝技術，使袋布材料摩擦系數有較大提高，表4為加糙工藝處理后與平紋結構袋布的摩擦系數值。

從表4可見，經過加粗筋、加膨脹線、加凹凸等工藝處理后，袋布的摩擦系數從0.12大幅度提升至0.41（干）、0.43（濕），很大程度增加了袋體之間、袋體與土體之間的堆砌穩定性，實際堆砌高度1 m以上的，穩定坡度可達到30°以上。

表4 平紋結構袋布與加糙措施袋布的摩擦系數

4 搶險土工袋布耐候試驗

高性能土工袋研制生產后，除分別進行了袋布力學性能和界面性能的室內試驗測試外，還開展了歷時1年的野外耐候及室內耐候試驗。

4.1 試驗材料

本次試驗選取當前作為防汛土工袋的3種主流袋布材料：聚丙烯（PP）編織布、聚酯（PET）無紡布、聚酯（PET）長絲機織布。聚丙烯（PP）編織基布為全新料制品，不包括回料制品；聚酯（PET）無紡布為長絲制品，不包括短纖維制品；聚酯（PET）長絲機織布為本次研制的高性能土工袋布，通過試驗比較上述3種袋布材料的耐候性能。

4.2 試驗環境

試驗時間為2016年11月18日至2017年11月18日。野外試驗地點位于江蘇省儀征市，屬北亞熱帶季風氣候區，全年雨量充沛，四季分明，溫和濕潤。年平均氣溫15.1℃，年降水量1 014 mm，年平均日照2 160 h左右，無霜期224 d。

3種袋布材料試驗樣品的尺寸大小及野外擺放方式均相同，即完全暴露、無遮擋、無陽光陰影，各種材料試樣均處于相同的外界氣候環境中。作為野外耐候的環境對比，在室內通風、防光、防潮儲存條件下，3種袋布材料也作相同時間的耐候試驗。

4.3 試驗結果

4.3.1 試樣外觀描述

經過1年時間的室內儲存和野外暴露耐候試驗，3種袋布試樣的外觀面貌描述如下。

（1）聚丙烯（PP）編織布

室內儲存環境下，試樣形狀完整，顏色無明顯變化；野外暴露環境下，試樣已完全缺失，除夾具鉗口內有部分殘留外，無任何存在痕跡。

（2）聚酯（PET）長絲無紡布

室內儲存環境下，試樣形狀完整，顏色無明顯變化；野外暴露環境下，試樣形狀保持完整，顏色呈鈍色，表層纖維有部分降解。

（3）高性能聚酯（PET）長絲機織布

室內儲存環境下，試樣形狀完整，顏色無明顯變化；野外暴露環境下，試樣形狀保持完整，顏色無明顯變化，表層無降解現象。

4.3.2 力學及界面指標

各試樣在試驗前（2016年11月18日前）與試驗后（2017年11月18日后）分別進行主要物理力學指標及界面指標的測試，測試結果見表5。

表5 主要物理力學指標及界面指標

4.3.3 耐候試驗結果分析

（1）聚丙烯編織布

室內存儲條件下擺放1年，主要力學指標略有下降；野外暴露擺放1年，試樣已完全降解。故聚丙烯編織布只能作為土工袋臨時使用。

（2）聚酯長絲無紡布

室內存儲條件下擺放1年，主要力學指標無明顯變化；野外暴露擺放1年，主要力學指標下降約20%。所以聚酯長絲無紡布可室內長期存儲，作為土工袋可供野外數月的短期使用。

（3）高性能聚酯長絲機織布

室內存儲條件下1年，主要力學指標無明顯變化；野外暴露擺放1年，外觀完整良好，主要力學指標下降約3%。因此，高性能聚酯長絲機織布可室內長期存儲，作為土工袋可在野外確保安全使用1年以上。

5 野外土工袋堆砌試驗

5.1 試驗內容

模擬南方較長汛期的防汛搶險環境，將高性能聚酯長絲機織布土工袋在野外散堆與子堰型堆砌，經過3個月的野外試驗，評估其實際工程應用特點及性能。

5.2 試驗結果

經過3個月的野外堆砌試驗，經分析，高性能聚酯長絲機織布土工袋具有以下特點。

（1）袋體大小合適，裝填后25 kg左右，利于人工作業，扎口繩牢固可靠，便于操作。

（2）袋體間摩擦系數比普通長絲機織布大，有利于堆砌體土工袋之間的抗滑穩定，節省工程費用。

（3）袋布具有良好的機械性能及彈性形變能力，能有效分散載荷，抵抗樹根等雜物的接觸損傷。

（4）袋布的經緯向較密實，即使在雨水（或波浪及水流）的作用下，也能防止袋體內部土顆粒被沖刷流失。

（5）袋布材料本身具有抗紫外線性能，所以土工袋堆砌體耐候性良好，在野外使用1年仍能保持袋體完好。

6 結語

高性能聚酯長絲機織土工袋，為防汛搶險專門研制，具有整體強度及抗頂破強度高，持土析水與耐候性能好，摩擦系數大的特點，可在南方汛期較長或野外惡劣環境下，應用于堤壩可能漫溢時構筑擋水子堤、堤坡、堤腳受侵蝕加固等多種險情的搶護，在大江大河等重要堤防發生重大險情需要搶護時使用更具安全優越性。