GCL常見問題分析

謝世平，何順輝，張 健

(天津中聯(lián)格林科技發(fā)展有限公司，天津 301617 )

GCL常見問題分析

謝世平，何順輝，張 健

(天津中聯(lián)格林科技發(fā)展有限公司，天津 301617 )

鈉基膨潤土防水毯(以下簡稱GCL)作為傳統(tǒng)壓實黏土層的替代者，具有優(yōu)異的防滲隔離性能，被廣泛應用于水利、環(huán)保、交通等領(lǐng)域的防水防滲工程。GCL在國內(nèi)應用已有20多年，但人們對其認識還存在一定的誤區(qū)，阻礙了GCL的進一步推廣應用。為消除人們對GCL的錯誤認識，加深對GCL的理解，基于多年的GCL生產(chǎn)和研究經(jīng)驗，闡述了編織布平整度、膨潤土特性、GCL認知、測試方法等方面存在的問題。研究結(jié)果表明：不平整載布不宜用于GCL的生產(chǎn)；以GCL為主防滲層的工程，應該使用粉末型GCL；GCL作為環(huán)保工程的次防滲層，是整個防滲系統(tǒng)的重要組成部分；GCL檢測標準應增加平整度或漏點檢測，并應能反映GCL前期滲透系數(shù)。

GCL；天然膨潤土；圓織編織布；粉狀膨潤土；平整度

1 研究背景

鈉基膨潤土防水毯(GCL)是一種以膨潤土為主防滲材料的新型土工合成材料，它是將鈉基膨潤土顆?；蚍勰┩ㄟ^針刺等工藝，均勻固定在2層土工布之間制成的一種毯狀防水材料。GCL既有土工材料的密封、隔離和增強作用，又具有優(yōu)異的防水(滲)性能，是現(xiàn)代土木工程中不可或缺的高性能材料之一。

GCL最初被發(fā)明的目的是替代壓實黏土層(CCL)，解決部分工程所在地缺乏黏土資源的問題。相比于CCL和HDPE膜，GCL具有柔韌性好、抗干濕凍融循環(huán)、自愈性好、施工簡單等特點[1]。GCL防滲性能優(yōu)于壓實黏土而低于HDPE膜，吸附和生態(tài)性能優(yōu)于HDPE膜，低于黏土。在防滲要求較高或者環(huán)境復雜的場地，GCL不能替代HDPE膜。

GCL從20世紀90年代被引入國內(nèi)。2008年奧運龍形水系防滲工程和2010 年上海世博會場館地下室基礎(chǔ)防滲工程采用GCL，使其優(yōu)異的防滲性能和生態(tài)友好特性為大家所熟知[2]。作為GCL生產(chǎn)商，我們發(fā)現(xiàn)部分用戶對GCL的認識存在一些偏差，如天然鈉基膨潤土和人工鈉基膨潤土的優(yōu)劣、GCL防滲性能的認識、GCL防滲性能影響因素、現(xiàn)行檢測標準的可靠性等。針對上述問題，本文通過基礎(chǔ)分析、國外研究成果展示、實驗室試驗、工藝講解分析等手段做出分析和闡述。

2 編織布對GCL的影響

目前應用最廣泛的針刺型鈉基膨潤土防水毯的加工流程如圖1所示。編織布為載布，撒土裝置將膨潤土鋪在編織布上，經(jīng)刮刀調(diào)整膨潤土厚度，然后上層覆蓋無紡布，通過針刺機的刺針將無紡布上的纖維固結(jié)到下層編織布上，形成穩(wěn)定的三明治結(jié)構(gòu)。

圖1 針刺鈉基膨潤土防水毯加工流程Fig.1 Manufacturing process of needle-punched geosynthetic clay liner(GCL)

標準JG/T 193—2006[3]要求GCL厚度≥6 mm，除去上下層土工布，中間的膨潤土厚度約為5 mm，編織布略微不平整就會影響膨潤土的鋪設(shè)，從而影響GCL的均勻度。國內(nèi)編織布分為2種：平織編織布和圓織編織布，就平整度而言，目前平織編織布平整度遠好于圓織編織布。

2.1 平織編織布

平織編織布的生產(chǎn)遵循傳統(tǒng)織造技術(shù)，在織造過程中，經(jīng)紗均勻纏繞在經(jīng)軸上，緯紗通過引緯器與經(jīng)紗交織，打緯機構(gòu)將緯紗打入織口，如此往復得到平織編織布。平織編織布的優(yōu)點是織物外觀平整，經(jīng)緯向性能差異小，當作為GCL載布時，膨潤土可以連續(xù)且均勻鋪設(shè)在上面，產(chǎn)品整體性能均衡穩(wěn)定。圖2為載布為平織編織布的GCL生產(chǎn)圖。

圖2 載布為平織編織布的GCL生產(chǎn)Fig.2 Photos of GCL production with plain woven as carrier

由于平織編織布在生產(chǎn)上存在一些局限性，使其在GCL領(lǐng)域中應用的比例很小，并沒有大面積推廣開來。首先是幅寬限制，平織編織布緯紗需要由投梭器從一端引到另一端，幅寬越寬，投梭器行程和所需動能越大，對織機性能要求越高。目前國內(nèi)織機幅寬絕大部分都在5.5 m以下，而國內(nèi)GCL主要是以6 m幅寬為主，單塊平織編織布是不能夠滿足6 m幅寬GCL生產(chǎn)要求的。如使用平織編織布生產(chǎn)6 m幅寬GCL，需要2塊編織布拼接，而這不僅會造成原料浪費，同時需要對設(shè)備進行大幅度升級改造。此外，由于平織編織布生產(chǎn)工藝流程長、生產(chǎn)效率低、織機價格昂貴等因素，其產(chǎn)品價格遠高于圓織編織布的價格，因此，在國內(nèi)GCL市場上，只有少數(shù)幾個生產(chǎn)廠家使用平織編織布生產(chǎn)GCL。

2.2 圓織編織布

相比于傳統(tǒng)織造技術(shù)，圓織機采用多梭引緯，并且經(jīng)紗從經(jīng)紗架直接引入機器，省去整經(jīng)工序，在織造過程中，由于沒有打緯機構(gòu)，又省去打緯步驟，使得生產(chǎn)效率大幅度提升，產(chǎn)品價格較為低廉。圓織機的結(jié)構(gòu)緊湊，圓形織口使其幅寬不受限制，目前市面上6 m及以上幅寬編織布，基本上都是圓織。因此，在以6 m幅寬為主的國內(nèi)GCL市場上，絕大多數(shù)生產(chǎn)商都采用圓織編織布作為載布。

由圖3可知，圓織編織布經(jīng)緯向張力明顯不勻，致使布面平整度很差。在GCL生產(chǎn)過程中，即使施加一定外力使其展平(如增加一個擴布輥或者用人力拽扯編織布)，但隨著編織布向前推進，編織布還是會恢復到初始形態(tài)。由圓織編織布生產(chǎn)工藝引起的張力不勻，目前是不能消除的。如圖4所示，布面不平整帶來的最直接的后果就是缺土，這些缺土的部位最后都會成為整個GCL防滲系統(tǒng)的缺口。

圖3 編織布布面對比Fig.3 Comparison of the flatness between geo-wovens

圖4 載布為圓織編織布的GCL生產(chǎn)Fig.4 Photos of GCL production with circular woven as carrier

顆粒膨潤土的密度約為1.03 g/cm3，以5 000 g/m2的GCL為例，其膨潤土厚度大約為5 mm，厚度每相差1 mm，克重就相差約1 000 g/m2，編織布的略微不平就會影響膨潤土的分布，造成膨潤土克重分布不均。

表1為膨潤土克重對滲透系數(shù)的影響。由表1可知，克重對GCL防滲性能的影響是顯而易見的。膨潤土另外一個特性就是可自愈，<2 mm的空隙，膨潤土遇水膨脹后是可以愈合的。由圖4所示的圓織編織布鋪土效果可知，肉眼明顯可見cm級漏洞，通過膨潤土自身的膨脹特性是不能愈合的。膨潤土作為GCL的主防滲材料，其均勻、連續(xù)鋪設(shè)，是GCL防滲系統(tǒng)能夠發(fā)揮作用的關(guān)鍵，以圓織編織布為載布的GCL，其整體防滲性能是不可能達到要求的。

表1 膨潤土克重對滲透系數(shù)的影響[4]Table 1 Influence of bentonite weight on permeability coefficient[4]

圖5為圓織編織布GCL結(jié)構(gòu)示意圖，其布面不平整帶來的問題，不僅僅是克重不均勻，還有不斷出現(xiàn)的缺土部位。作為膨潤土的載布，編織布在為GCL提供必要的力學性能外，其平整度直接影響膨潤土鋪土的均勻度和連續(xù)性，從而影響GCL的防滲效果。需要強調(diào)的是，平織編織布的平整度與其生產(chǎn)工藝有很大的關(guān)系，并不是所有的平織編織布都可以用來生產(chǎn)GCL，如經(jīng)紗張力不勻會嚴重影響平織編織布的平整度。此外，運輸過程中野蠻裝卸也會對其平整度產(chǎn)生影響。

圖5 圓織編織布GCL示意圖Fig.5 Schematic diagram of circular woven GCL

3 膨潤土對GCL的影響

在GCL中，膨潤土起主要防滲作用。膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產(chǎn)，遇水膨脹是其主要物理特性之一。膨潤土通過水化作用，使其主要成分蒙脫石吸水發(fā)生層間膨脹，形成滲透系數(shù)很小的材料(滲透系數(shù)<10-11m/s)，可以有效地防止?jié)B濾液向周圍環(huán)境遷移[5]。膨潤土與水反應時的膨脹系數(shù)可達24 mL/(2 g)以上，膨潤土在有限空間內(nèi)膨脹，形成凝膠態(tài)橫膈膜阻水層，起到優(yōu)異的防滲效果。

3.1 天然鈉基膨潤土與人工鈉基膨潤土的差別

由于蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)帶負電荷，為達到電價平衡，蒙脫石晶胞會吸附交換性陽離子，使其位于單元層之間，如圖6所示。

圖6 蒙脫石礦物晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Mineral crystal structure of montmorillonite

關(guān)于天然鈉基膨潤土和人工鈉基膨潤土的性能爭論，源于20多年前的美國捷高與德國諾維。美國捷高(CETCO)擁有懷俄明的優(yōu)質(zhì)天然膨潤土，因此宣傳天然鈉基膨潤土性能優(yōu)于人工鈉基膨潤土，對以德國諾維(NAUE)為主的使用人工鈉基膨潤土的GCL生產(chǎn)商進行打壓。隨著對膨潤土的基礎(chǔ)研究不斷深入，近幾年爭論基本停止，認為天然鈉基膨潤土與人工鈉基膨潤土沒有好壞之分，符合標準的都是被認可的。標準JG/T 193—2006[3]對GCL中膨潤土的檢測指標有膨脹系數(shù)、濾失量、吸藍量、耐久性等，國外一些要求較高的項目中，還會要求測試碳酸鹽含量、陽離子交換量、層間電荷等。應根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判斷所用膨潤土是否符合要求，而不是根據(jù)膨潤土天然與否。

3.2 膨潤土粒徑對GCL的影響

目前GCL按照粒徑可以分為顆粒型和粉末型2大類，在國內(nèi)市場上，顆粒型GCL占主導地位，由于技術(shù)上的限制，粉末型GCL只有極少廠家能夠生產(chǎn)。

顆粒型GCL生產(chǎn)工藝簡單，刺針能夠輕易穿過顆粒型膨潤土，將帶過去的纖維較好地固結(jié)在編織布上，所得成品具有較好的力學性能。粉末型GCL生產(chǎn)工藝較為復雜，刺針穿過粉末型膨潤土的難度較大，同時對刺針的磨損成倍提升，刺針帶過去的纖維量相對較少，使得GCL剝離性能比顆粒型稍差。由于粉末型膨潤土成本比顆粒型膨潤土高很多，再加上工藝復雜，對刺針的損傷大，致使其成本較高。圖7為2種膨潤土的對照圖片。

圖7 顆粒型膨潤土與粉末型膨潤土Fig.7 Granular bentonite and powdered bentonite

由表2可知，粉末型GCL在克重小于顆粒型GCL的情況下，其防滲性能是顆粒型的2～6倍，耐靜水壓達到0.6 MPa，1 h無滲漏，遠高于顆粒型GCL。顆粒型膨潤土粒徑較大，表層遇水后形成防水膜，阻擋水分進入顆粒內(nèi)部，延緩膨潤土水化膨脹。與此同時，由于粒徑較大，膨潤土之間的空隙需要依靠自身膨脹封堵，其水化需要一定的時間，使其前期防滲性能較差。此外，顆粒型膨潤土較大的粒徑，使其所含雜質(zhì)成分較為復雜，在一定程度上會對其防滲性能產(chǎn)生一定的影響。粉末型GCL則能夠解決顆粒型GCL的缺點，由于粉末型GCL所采用的膨潤土粒徑為200目，較小且均勻的粒徑在遇水后形成完整的水化膜防水層，阻止水分的透過，從而在遇水初期就能起到良好的防滲效果。

表2 顆粒型GCL與粉末型GCL的性能對比

Table 2 Comparison of the performance between granular

bentonite GCL and powdered bentonite GCL

表3為顆粒型GCL與粉末型GCL遇水后，在不同時間下的滲透系數(shù)，顆粒型GCL在48 h后才表現(xiàn)出一定的防滲性能，96 h才能夠滿足標準要求，而粉末型GCL在整個前期都沒有水分滲出。顆粒型膨潤土粒徑較大，遇水響應速度慢，完全水化需要48 h或者更長時間，而這樣也完全符合國家有關(guān)標準的要求。而對于完全水化的2種GCL，粉末型的防滲性能是顆粒型的2～6倍。

表3 不同時間下滲透系數(shù)對比Table 3 Comparison of permeability of granular bentonite GCL and powdered bentonite GCL in the presence of water for different hours

注：樣品為隨機抽取，粉末型膨潤土前期為膨潤土吸水水化階段，該階段沒有滲濾液流出。

因此，在GCL的使用上，檢測合格的顆粒型GCL在一些情況下并不能滿足要求，應該根據(jù)工程的具體特點，正確選擇GCL類型。在一些防滲要求較高的工程，應該優(yōu)先選擇粉末型GCL。

4 關(guān)于GCL防滲性能的錯誤認識

目前GCL應用領(lǐng)域主要有環(huán)保、水利、建筑等領(lǐng)域，其中以環(huán)保和水利用量最大，但這2個領(lǐng)域?qū)CL防滲性能的認識存在偏差。

4.1 環(huán)保領(lǐng)域

與HDPE膜相比，GCL為次防滲層，一些從業(yè)人員認為GCL不重要，甚至可有可無。部分人的觀念是只要使用的HDPE膜質(zhì)量足夠好，就能保證工程質(zhì)量，GCL只需達到最低標準要求即可。正是這種思想的存在，導致大量的圓織編織布生產(chǎn)的GCL充斥市場，給工程質(zhì)量埋下安全隱患。

如圖8所示，美國土工合成材料研究所(GSI)George Koener博士通過對美國199個垃圾填埋場防滲系統(tǒng)進行對比發(fā)現(xiàn)[9]，與GM(土工膜)和GM/CCL(土工膜/壓實黏土層)防滲系統(tǒng)相比，GM/GCL(土工膜/鈉基膨潤土防水毯)防滲系統(tǒng)的防滲效果最好。只使用GM作為防滲系統(tǒng)，其防滲效果是最差的。

圖8 3種防滲系統(tǒng)防滲效果對比[9]Fig.8 Comparison of the seepage-control effect among three different anti-seepage systems[9]

因此，部分從業(yè)人員只使用優(yōu)質(zhì)的HDPE膜來達到優(yōu)異的防滲效果在現(xiàn)實中是行不通的，GCL作為次防滲層并不是可有可無的，而是在整個防滲系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

4.2 水利及園林景觀領(lǐng)域

2008年奧運龍形水系防滲工程采用GCL并取得良好的防滲效果，使得GCL在水利上得到廣泛的應用，但隨后在水利及園林景觀領(lǐng)域，采用GCL做防滲工程鮮有成功，導致一些人認為GCL就是滲漏，一些單位放棄使用 GCL。

由表2可知，顆粒型GCL的滲透系數(shù)≤5×10-11m/s，粉末型GCL的滲透系數(shù)≤1×10-11m/s，都遠高于水利要求的≤1×10-7m/s，理論上GCL能夠完美符合水利和景觀防滲要求。理論與實際的差別主要有3方面原因造成。

(1) 圓織編織布GCL的使用。由于防滲要求相對較低，水利上通常采用單層防滲；由圖4、圖5可知，圓織編織布作為載布，其布面嚴重不平整，使得生產(chǎn)出的GCL存在缺土和少土的部位，這些部位就是明顯的漏點，因此使用圓織編織布GCL作為防滲層的水利項目是不可能成功的。

(2) 膨潤土粒徑的影響。顆粒型GCL也是導致失敗的主要原因之一；由表3可知，顆粒型GCL遇水初期的防滲效果較差，在遇水前期大部分水會滲漏掉，給人一種GCL不防滲的印象；如果GCL鋪設(shè)在砂性地基上，過多水分透過對地基穩(wěn)定性也會帶來嚴重的影響。

(3) 施工。正確的施工是GCL能夠發(fā)揮其優(yōu)異防滲性能的保證；搭接部位無紡布較強的導滲作用往往容易被忽略，若不能有效阻斷無紡布的導滲作用，則整個搭接處理是不成功的；施工單位需要嚴格按照設(shè)計要求和施工規(guī)范進行搭接處理，最大限度地消除無紡布的導滲作用給GCL防滲性能帶來的影響。

5 檢測盲區(qū)

GCL在工程上能夠使用，必定是通過第三方檢測的，檢測合格的產(chǎn)品在實際應用中出現(xiàn)如此多的問題，說明現(xiàn)行的檢測標準存在問題，檢測合格的GCL產(chǎn)品并不一定能夠使用。

(1) 國內(nèi)外對GCL平整度或漏點的檢測以及技術(shù)規(guī)范要求上，基本上處于空白?，F(xiàn)有GCL檢測標準，對產(chǎn)品平整度和漏點沒有要求，使得價格低廉、幅寬較寬的圓織編織布廣泛應用在GCL的生產(chǎn)中，而現(xiàn)行標準體現(xiàn)不出2種編織布生產(chǎn)出的GCL在滲透系數(shù)上的差別。由于GCL上層覆蓋有無紡布，很難通過外觀分辨產(chǎn)品的好壞，檢測機構(gòu)提供的檢測報告又不涉及該點的檢測，使得普通使用者不能夠分辨出產(chǎn)品的優(yōu)劣。

(2) 現(xiàn)有檢測標準不能反映出GCL初始滲透系數(shù)。標準JG/T 193—2006測試GCL滲透系數(shù)時要求GCL水化48 h以后開始測試，當數(shù)值穩(wěn)定后測試停止。此項規(guī)定是基于對顆粒型膨潤土特性的認識，表3對比了顆粒型GCL與粉末型GCL遇水后不同時間下的滲透系數(shù)，顆粒型GCL遇水初期的防滲性能較差，但標準對GCL前期的防滲效果不做要求，而實際工程中不可能忽略顆粒型GCL前48 h的防滲效果較差的特性。標準應該對GCL各個時段的防滲系數(shù)做出要求，方便設(shè)計人員和使用單位對材料有綜合的認識。對前期防滲要求較高的工程，應選用粉末型GCL。

(3) 取樣面積偏小容易使檢測人員產(chǎn)生誤判。GCL幅寬通常為6 m，而測試滲透系數(shù)的樣品直徑通常不大于10 cm，取樣面積偏小，導致取到有缺陷部分的幾率降低。此外，一些檢測機構(gòu)對GCL的防滲原理和生產(chǎn)過程不了解，會忽略或避開缺土和少土的部位，使得測試出的結(jié)果給使用者帶來誤導。

6 結(jié) 論

(1) 不平整載布不宜用于GCL的生產(chǎn)。

(2) 天然鈉基膨潤土和人工鈉基膨潤土沒有優(yōu)劣之分。

(3) 以GCL為主防滲層的工程，應該使用粉末型GCL。

(4) 在環(huán)保領(lǐng)域，GCL作為次防滲層，是整個防滲系統(tǒng)的重要組成部分。

(5) GCL在水利領(lǐng)域失敗的原因主要是圓織編織布、顆粒型GCL的使用以及不規(guī)范施工。

(6) GCL檢測標準應增加平整度或漏點檢測，并應能反映GCL前期滲透系數(shù)。

[1] 周正兵，王 釗，王俊奇. GCL——一種新型復合土工材料的特性及應用綜述[J]. 長江科學院院報，2002，19(1)： 35-38.

[2] 巴 圖.膨潤土防水毯特性測試及對其防滲性能影響的研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2011.

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(編輯：陳 敏)

Common Problems of Geosynthetic Clay Liner

XIE Shi-ping, HE Shun-hui, ZHANG Jian

(Tianjin Zhonglian Gelin Science and Technology Development Co. Ltd., Tianjin 301617, China )

As an alternative of traditional compacted clay layer,sodium bentonite geosynthetic clay liner(hereinafterreferred to as GCL) has excellent performance of anti-seepage and isolation， hence has been widely used in the anti-seepage engineering of water conservancy, environmental protection, transportation and other fields. GCL has been applied in China for over two decades, but misunderstandings about GCL still exist, which hinders the further application of GCL. In this article, problems of GCL, inclusive of the flatness of geo-woven, the performance of bentonite, the cognition and the testing methods, are expounded according to our experiences in GCL production and research for over a decade. Results suggest that uneven geo-woven is not available for producing GCL; powdered GCL should be selected for project with GCL as a main impermeable layer; although as a secondary barrier layer in environmental projects, GCL is an important part of the whole anti-seepage system; detection of flatness and leakage should be included and also the early hydraulic conductivity of GCL should be reflected in the testing standards of GCL.

GCL; natural bentonite; circular geo-woven; powdered bentonite; flatness

2016-09-30；

2016-12-29

謝世平(1963-)，男，湖南桃江人，副研究員，碩士，主要從事與膨潤土、GCL相關(guān)的生產(chǎn)和科研工作，(電話)022-68650668(電子信箱)tjzlgl@163.com。

10.11988/ckyyb.20161011

TU443

A

1001-5485(2017)02-0008-05

2017,34(2):8-12,16