玄武巖纖維土工管袋的生產(chǎn)及應(yīng)用前景

楊 堃

(山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司， 山西 大同 037000)

玄武巖纖維土工管袋的生產(chǎn)及應(yīng)用前景

楊 堃

(山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司， 山西 大同 037000)

本文針對目前市場對玄武巖纖維的不斷需求，就玄武巖纖維土工管袋的制作工藝進(jìn)行了闡述，并介紹了玄武巖纖維土工管袋在水利、海洋、交通、土木建筑、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

玄武巖纖維；土工管袋；生產(chǎn)；應(yīng)用前景

土工管袋是一種由丙、錦、滌綸復(fù)合紗線為原料編織而成的具有過濾結(jié)構(gòu)的管狀土工袋，其直徑可根據(jù)需要變化(1～10 m)，長度最大可達(dá)到200 m，容積一般在10～2 000 m3;具有抗拉強(qiáng)度高、耐磨、過濾性能和長期抗紫外線性能。各項(xiàng)工程對土工管袋各項(xiàng)物理指標(biāo)要求很高，而聚丙烯紗線耐熱性、耐老化性差，手感偏硬、易積聚靜電等缺點(diǎn)，玄武巖纖維具有良好的熱絕緣性、抗腐蝕性、無毒性、不燃性以及良好的力學(xué)性能，因此可以取代上面所述的紗線，編織成玄武巖纖維土工管袋。它同時具有滿意的使用性質(zhì)和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，成為很好的生態(tài)友好、環(huán)境溫和材料[1]。

玄武巖纖維土工管袋具有降低工作量、縮短施工周期、節(jié)省工程費(fèi)用、降低工程維修費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于水利、海洋、交通、土木建筑、環(huán)境保護(hù)等工程實(shí)踐中[2]。

1 玄武巖纖維概況

1.1 玄武巖纖維國內(nèi)外研究進(jìn)展

玄武巖纖維早在1922年被法國人Paul申請美國專利，可是沒有實(shí)際生產(chǎn)，成為當(dāng)時纖維界的遺憾。20世紀(jì)70年代，這個想法被前蘇聯(lián)的科研機(jī)構(gòu)落實(shí)，研制出20多種連續(xù)玄武巖纖維制品的生產(chǎn)工藝[3]。1985年，在烏克蘭一個生產(chǎn)基地，應(yīng)用200孔漏板的拉絲工藝，實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)量260噸的工業(yè)化生產(chǎn)，成為當(dāng)時的奇跡。隨著生產(chǎn)技術(shù)的公開，玄武巖纖維產(chǎn)品從最初的軍工和航天領(lǐng)域擴(kuò)展至民用領(lǐng)域?，F(xiàn)在，俄羅斯、烏克蘭、美國和中國等國家對玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)完全掌握[4]。

我國很早就對玄武巖纖維有所了解，但對其研究不是很深，直到21世紀(jì)，我國相關(guān)專家才開始重視，同時國家也很關(guān)注并給予資助。2001年6月，中國和俄羅斯開始了玄武巖纖維項(xiàng)目科技合作。2002年9月，科技部將“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”項(xiàng)目列入國家863計劃，并通過技術(shù)引進(jìn)，消化吸收再創(chuàng)新，取得了自主知識產(chǎn)權(quán)，完成了工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)[5]。2008年玄武巖纖維項(xiàng)目被列為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品和“十二五”發(fā)展規(guī)劃新材料產(chǎn)業(yè)。

1.2 玄武巖纖維的生產(chǎn)和性能

玄武巖連續(xù)纖維通過玄武巖熔融過程形成，制備方法簡單，生產(chǎn)成本相對降低。在加工過程中，主要采用高溫熔融、漫流引絲。由于該方法幾乎不用水，也幾乎無空氣污染，本身無化學(xué)揮發(fā)物，因此它是一種環(huán)境友好的纖維制備方法。玄武巖的主要成分為SiO2(約占42%～55%)、Al2O3、FeO、CaO、MgO等，與土壤的成分相似，所以玄武巖連續(xù)纖維在自然環(huán)境中可容易地全部降解為土壤母質(zhì)，作為21世紀(jì)新型環(huán)保纖維，被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域[6]。

玄武巖纖維具有良好的拉伸強(qiáng)度及增強(qiáng)效應(yīng)、高耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性、良好的絕緣性能、耐高溫和低溫?zé)岱€(wěn)定性、高彈性模量以及隔熱、隔音等性能。玄武巖纖維具備以上各種性能優(yōu)點(diǎn)，而且它的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳纖維，成為性價比最好的材料。

單從纖維力學(xué)性能和化學(xué)性這兩部分能來看，我們能發(fā)現(xiàn)比玄武巖連續(xù)纖維更好的高性能纖維，如：碳纖維、芳綸等。然而，把綜合性能考慮進(jìn)去，玄武巖連續(xù)纖維是最佳的“多能”纖維。玄武巖纖維具有三維的分子維數(shù)，與分子維數(shù)一維的線性聚合物纖維相比具有較高的抗壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和抗老化性[7]。

2 玄武巖纖維土工管袋制造工藝流程

2.1 產(chǎn)品設(shè)計

為了滿足玄武巖纖維土工管袋的性能要求，以高強(qiáng)度玄武巖連續(xù)纖維有捻紗和低強(qiáng)度粘膠短纖兩種纖維作為原料進(jìn)行生產(chǎn)。玄武巖纖維具有良好的熱絕緣性、抗腐蝕性、無毒性、不燃性以及良好的力學(xué)性能，在管袋中充當(dāng)軟鋼筋，起到加固作用；粘膠纖維具有強(qiáng)力低、吸濕性好、軟化點(diǎn)低的特點(diǎn)，易軟化變形喪失強(qiáng)力破裂、降解 、融化，在管袋底部起到連接作用[8]。為了簡便我們把管袋設(shè)計為一次成型，這樣織物織出來就不需要縫紉加工了。采用兩種紗線做經(jīng)緯紗，一種玄武巖纖維有捻紗600tex，另一種用粘膠紗線做網(wǎng)格。兩種經(jīng)紗采用不同的穿筘方法，實(shí)現(xiàn)加筋部分紗支粗密度大，網(wǎng)格部分紗支細(xì)密度小，是一種非常符合實(shí)際的設(shè)計理念。我們部分采用2/2經(jīng)重平，織成一條被分成四段的管袋織物(雙層織物)?？椢锷蠙C(jī)圖見圖1。

圖1 織物上機(jī)圖

2.2 織造難點(diǎn)與技術(shù)措施

雙層織物具有表里層其密度與緊度不同，使得在織造時縮率有所差異，從而影響開口，斷頭增加，停經(jīng)片下沉無法開車，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量無法滿足要求。針對以上問題，我們做了技術(shù)改進(jìn)。

(1)穿綜：一般采用順穿法或分區(qū)穿法穿綜。如果用分區(qū)穿法，那么表經(jīng)應(yīng)穿入前區(qū)，里經(jīng)應(yīng)該穿入后區(qū)。綜片總數(shù)是表、里層基礎(chǔ)組織所需綜片數(shù)之和。

(2)穿筘：在管狀組織邊緣的兩內(nèi)側(cè)各采用一根強(qiáng)度好、張力大的特經(jīng)線，另用一片綜控制升降。特經(jīng)線不織入表、里層組織中，不與表、里緯紗交織，織物織好后，從織物中抽掉。當(dāng)織物密度很大、紗線較粗、緯紗張力很大用內(nèi)撐器去防止收縮而成邊部密度偏大的疵點(diǎn)。

(3)為了很好的引緯，需要引緯過程中梭口高度不大，成為相對穩(wěn)定的織口狀態(tài)。

(4)采用遲開口時間比早開口時間更好。因?yàn)檫t開口時，兩層經(jīng)紗平緩交替后，被相反方向拉緊，不會出現(xiàn)單層組織被鋼筘打破。

(5)當(dāng)在梭口滿開時，從托布架的托布點(diǎn)A起，經(jīng)過筘座，穿過下層綜眼C、經(jīng)停架D到后梁E所連成一條經(jīng)紗位置線。經(jīng)位置線最好應(yīng)用水平式(圖2)。一旦后梁抬高過大，上下兩層紗線張力差異較大，那層經(jīng)紗張力小的織造時，會發(fā)生斷經(jīng)，打緯時容易左右相對滑動。

A—托布架的托布點(diǎn) B—上層經(jīng)紗的綜眼 C—下層經(jīng)紗的綜眼 D—經(jīng)停架 E—后梁KK′—箱座處在后止點(diǎn)時走劍板表面的切線延長線圖2 經(jīng)位置線示意圖

(6)在織造過程中停經(jīng)片下沉，可以適當(dāng)提高停經(jīng)架高度，利用停經(jīng)架托紗作用。

(7)剛開始試紗時，經(jīng)常有大量經(jīng)紗斷頭。解決措施：一方面，增加斷經(jīng)的靈敏度，使經(jīng)紗一斷立即停車，適當(dāng)加重停經(jīng)片；另一方面，我們改變織造工藝，減小開口量，綜平時間放晚，增大送經(jīng)量，送經(jīng)時間提前。

經(jīng)過科學(xué)的分析和反復(fù)的實(shí)踐，優(yōu)化技術(shù)水平，織機(jī)效率明顯提高，布面質(zhì)量也有所改觀。

2.3 機(jī)織土工管袋的優(yōu)越處

一般土工布生產(chǎn)線工藝流程為：開松—梳理—鋪網(wǎng)—針刺，流程復(fù)雜。我們做的機(jī)織土工管袋工藝流程簡單，好操作。以前我們在有梭織機(jī)上做過，由于幅寬小不能滿足工程建設(shè)的需要，織機(jī)性能不穩(wěn)定等，讓生產(chǎn)有一定的難度。此后應(yīng)用劍桿織機(jī)，它有較大的幅寬，綜框運(yùn)行平穩(wěn)，紗線張力均勻，而且車速快，能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，織造成本也明顯降低[9]]。

機(jī)織土工管袋厚度可厚可薄，成形可大可小，由于組織結(jié)構(gòu)不同，可以織造出很多種不同的幾何形狀。機(jī)織土工管袋織物柔軟，能與土很好地結(jié)合。量孔直徑小，滲濾性好，其中利用高壓泵充灌流動性混凝土或水泥砂漿，凝固后形成高強(qiáng)度剛性硬結(jié)板塊，可適應(yīng)任何復(fù)雜的坡形、地形的變化和土質(zhì)條件，用于大面積護(hù)坡或作土面層及水下護(hù)底，它能夠起到模板的作用。

3 玄武巖纖維土工管袋的應(yīng)用領(lǐng)域

土工管袋最早在國外開始被應(yīng)用：埃及人抵御尼羅河的洪水；20世紀(jì)中期，荷蘭三角洲工程抵御各種海嘯的沖擊；1953年，鹿特丹以南地區(qū)修建世界規(guī)模最大的防波堤工程；1997年，美國密西西比有效地過濾城市污水的粉砂顆粒；1984年，澳大利亞利用Soil Filters Australia Pty有限公司生產(chǎn)的土工管袋在有毒廢物的圍堵中應(yīng)用。我國也逐步開始應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，并試驗(yàn)應(yīng)用玄武巖纖維土工管袋。

3.1 農(nóng)業(yè)

根據(jù)全國第一次污染源普查數(shù)據(jù)，2007年我國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(小區(qū)、專業(yè)戶)的畜禽糞便產(chǎn)生量為2.43億噸，尿液產(chǎn)生量為1.63億噸，并且這些量還在逐年增長。由于畜禽養(yǎng)殖與人們密切相關(guān)，被人們稱為農(nóng)業(yè)污染源之最，會把一部分人類飲用水變質(zhì)惡化，村鎮(zhèn)人居環(huán)境和人體健康受到很嚴(yán)重的干擾，所以把畜禽養(yǎng)殖污染減排納入“十二五”重點(diǎn)規(guī)劃。

對于這種情況，采用玄武巖纖維土工管袋技術(shù)能很好的解決固液分離，其原理為物理擠干脫水處理法。把固液混合物直接充入袋體，通過袋體材料本身的濾水作用，把有機(jī)物、懸浮物及其它固體物質(zhì)分離出來，同時可使污水中的化學(xué)耗氧量降低14%～17%。玄武巖纖維含有K2O、Na2O、TiO2等成分，使得玄武巖纖維土工管袋的耐腐蝕性得到進(jìn)一步提高，增加使用壽命。

3.2 堤防工程

在很久以前人們常采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施去消減自然現(xiàn)象、環(huán)境影響和人類活動對堤坡和岸坡造成的危害。應(yīng)用埽枕、柴排、石籠、拋石保護(hù)岸坡或打護(hù)坡樁等傳統(tǒng)方法，保護(hù)河岸、湖岸、海岸等的防水流沖刷，波浪沖擊等。然而傳統(tǒng)方法的弱點(diǎn)有：要取土取砂，造成水土流失，破壞生態(tài)；時間越長，耐久性越差，需要經(jīng)常維修；人工裝土，勞動強(qiáng)度高，效率低下，成本較高；沙土重，不方便運(yùn)輸；岸坡在水流沖蝕以及潮浪淘刷抽吸的情況下，使得岸坡的泥土很容易被水流帶走，會產(chǎn)生剝蝕和坍塌的現(xiàn)象。

應(yīng)用玄武巖纖維土工管袋這項(xiàng)新技術(shù)有一些優(yōu)點(diǎn)：具有良好的透水留土功能，能夠避免基土被水的沖刷，護(hù)底工程的穩(wěn)定性和可靠性相應(yīng)的得到了提高；質(zhì)量輕、運(yùn)輸和施工方便，可以根據(jù)具體條件就地取材，保護(hù)生態(tài)；延長工程使用壽命，大大節(jié)省維修工程量和費(fèi)用，效率很高。

3.3 路基工程

目前，高速公路建設(shè)正蓬勃發(fā)展，方興未艾。在高速公路的設(shè)計與施工中經(jīng)常會遇到軟土地基、膨脹土地基、水溝、魚塘等的填筑問題等一些特殊路基，通過長期的工程實(shí)踐，雖然對這些問題有了解決方案，但也還有值得研究改進(jìn)的地方[10-11]。一方面，碎石填筑溝塘考慮到人工、設(shè)備等相對費(fèi)用很高；另一方面，即使把碎石填筑在溝塘中，經(jīng)過幾年的汽車通行，會使得軟土中陷入一些碎石(主要是汽車強(qiáng)大的振動作用)，這樣碎石填筑的溝塘就會發(fā)生變形，給碎石填筑的效果打了大大的折扣。隨著不斷的向國外學(xué)習(xí)，在路基工程中使用玄武巖纖維土工管袋有這樣的優(yōu)勢：玄武巖纖維具有很高的強(qiáng)度和剛度，在路基沉降變形可增強(qiáng)路基的操作力；在加固路基時，考慮到運(yùn)輸、挖裝、推平碾壓、水浸和整個過程中的損耗，可以有效降低路基建造成本；有效的節(jié)省用地面積；有很好的護(hù)坡效果；玄武巖纖維是無毒無害的綠色纖維，起到環(huán)保效果。

3.4 環(huán)境工程

3.4.1 河道淤泥處理

沿海城市把生活污水通過排水管道排放到深海，由于河道很寬、水流速緩慢，污水中的懸浮物質(zhì)沉降于河床，久而久之成為淤泥；雨水對地面的沖洗，使得一部分懸浮物沉積在河里；每年還有約20多噸的自然降塵落入河床形成淤泥。這些淤泥會對環(huán)境有很大的風(fēng)險，對它的處理會無形增加困難和成本。利用玄武巖纖維土工管袋可以既經(jīng)濟(jì)又快速，將淤泥充入土工管袋中，通過自身過濾系統(tǒng)，把泥漿中的水過濾出去。據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，濾出的水比清理進(jìn)去的淤泥混液中有害元素指標(biāo)減少92%～96%，減小了廢棄物的體積，節(jié)省了處理費(fèi)用。

3.4.2 市政污泥處理

市政污泥是污泥的一種種類，總量大、有機(jī)物含量高，易產(chǎn)生沉淀。隨著我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，污水處理市場從最初的投資建設(shè)時期，變成現(xiàn)在的運(yùn)營完善階段。目前，污泥處理已經(jīng)成為當(dāng)前社會問題，我國很大部分市政污泥沒有得到很好的處理，預(yù)計到2016年，我國脫水污泥年產(chǎn)量將超過3000萬噸。怎么處理污泥，使其穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源化，已成為科學(xué)界首要考慮問題。玄武巖纖維土工管袋技術(shù)為市政污泥處理問題的解決又多了一個選擇，把高含水量的淤泥充填到土工管袋里，加上荷載進(jìn)行預(yù)壓，進(jìn)一步減少污泥含水量。固結(jié)后的土既可以土地填埋，也可直接堆疊土工管袋修筑污泥坑圍堤，有效地將污泥處理和筑圍堤結(jié)合起來，具有廢物循環(huán)利用、脫水效率高、處理成本低的優(yōu)點(diǎn)。

3.4.3 采選礦業(yè)廢物回收利用

我國是世界采礦大國，現(xiàn)有2萬多個礦山，堆存的固體廢棄物有60億噸，平均每采出1噸礦石，就有0.92噸固體廢棄物。礦山固體廢棄物作為二次資源已受到世界各國的高度重視，然而我國目前礦山固體廢棄物的綜合利用率不到10%。對于一些含重金屬離子的廢棄物，在酸性雨水的沖淋下，對整個生態(tài)環(huán)境造成危害。礦山尾礦堆積占用大量土地，搬運(yùn)費(fèi)用高，污染很嚴(yán)重，應(yīng)用玄武巖纖維土工管袋可以把尾礦作充填料，利用過濾脫水截留性能，回收有用金屬。這種工藝具有操作簡單、成本低、環(huán)境效果好等優(yōu)點(diǎn)，會被大范圍的推廣。

4 應(yīng)用案例

4.1 中國天津中新生態(tài)城污水庫治理

2007年11月18日，國務(wù)院總理溫家寶和新加坡總理李顯龍,確定中國和新加坡政府合作建設(shè)中新天津生態(tài)城。規(guī)劃區(qū)中北部為面積約2.6 km2的漢沽污水庫，污水庫堤高3 m，占地面積298萬m2，蓄水量為560萬m3，平均水深2 m。根據(jù)污水庫前期本底調(diào)查，將整個污水庫的底泥劃分為三個不同程度的污染分區(qū)：即重度污染區(qū)、中度污染區(qū)、輕度污染區(qū)。

對污染底泥按不同的污染程度分別進(jìn)行環(huán)保疏浚。輕微污染底泥經(jīng)過土工管袋減容后，經(jīng)現(xiàn)場固化穩(wěn)定化進(jìn)行資源化利用，主要用于路基填墊用土；中度污染底泥經(jīng)過土工管袋減容，經(jīng)穩(wěn)定化后，直接在城內(nèi)進(jìn)行填島造景；重度污染的底泥經(jīng)過土工管袋減容后，經(jīng)現(xiàn)場固化穩(wěn)定化，運(yùn)至城外進(jìn)行安全處置。經(jīng)計算，脫水后最終需處置的底泥中，輕微污染體積約為30.51萬m3，中度污染體積約為38.94萬m3，重度污染體積約為11.43萬m3。其中輕度污染和重度污染需要進(jìn)行固化處理后進(jìn)行處置。

本次工程土工管袋脫水施工開始于2010年5月，工程持續(xù)到2010年10月底，共處理污染底泥量約為495.87萬m3(以含水率90%計)。工程采用土工管袋的規(guī)格為周長27.5 m，總長度18.7 km，最后疊加的層數(shù)是4層。

4.2 中國云南滇池底泥疏挖及處置

20世紀(jì)50年代初，滇池水質(zhì)良好。隨著人口的迅速增長以及滇池流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，污染問題日益嚴(yán)重。如今，按國家標(biāo)準(zhǔn)，湖水的水質(zhì)已經(jīng)惡化到5級以上，這意味著湖水已經(jīng)不能再利用于休閑娛樂、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的應(yīng)用。政府部門意識到滇池水質(zhì)整治工程勢在必行。

滇池被大壩分為兩部分，北邊是草海，南邊是外海。草海的污染比外海嚴(yán)重得多。大壩和西苑隧道的建設(shè)工程完成于20世紀(jì)90年代中期，為外海環(huán)境的改善創(chuàng)造了條件。草海的污水無法進(jìn)入外海，減少了重污染源的進(jìn)入。草海里面的污水通過西苑隧道引入污水處理廠進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后排入金沙江。大壩的建成使草海很容易發(fā)生淤塞，所以草海需要定期疏浚沉積的淤泥。然而，沉積的湖底淤泥含有很多污染物，需要進(jìn)行特殊的技術(shù)處理。淤泥含有的污染物包括氮、磷以及重金屬，如銅、鉛、鉻、錳等。

滇池污染底泥疏挖及處置二期工程是滇池治理六大工程之一“生態(tài)清淤工程”的重要內(nèi)容。土工管袋用于疏浚后的污染沉淀物的盛裝和脫水。 工程于2009年5月開工，2010年9月完工。土工管袋的規(guī)格是周長15.4 m，全長7 038 m，斷面寬度6.30 m、充填高度2.5 m。工程具體疏浚范圍為滇池草海南部、盤龍江入湖河口及大清河入湖河口湖區(qū)3個區(qū)域，疏浚水域面積422萬m2，疏浚底泥工程量為340萬m3。

5 結(jié)論

玄武巖纖維土工管袋技術(shù)的研究目前仍處于初步階段，如何合理應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，并建立一套在各個應(yīng)用領(lǐng)域完善的配套技術(shù)，是各領(lǐng)域工程技術(shù)人員面臨的課題。玄武巖纖維土工管袋技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，應(yīng)該越來越受到人們的重視，同時隨著研究的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也必將會越來越多地被發(fā)現(xiàn)。玄武巖纖維土工管袋這項(xiàng)技術(shù)必然會帶來廣泛的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值，為擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)用紡織領(lǐng)域意義重大。

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Production and application prospects of basalt fiber geo-textile bag

Yang Kun

(Shanxi ECIC Basalt Development Co., LTD，Datong,03700)

Aiming at dramatically increasing demands in the market, this paper introduces the production processes and techniques for geo-textile pipe bag made of basalt fiber and its application prospects to the fields such as hydraulic, ocean, transportation, civil and environmental engineering.

basalt fiber; geo-textile pipe bag; production; application prospect

2016-07-07;2016-11-04修回

楊堃，男，1984年生，工程師，研究方向：玄武巖纖維的織造以及后制品的研發(fā)與應(yīng)用。E-mail：yangkun_147@126.com

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