用于土木工程应用的纺织品制造小谈

在土木工程应用中，纺织品的制造是指用于土木工程项目的纺织材料的生产过程。这些纺织材料通常是基于纤维的结构材料，通过特定的制造方法进行加工和生产，以满足土木工程中的特定需求。

普遍来讲，用于土木工程应用的纺织品包括：高强度纤维材料、土工合成材料、地理布料和抗震减灾材料。

高强度纤维材料采用玻璃纤维、碳纤维或聚合物纤维制造，用于加固混凝土结构、桥梁和建筑物等项目。土工合成材料由合成纤维制成，用于土地稳定、防水和过滤等应用。

地理布料是合成纤维的薄膜材料，用于土地稳定、排水系统和环境保护。而抗震减灾材料则是纤维增强聚合物制成，用于提高结构的抗震能力。

这些纺织品的制造过程涉及纤维选择、组织结构设计、编织或编织过程以及纤维的连接和固定。通过精确的制造，可以获得符合特定土木工程应用需求的纺织品，提高结构的性能和可持续性。

其中，高强度纺织材料在建筑领域的各个方面得到广泛应用，包括独特的建筑和结构、道路建设以及水利工程等。

纺织品复合材料的强化是通过纤维、纱线和织物等不同层次的结构实现的。传统上，制造结构性复合材料时使用短纤维进行增强。

然而，在过去几十年中，使用连续增强的纺织品来增强结构的方法越来越受欢迎。

纺织品提供了更多机会，例如制造非常薄的复合材料和混凝土零件，消除增强材料腐蚀的风险，并能够制造具有复杂形状和预定性能的结构零件。尽管纺织品通常与服装或家居应用有关，但其应用已扩展到各个行业。

高强度增强材料主要使用玻璃、碳、芳纶和玄武岩等纤维。这些纤维具有很高的机械特性，包括强度和模量，与金属相当甚至超过金属。

因此，为了满足纺织机器对高强度纤维的加工需求，保持纤维的刚度是至关重要的。用于增强结构的原材料需要具备关键的变形刚度，并对纺织技术提出了特定要求。

其中一个主要方法是在纺织机上采用实用的高强度纤维加工方法，利用各种纱线和织物结构进行增强。纱线结构包括合拢、摩擦纺和混纺纱线。

相较于传统的连续丝纱线，使用这些结构可以改善混凝土或聚合物基体的粘结行为。在复合基体中，以负载为导向的纱线可以按照不同的几何顺序排列。

纺织织物增强材料以编织、非编织和针织结构的形式存在，每种结构在制造过程中有所不同。

纺织材料的制造过程可以生产出具有预定位置的增强结构。这些元素可以是非编织织物中的短纤维，也可以是编织和针织织物中的连续丝纤维。增强结构可以是平面（二维）或空间（三维）的。

在三维结构中，它们可以承受不仅平面内一两个方向的载荷，还可以承受体积内的载荷，包括穿透方向的加强结构。三维结构甚至可以呈现最终复合零件的形状，从而减少生产过程中的人力需求。

纺织织物可以根据外部加载方向制造具有预定属性的零件，使其能够在任何方向承受特定的载荷。

通过在单位宽度上引入具有特殊特性的纱线作为增强元素，可以实现这种可调性，从而使增强织物从各向同性调整为各向异性特性。

纱线结构

工程师在追求不同应用和用途需求时，可以从多种纱线结构中选择，其中包括缆绳纱线、摩擦纺纱线和混纺纱线。

首先，缆绳纱线通过将多根纺线以相反的方向相互缠绕制成，赋予纱线较高的强度、耐久性和稳定性。它们通常用于制作预应力混凝土构件，如梁和板。

预应力混凝土是通过在混凝土浇筑之前，施加预先确定的张力来增加其承载能力。而缆绳纱线用于施加这些张力，使混凝土在负荷下保持稳定和坚固。

图1

其次，摩擦纺纱线是通过在高速气流中引入纤维，并利用摩擦力将纤维纠缠在一起制成的。它们常用于制作增强材料，如FRP（纤维增强塑料）或GFRP（玻璃纤维增强塑料）片。

这些增强材料可以用于加固和修复混凝土结构，提高其抗拉强度和抗裂性能。摩擦纺纱线还可以用于制作土木工程中的地基加固材料，如地基加固格栅。

另外，混纺纱线则是将两种或多种不同类型的纤维混合在同一根纱线中制成，允许结合不同纤维的特性，发挥各种纤维的优势。

混纺纱线广泛应用于制作混凝土结构中的纤维混凝土。纤维混凝土是在混凝土中添加纤维材料，以提高其抗裂性能和冲击强度。混纺纱线可以增加混凝土的韧性和耐久性，防止裂缝扩展并增加结构的整体强度。

这三种纱线结构为土木工程领域提供了更多选择，以改善结构的承载能力、抗裂性能和冲击强度，从而延长结构的使用寿命。

平面纺织结构

在制造用于加固结构的复合材料时，人们普遍采用各种纺织技术。平面纺织结构是指纺织品中的纤维或纱线等结构要素排列在同一平面上，并能够承受单向或多向的负荷。

因此，对于加固复合材料来说，最适合的是具有在受力方向上定向纱线的平面纺织结构。其中，纱线的数量会根据所需的抗拉强度水平而有所不同。

织物的性能受多个因素影响，包括构成要素的结构、单位宽度内的数量、它们的排列方式以及结合机制（如摩擦力）。通过使用纺织织物进行复合材料加固，可以在各种范围内控制其性能，这是它的主要优势，且这种灵活性主要通过不同的制造技术实现。

纺织织物的主要生产方法包括织造、针织和非织造技术。在纺织织物中，织造一直占据主导地位，尤其在服装和纺织制品制造以及复合材料增强织物生产方面已经形成了传统。

然而，其他纺织技术在制造复合材料的加固结构方面，也正在变得越来越受欢迎。

在纺织行业中的两种主要的织物类型是：机织物和针织面料。首先，机织物是通过纱线交叉编织而成的纺织材料，通常使用机械编织机进行生产。

在建筑应用中，编织织物通常使用AR玻璃、碳纤维甚至玄武岩等材料制造。这些织物主要用于混凝土或石膏的加固、土工织物和农用织物。然而，对于这些特定应用，通常会采用一种特殊的编织方式，即纱罗织物。

据预测，未来几年内，纱罗织物在这些应用领域的市场将增长约20%。在1985年至2000年期间，土工织物市场的规模扩大了大约300%，年产量约为1亿平方米。

纱罗织物具有开放而稳定的结构，形成类似网格的图案。与传统织物相比，纱罗织物采用两组经纱绕在纬纱上，有效地将其固定在织物内部。纬纱绕过经纱有助于提供织物的尺寸稳定性（图2）。

图2

纱罗织物在建筑领域中常被用作建筑物的结构增强材料。它们可以与混凝土结构组合使用，形成复合材料，提供增强和抗裂效果。

纱罗织物可以增加混凝土结构的强度、刚度和耐久性，同时减轻结构的自重，提高抗震性能。这种应用广泛用于建筑物的墙体、楼板、梁柱等部位。

纱罗织物在土木工程中则通常被用做土壤加固和土方工程的材料。纱罗织物可以与土壤结合形成一种复合材料，提高土壤的抗拉强度和稳定性，减少土壤侵蚀和土方滑坡的风险。

这种应用广泛用于公路、铁路、河堤、坡地等工程中的土壤保护和加固，以增强结构的强度和耐久性，提高土壤的稳定性。

与之相对，针织面料是通过针织机使用针钩将纱线连续地编织成面料的一种纺织品。

针织面料分为纬编针织面料和经编针织面料两类。纬编针织面料具有较好的弹性和伸展性。而经编针织面料具有较好的抗拉强度和稳定性。

纬编针织面料在建筑和土木工程中通常用作结构增强材料。由于纬编针织面料具有较好的弹性和伸展性，它们可以用于加固建筑结构中的某些部位。

例如，在混凝土结构中，纬编针织面料可以与混凝土结合，提供额外的强度和抗裂能力。这种应用可以增加结构的稳定性和耐久性，并改善其抗震性能。

另一方面，经编针织面料在建筑和土木工程中常用于制作运动场地、地坪和地面覆盖物。经编针织面料具有较好的抗拉强度和稳定性，适用于承受较大荷载和压力的场合。

因此，它们常用于运动场地（如足球场、篮球场等）的人工草坪基底材料，以提供平整、耐用和安全的表面。

此外，纬编针织面料和经编针织面料还可以用于土壤保护和环境工程中。它们可以用作土壤防护材料，用于控制土壤侵蚀和保持土壤的稳定性。

值得注意的一点是，为了适应民用工程应用，制造经编织物通常需要几个关键元素。首先，0°插入纱线。这些纱线是直纱线，沿着经编织物的纵向（经向）放置，为织物提供加固作用。

其次是90°插入纱线，也是直纱线，插入到经编织物的横向（纬向）方向。这些纱线有助于增强整体织物的强度和稳定性。

以及，还有以对角方向插入的纱线。这些直纱线以一定角度（如45°）放置在经编织物中，形成对角图案。这种对角放置增强了织物的结构完整性。

经编织纱线用于缝合织物，形成具有凝聚力和耐久性的材料。这些纱线在连接其他元素和固定整体织物结构方面起着关键作用。

需要注意的是，插入纱线在编织过程中并不形成环。相反，它们在织物内部充当加固元素。为了达到所需的强度，可以使用高强度的长丝、混纺纱线或多丝纱线作为插入纱线。

经编织纱线形成的环的长度会影响织物的多种性能，包括加固纱线的内摩擦和混凝土渗透能力。

因此，使用的长丝线密度和插入加固纱线的铰链结构尺寸通常相差一个或两个数量级。通过有意识地调整这些因素，可以获得具有全新性能和改进性能的织物结构。

三维纺织结构

在过去几十年中，纺织技术在三维纺织结构（也称为3D纺织品）的发展方面取得了巨大进步。这些创新结构相比传统的平面纺织品具有独特的优势和特点。

通过在三个方向上整合纱线，包括穿透厚度方向，3D纺织品为各种应用提供了独特的增强机会。这种结构的制造成本降低了与复合材料制造相关的人力成本，因此成为集成增强系统的理想选择。

制造3D纺织结构可以采用单步或多步工艺。多步工艺需要进行额外的操作，如切割、铺设和连接，而目前业界更倾向于发展高效的单步工艺。主要的纺织技术，包括织造、针织和非织造技术，都可用于生产三维纺织结构。

首先，织造技术在制造3D纺织品方面非常灵活，无论是狭幅织物还是宽幅织物。这些纺织品在许多领域都有应用，如建筑行业中门窗框架等建筑结构的制造，因为它们具有高能量吸收、低裂纹传播、出色的抗冲击性和高拉伸强度等出色性能。

其次，针织技术在生产3D结构中起着重要作用。可以采用经编织或纬编织技术，但纬编织技术在制造用于复合增强的3D结构中最受欢迎。特别是，经编的间隔织物是一种专门用于结构应用的3D纺织品。

在制造这些织物时，机器的两侧同时独立地生产具有相同或不同结构的两个经编织物，并通过额外的纱线连接在一起，形成一个有机的3D结构。

间隔织物具有独特的特点，这要归功于其特殊的结构。它们由两个外表面和一个连接层组成，形成类似三明治的结构。（图3）

图3

这些织物是在双针杆Rachel机上生产的，其中上表面和下表面分别在前针床和后针床上制成。间隔织物的上表面和下表面由以0°和90°角度放置的纱线组成，通过经编纱线连接在一起。

间隔织物可以具有开放式或闭合式结构，也可以具有网格状或网眼状的图案。通过调节插入纱线之间的距离，可以获得不同尺寸的网格。

由于开放结构的间隔织物有利于混凝土混合物的流动，因此特别适用于混凝土增强。间隔织物的上表面和下表面可以由相同或不同的插入纱线组成，提供了丰富的织物设计选择。

此外，将金属丝作为插入纱线用于金属或塑料复合产品中，可以增强3D经编纺织品的结构强度。

纺织品与土木工程

综上所述，纺织品在土木工程应用中具有巨大潜力，高强度纺织材料、纱线结构、平面纺织结构和三维纺织结构的不断发展和应用，将为土木工程的发展带来更多机遇和挑战。

相信在不久的将来，纺织品制造技术将会在土木工程领域发挥更加重要的作用，并推动建筑行业向着更加可持续和创新的方向发展。

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