用于细粒土工材料的过滤和排水的土工合成复合材料 |
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| 申请号 | CN201480012683.0 | 申请日 | 2014-01-21 | 公开(公告)号 | CN105408034B | 公开(公告)日 | 2017-12-01 |
| 申请人 | GSE环境工程有限责任公司; | 发明人 | 李梦佳; 达雷尔·L·希斯克特; | ||||
| 摘要 | 具有土工网和 土工织物 的 土工 复合材料 。所述土工织物具有无纺织物层和有纺织物层，所述无纺织物通过针刺与所述有纺织物连接，由此所述无纺织物的 纤维 延伸穿过并超出所述有纺织物，并且有纺织物和延伸穿过所述有纺织物的无纺织物的纤维连接到所述土工网的一侧上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于在土工施工工地中与土工网一起使用的土工织物过滤层，包括： |
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| 说明书全文 | 用于细粒土工材料的过滤和排水的土工合成复合材料[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 不适用。 [0003] 联邦政府资助的研究或开发 [0004] 不适用。 [0005] 缩微胶片/版权引用 [0006] 不适用。 技术领域背景技术[0008] 在细粒土工材料(例如淤泥或粘土、包括粉煤灰和烟气脱硫(FGD)材料的煤燃烧产物(CCP)，以及河流或海洋疏浚沉积物等)土工技术与地质环境工程中，有效的过滤和排水系统已证明是至关重要的。例如，煤燃烧产物(CCP)规律地堆积在填埋场中，需要在CCP废物之下设置沥出液收集系统，以进行充分排水并减少隔水衬垫顶部的水头。 [0009] 沥出液收集系统通常由具有面内横向流动能力的排水层，以及保持固体颗粒以维持土壤结构稳定性并同时还允许液体通过的过滤层构成。出于这一目的，由带有热粘合无纺土工织物的排水土工网芯构成的土工合成排水复合材料已广泛地应用在许多土工排水应用(包括城市固体废弃物(MSW)填埋场沥出液收集)中。 [0010] 因此，用于土工织物过滤层的织物必须具有足够大的开口，以允许通过的液体必要的流动，并同时具有足够小的开口，以阻挡固体颗粒从中通过。对于存在高含量的细粒土工材料的系统来说，满足这种矛盾的要求会是并且一直是很难的。此外，这种织物可能会遇到严重的过滤问题，如细粒运移(称为“管涌”)或过滤层堵塞。 [0011] 无纺织物已普遍用作为土工织物过滤层。然而，在产品的整个生命周期中，这种无纺织物的拉伸应变会改变孔隙的开口尺寸。此外，在制造无纺织物时，有时会产生具有小光点的织物，小光点相比织物的其他区域具有更大的开口，并且这样的光点将控制材料最终的过滤性能。有纺织物也被用作土工织物过滤层。然而，有纺织物过滤层在单位面积上通常只有有限数量的开口，并且细粒颗粒会积聚在任何单个的开口处并阻止水流(称为“表面堵塞”)。简言之，这样的土工织物过滤层可能会在整个使用寿命中、尤其是在存在高含量的细粒土工材料的环境中遇到困难。 [0012] 结果，在CCP填埋场中已普遍采用由昂贵且占用空间的颗粒材料制成的沥出液收集系统(例如几英尺的细砂过滤层加上集料排水层或级配良好的底灰排水层)。 [0013] 本发明的目的在于提供高效且廉价的过滤和排水，即使是在存在高含量的细粒土工材料(例如煤燃烧产物(CCP))的环境中也是如此。 发明内容[0014] 在本发明的一个方面中，提供了用于在土工施工工地中与土工网一起使用的土工织物过滤层，包括由具有至少为约0.180mm的表观开口尺寸(AOS)和在2kPa的正常负载下大于约1.0mm的厚度的无纺织物构成的第一层，以及由具有约2％至20％的开口区域和在约0.074mm和0.841mm之间的AOS的有纺织物构成的第二层。有纺织物适于在一个侧面上与土工网相连，并且无纺织物通过针刺与有纺织物的另一个侧面相连，由此无纺织物的纤维穿过有纺织物而延伸超出有纺织物的一个侧面之外。 [0015] 在本发明的该方面的一种形式中，所述有纺织物由有纺高模量聚合物细丝构成。在另一种形式中，所述细丝为单丝，并且在其他一种形式中，所述细丝为复丝。 [0016] 在本发明的该方面的另一种形式中，所述无纺织物具有大于3000liter/min/m2的交叉平面水流率。 [0017] 在本发明的该方面的又一种形式中，所述有纺织物具有在约500liter/min/m2和8000liter/min/m2的交叉平面水流率。 [0018] 在本发明的该方面的再一种方式中，所述无纺织物和有纺织物在相连时具有大于0.1cm/sec的组合渗透率。 [0019] 在本发明的另一个方面中，提供用于在土工施工工地中使用的土工复合材料，包括土工网和土工织物。所述土工织物包括由具有上侧面和下侧面的无纺织物构成的第一层，以及由具有上侧面和下侧面的有纺织物构成的第二层。无纺织物的下侧面通过针刺与有纺织物的上侧面相连，由此无纺织物的纤维延伸穿过所述有纺织物并超出所述有纺织物的下侧面之外，并且所述有纺织物的下侧面和延伸穿过有纺织物的下侧面的无纺织物的纤维粘合到所述土工网的一侧上。 [0020] 在本发明的该方面的一种形式中，所述有纺织物包括有纺的高模量聚合物细丝。 [0021] 在本发明的该方面的另一种形式中，所述土工网包括第一多股大体上不可压缩的平行的线和第二多股大体上不可压缩的平行的线，第一多股线设置在第二多股线的顶上，并且相对于第二多股线呈角度，由此第一多股线和第二多股线通过交叉位置处的连接区域而彼此固定，并且有纺织物的下侧面和延伸穿过有纺织物的下侧面的无纺织物的纤维热粘合到所述第一多股线上。 [0022] 在本发明的该方面的又一种形式中，土工网的线是高密度聚乙烯(HDPE)。 [0023] 在本发明的该方面的再一种形式中，第二无纺织物粘合到土工网的另一侧上。 [0024] 在本发明的该方面的另一种形式中，所述无纺织物具有大于3000liter/min/m2的交叉平面水流率。 [0025] 在本发明的该方面的又一种形式中，所述有纺织物具有在约500liter/min/m2和8000liter/min/m2的交叉平面水流率。 [0026] 在本发明的该方面的再一种形式中，所述无纺织物和有纺织物在相连时具有大于0.1cm/sec的组合渗透率。 [0027] 在本发明的再一方面中，填埋场包括交替的填充物层和土工复合材料层，土工复合材料层分别设置为与填充物的覆盖层相邻，以有助于液体从填埋场排出。每个土工复合材料包括粘合到具有多股连接的大体上纵向的线的土工网的上侧上的土工织物。所述土工织物包括无纺织物和有纺织物，其中无纺织物的下侧面通过针刺与有纺织物的上侧面相连，由此无纺织物的纤维延伸穿过所述有纺织物并超出所述无纺织物的下侧面之外，并且所述有纺织物的下侧面和延伸穿过有纺织物的下侧面的无纺织物的纤维与土工网的上侧相连，由此无纺织物的上侧与填充物的覆盖层相邻。 [0028] 在本发明的该方面的一种形式中，所述土工网的线包括第一多股大体上不可压缩的平行的线和第二多股大体上不可压缩的平行的线，第一多股线设置在第二多股线的顶上，并且相对于第二多股线呈角度，第一多股线和第二多股线通过交叉位置处的连接区域而彼此固定。并且，在本发明的该方面的这一种形式中，所述有纺织物的下侧面和延伸穿过有纺织物的下侧面的无纺织物的纤维粘合到所述第一多股线上。 [0029] 在本发明的该方面的另一种形式中，所述无纺织物和有纺织物在相连时具有至少为约0.1cm/sec的组合渗透率，并且所述填埋场的渗透率不大于相连的织物的组合渗透率的十分之一(1/10)。在另一种形式中，所述无纺织物和有纺织物在相连时具有小于约0.106mm的表观开口尺寸(AOS)。 [0030] 在本发明的该方面的另一种形式中，所述无纺织物具有大于3000liter/min/m2的交叉平面水流率。 [0031] 在本发明的该方面的又一种形式中，所述有纺织物具有在约500liter/min/m2和8000liter/min/m2的交叉平面水流率。 [0032] 在本发明的该方面的再一种形式中，所述无纺织物和有纺织物在相连时具有大于0.1cm/sec的组合渗透率。 [0033] 在本发明的再一方面中，提供了制造土工复合材料的方法，包括步骤(1)提供有纺织物，(2)通过针刺纤维生产无纺织物，其中，所述有纺织物位于与生产的所述无纺织物相邻的位置处，由此针刺推动无纺织物的纤维穿过有纺织物，以将所述有纺织物和无纺织物相连，(3)提供土工网，以及(4)将所述土工网热粘合到连接的有纺织物和无纺织物上，其中所述土工网粘合到所述有纺织物和被推动穿过所述有纺织物的无纺织物的纤维上。 [0034] 在本发明的该方面的一种形式中，所提供的有纺织物具有约2％至20％的开口区域和在约0.074mm和0.841mm之间的表观开口尺寸(AOS)，并且所述生产步骤生产具有至少为约0.180mm的表观开口尺寸(AOS)和在2kPa的正常负载下大于约1.0mm的厚度的无纺织物。 附图说明[0036] 图1是根据本发明的土工织物复合材料过滤层的立体图，顶层的无纺织物层在一个角上与有纺织物层分开，以进一步显示针刺穿过有纺织物的无纺织物的纤维； [0037] 图2是具有根据图1的土工织物复合材料过滤层固定到土工网的顶部和底部的土工复合材料的立体图，土工织物复合材料过滤层在一个角上与土工网分开，以进一步显示不同的层； [0038] 图3是根据本发明的一个实施方案的土工复合材料的侧截面图，土工织物复合材料过滤层仅位于土工网的顶侧上； [0039] 图4是根据本发明图2的实施方案的土工复合材料的侧截面图，土工织物复合材料过滤层热粘合到土工网的两侧上； [0040] 图5是根据本发明的另一个实施方案的土工复合材料的侧截面图，具有固定到土工网的顶侧上的土工织物复合材料过滤层和固定到土工网的底侧上的无纺织物；以及[0041] 图6是具有由多层根据本发明的土工复合材料分隔开的多层的填埋场的侧截面图。 具体实施方式[0042] 图1显示了具有由无纺织物构成的第一过滤层14和由有纺织物构成的第二过滤层16的双层土工织物过滤层10。如下文进一步详细描述的那样，层14和层16两层针刺结合在一起以形成一体式的双层土工织物过滤层10，其中无纺织物层14的纤维20突出穿过有纺织物层16，以便在有纺织物层16与无纺织物层14相对的一侧形成绒毛表面24(如图1和图2所示，为清楚起见，仅突出显示了几个这样的纤维20)。 [0043] 无纺的第一过滤层14可有益地由针刺短纤维来制造，对纤维的纤度和针的尺寸进行选择以提供目标应用所需要的开口尺寸分布。因此，根据本发明，第一过滤层14有益地具2 有等于或大于美国筛#80(0.180mm)的表观开口尺寸(AOS)、大于3000liter/min/m的交叉平面水流量，此外，无纺的第一过滤层14在2kPa的正常负载下可具有大于1.0mm的最小厚度。例如，该第一过滤层14可有益地为具有单位面积的重量为6或8oz./yd2的无纺的针刺土工织物，这样的土工织物可购自GSE衬垫技术公司，商品名称分别为NW6和NW8。 [0044] 由有纺织物构成的第二过滤层16是尺寸稳定的和高渗透性的。因此，第二过滤层16的有纺织物可有益地由有纺细丝构成，细丝例如可以是高模量的聚合物(如聚丙烯或聚酯)单丝或复丝纱线或狭缝膜，有纺土工织物的单位面积的重量有益地为5.8oz./yd2。取决于在过滤层10待安装的环境中预期的土工材料的属性，有纺第二过滤层16可有益地具有从 2％到20％的开口区域百分比(POA)、从美国筛#20到#200(0.074mm到0.841mm)的表观开口尺寸(AOS)，以及从500liter/min/m2到8000liter/min/m2的交叉平面水流量。第二过滤层16的有纺织物的抓斗拉伸强度还可有益地大于200pounds且抓斗拉伸伸长率小于50％，并且应具有足够的耐性，以避免被下面进一步详细描述的针刺处理所损坏。 [0045] 在针刺过程中，通过将有纺层16直接地插入到无纺织物的生产过程中，复合材料土工织物过滤层10的无纺针刺层14和有纺层16机械地粘合在一起。针刺处理推动无纺短纤维20穿过有纺织物，以在复合材料土工织物过滤层10的有纺侧上产生“绒毛”或纤维状表面24。延伸穿过第二过滤层16的有纺织物的针刺纤维20起到将第一过滤层14的无纺织物粘合到第二过滤层16的有纺织物上的作用。对土工织物过滤层10的开口尺寸进行选择，以便在针刺过程中与针配合并得到已完成的产品所需要的孔径。 [0046] 应当理解的是，过滤层14、16的土工织物性能的设计要求会根据土工复合材料40待使用的环境中所预期的细粒土工材料的类型而变化。然而，通常有益的是，有纺织物和无纺织物在由针刺连接时可提供大于0.1cm/sec的整体渗透率，并且比相邻的土工材料的渗透率至少高十倍。此外，双层的土工织物过滤层10应具有小于0.106mm(美国筛#140)的典型表观开口尺寸(AOS)，以便有效地保持土工材料的颗粒细于0.075mm。 [0047] 如图2所示，根据本发明的有益的土工合成排水复合材料(土工复合材料)40是通过将图1形成的双层土工织物过滤层热粘合到适合的土工网30上以形成土工复合材料40而制成的。有益地，土工网30例如可具有两组高密度聚乙烯(HDPE)线32、34，这两组线被连续挤出以形成交叉点并在交叉点处相连接，例如在美国专利7470094所公开的排水土工网，其公开内容通过引用全部地并入本文中。 [0048] 应当理解的是，当土工织物滤层10与土工网30被热层压在一起时，土工织物过滤层10的绒毛表面24还提供了可增强土工织物过滤层10到土工网30的粘合强度的表面区域，使得形成的土工复合材料的层间附着力可有益地大于0.5lbs/inch。 [0049] 图3至图5显示了并入本发明的不同的土工复合材料。应当理解的是，如这些图所示的那样，根据本发明的土工复合材料40可使双层土工织物过滤层10(在绒毛表面24)粘合到土工网30的两侧上，或仅粘合到一侧上，而留有土工网的另一侧不粘合或粘合到普通的无纺过滤层上。 [0050] 具体地，在图3中，显示了土工复合材料40'，其中例如图1所示的土工织物过滤层10热粘合到适合的土工网30的顶部上，没有东西粘合到土工网30的另一(底)侧上。 [0051] 图4显示的是图2的土工复合材料40，其中例如图1所示的土工织物过滤层10热粘合到土工网30的两侧上，其中两个土工织物过滤层10的绒毛侧24热粘合到土工网30上。复合材料土工织物过滤层10的无纺过滤层14面向被过滤的微粒或液体物质，其通常位于过滤层10之上。但是，这种在顶部和底部都设有复合材料土工织物过滤层10的土工复合材料40可特别好地适用于被过滤的物质不仅可从上往下流动通过过滤层10而且可从下往上流动通过过滤层10的环境中。 [0052] 在图5中显示了土工复合材料40"，其中如图1所示的土工织物过滤层10的绒毛侧24与土工网30的顶部热粘合，并且适合的无纺织物层50热粘合到土工网30的底部上。土工织物过滤层10、土工网30和无纺织物层50的粘合可适宜地通过使这三个部件通过加热挤入层压处理以形成整体式的排水土工复合材料40"来实现。这个实施方案特别好地适用于斜坡环境中，其中所述无纺织物层50会提供有助于将土工复合材料40"保持在原位的摩擦表面。在非常平缓(例如斜率为2％)的斜坡环境中，可使用如图3所示的单侧排水土工复合材料。 [0053] 图6显示的是填埋场70的截面图，其中有益地使用了根据本发明的土工复合材料40。在形成填埋场时，第一层的土工复合材料40a被铺设在要形成填埋场70的区域的表面上。根据本发明，铺设土工复合材料40，使得双层土工织物过滤层10的第一过滤层14的无纺侧朝向待放置在土工复合材料40的顶部上的土工材料。当然，被覆盖的区域可以是非常大的，因此，通常需要多于一块的土工复合材料40a来覆盖每层的全部区域。然后，可将填埋物 74a放置在土工复合材料40a的顶部上，到本领域所公知的预期深度，接着，将第二层的土工复合材料40b铺设在该区域上。其他的填埋物70b-70e层和土工复合材料40c-40e层按照填埋场70的设计以相似的方式叠加。如本领域技术人员所公知的那样，如图所示的土工复合材料40a-40e可用于促进流体流动通过填埋场70。此外，其他结构(如泵、垂直管和水平管)也可与此类土工复合材料40a-40e搭配使用，以有意地使沥出液在填埋场中循环，因此有利于填埋场70的稳定化，从而使其之后可更迅速地返回到其他生产用途。 [0054] 例如这里所述的具有土工织物过滤层10的土工复合材料40可有益地特别是用于长时间经受高压的大型填埋场中。具体地，根据本发明的具有土工织物过滤层10的土工复合材料40可有益地用于需要过滤多种细粒土工材料的环境中，即需要高效地保留细粒颗粒，而同时还能提供高的交叉平面渗透性以允许液体自由地通过。然而，还应理解的是，根据本发明的土工复合材料40，尽管有益地可用于如上文所述的填埋场70这样的土工施工工地中，但也可有益地用于各种各样的土工施工工地中，不仅包括常见的水平取向以便于排水的场地，而且还包括垂直取向的场地，例如加筋挡墙。 [0055] 此外，鉴于为获得期望的力学属性，传统的无纺针刺土工织物已被拉伸，本发明的第一过滤层14的无纺织物需要少量的或不需要拉伸，因为第二过滤层16的有纺织物提供了由期望的开口尺寸获得的致密且均匀的垫层所需的力学属性。 [0056] 进一步地，由于有纺织物与无纺织物相比具有更广范围的水力、物理和力学属性，通过允许产生能够实现针对广泛种类的细粒土工材料的令人满意的长效防止管涌和堵塞的孔隙结构，第一过滤层14可提供极大的设计灵活性。 [0057] 更进一步地，鉴于无纺土工织物的生产通常会产生一些小的“具有最大开口的光点”(其将控制该材料的最终过滤性能)，使无纺织物与有纺织物(其可提供更可靠一致的孔隙结构或开口尺寸分布)配合使用可克服这个缺点。即，具有适当选择的POA和AOS的第二过滤层16的有纺织物具有本质上地修复无纺“光点”的作用，并因此防止大量细粒管涌式穿过具有相对较大开口无纺织物的任何小的区域。 [0058] 此外，可由第二过滤层16的有纺织物提供的高拉伸模量有助于维持形成的双层过滤层10的稳定结构，这是因为其降低了施加在第一过滤层14的无纺织物上的应力，并且因此防止了在其孔开口尺寸分布上可能的不利变化。 [0059] 进一步地，有纺织物和无纺织物在土工过滤层10中的结合可有利地避免前面提到的“表面堵塞”(由于细粒颗粒积聚在有纺织物有限的开口中的单个开口处，并堵塞)的问题，这是因为第一过滤层14的无纺织物的随机纤维结构产生了相对厚的缓冲层，以避免这样的有纺“表面堵塞”问题。 [0060] 从对说明书、附图和随附的权利要求书的研究中还可以获得本发明的其他方面、目的及优点。然而，应当理解的是，本发明可以替代的形式来使用，其可获得少于如上所述的本发明和优选实施方案的全部目的和优点。 |
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