GCL常见问题分析

谢世平，何顺辉，张 健

(天津中联格林科技发展有限公司，天津 301617 )

GCL常见问题分析

谢世平，何顺辉，张 健

(天津中联格林科技发展有限公司，天津 301617 )

钠基膨润土防水毯(以下简称GCL)作为传统压实黏土层的替代者，具有优异的防渗隔离性能，被广泛应用于水利、环保、交通等领域的防水防渗工程。GCL在国内应用已有20多年，但人们对其认识还存在一定的误区，阻碍了GCL的进一步推广应用。为消除人们对GCL的错误认识，加深对GCL的理解，基于多年的GCL生产和研究经验，阐述了编织布平整度、膨润土特性、GCL认知、测试方法等方面存在的问题。研究结果表明：不平整载布不宜用于GCL的生产；以GCL为主防渗层的工程，应该使用粉末型GCL；GCL作为环保工程的次防渗层，是整个防渗系统的重要组成部分；GCL检测标准应增加平整度或漏点检测，并应能反映GCL前期渗透系数。

GCL；天然膨润土；圆织编织布；粉状膨润土；平整度

1 研究背景

钠基膨润土防水毯(GCL)是一种以膨润土为主防渗材料的新型土工合成材料，它是将钠基膨润土颗粒或粉末通过针刺等工艺，均匀固定在2层土工布之间制成的一种毯状防水材料。GCL既有土工材料的密封、隔离和增强作用，又具有优异的防水(渗)性能，是现代土木工程中不可或缺的高性能材料之一。

GCL最初被发明的目的是替代压实黏土层(CCL)，解决部分工程所在地缺乏黏土资源的问题。相比于CCL和HDPE膜，GCL具有柔韧性好、抗干湿冻融循环、自愈性好、施工简单等特点[1]。GCL防渗性能优于压实黏土而低于HDPE膜，吸附和生态性能优于HDPE膜，低于黏土。在防渗要求较高或者环境复杂的场地，GCL不能替代HDPE膜。

GCL从20世纪90年代被引入国内。2008年奥运龙形水系防渗工程和2010 年上海世博会场馆地下室基础防渗工程采用GCL，使其优异的防渗性能和生态友好特性为大家所熟知[2]。作为GCL生产商，我们发现部分用户对GCL的认识存在一些偏差，如天然钠基膨润土和人工钠基膨润土的优劣、GCL防渗性能的认识、GCL防渗性能影响因素、现行检测标准的可靠性等。针对上述问题，本文通过基础分析、国外研究成果展示、实验室试验、工艺讲解分析等手段做出分析和阐述。

2 编织布对GCL的影响

目前应用最广泛的针刺型钠基膨润土防水毯的加工流程如图1所示。编织布为载布，撒土装置将膨润土铺在编织布上，经刮刀调整膨润土厚度，然后上层覆盖无纺布，通过针刺机的刺针将无纺布上的纤维固结到下层编织布上，形成稳定的三明治结构。

图1 针刺钠基膨润土防水毯加工流程Fig.1 Manufacturing process of needle-punched geosynthetic clay liner(GCL)

标准JG/T 193—2006[3]要求GCL厚度≥6 mm，除去上下层土工布，中间的膨润土厚度约为5 mm，编织布略微不平整就会影响膨润土的铺设，从而影响GCL的均匀度。国内编织布分为2种：平织编织布和圆织编织布，就平整度而言，目前平织编织布平整度远好于圆织编织布。

2.1 平织编织布

平织编织布的生产遵循传统织造技术，在织造过程中，经纱均匀缠绕在经轴上，纬纱通过引纬器与经纱交织，打纬机构将纬纱打入织口，如此往复得到平织编织布。平织编织布的优点是织物外观平整，经纬向性能差异小，当作为GCL载布时，膨润土可以连续且均匀铺设在上面，产品整体性能均衡稳定。图2为载布为平织编织布的GCL生产图。

图2 载布为平织编织布的GCL生产Fig.2 Photos of GCL production with plain woven as carrier

由于平织编织布在生产上存在一些局限性，使其在GCL领域中应用的比例很小，并没有大面积推广开来。首先是幅宽限制，平织编织布纬纱需要由投梭器从一端引到另一端，幅宽越宽，投梭器行程和所需动能越大，对织机性能要求越高。目前国内织机幅宽绝大部分都在5.5 m以下，而国内GCL主要是以6 m幅宽为主，单块平织编织布是不能够满足6 m幅宽GCL生产要求的。如使用平织编织布生产6 m幅宽GCL，需要2块编织布拼接，而这不仅会造成原料浪费，同时需要对设备进行大幅度升级改造。此外，由于平织编织布生产工艺流程长、生产效率低、织机价格昂贵等因素，其产品价格远高于圆织编织布的价格，因此，在国内GCL市场上，只有少数几个生产厂家使用平织编织布生产GCL。

2.2 圆织编织布

相比于传统织造技术，圆织机采用多梭引纬，并且经纱从经纱架直接引入机器，省去整经工序，在织造过程中，由于没有打纬机构，又省去打纬步骤，使得生产效率大幅度提升，产品价格较为低廉。圆织机的结构紧凑，圆形织口使其幅宽不受限制，目前市面上6 m及以上幅宽编织布，基本上都是圆织。因此，在以6 m幅宽为主的国内GCL市场上，绝大多数生产商都采用圆织编织布作为载布。

由图3可知，圆织编织布经纬向张力明显不匀，致使布面平整度很差。在GCL生产过程中，即使施加一定外力使其展平(如增加一个扩布辊或者用人力拽扯编织布)，但随着编织布向前推进，编织布还是会恢复到初始形态。由圆织编织布生产工艺引起的张力不匀，目前是不能消除的。如图4所示，布面不平整带来的最直接的后果就是缺土，这些缺土的部位最后都会成为整个GCL防渗系统的缺口。

图3 编织布布面对比Fig.3 Comparison of the flatness between geo-wovens

图4 载布为圆织编织布的GCL生产Fig.4 Photos of GCL production with circular woven as carrier

颗粒膨润土的密度约为1.03 g/cm3，以5 000 g/m2的GCL为例，其膨润土厚度大约为5 mm，厚度每相差1 mm，克重就相差约1 000 g/m2，编织布的略微不平就会影响膨润土的分布，造成膨润土克重分布不均。

表1为膨润土克重对渗透系数的影响。由表1可知，克重对GCL防渗性能的影响是显而易见的。膨润土另外一个特性就是可自愈，<2 mm的空隙，膨润土遇水膨胀后是可以愈合的。由图4所示的圆织编织布铺土效果可知，肉眼明显可见cm级漏洞，通过膨润土自身的膨胀特性是不能愈合的。膨润土作为GCL的主防渗材料，其均匀、连续铺设，是GCL防渗系统能够发挥作用的关键，以圆织编织布为载布的GCL，其整体防渗性能是不可能达到要求的。

表1 膨润土克重对渗透系数的影响[4]Table 1 Influence of bentonite weight on permeability coefficient[4]

图5为圆织编织布GCL结构示意图，其布面不平整带来的问题，不仅仅是克重不均匀，还有不断出现的缺土部位。作为膨润土的载布，编织布在为GCL提供必要的力学性能外，其平整度直接影响膨润土铺土的均匀度和连续性，从而影响GCL的防渗效果。需要强调的是，平织编织布的平整度与其生产工艺有很大的关系，并不是所有的平织编织布都可以用来生产GCL，如经纱张力不匀会严重影响平织编织布的平整度。此外，运输过程中野蛮装卸也会对其平整度产生影响。

图5 圆织编织布GCL示意图Fig.5 Schematic diagram of circular woven GCL

3 膨润土对GCL的影响

在GCL中，膨润土起主要防渗作用。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，遇水膨胀是其主要物理特性之一。膨润土通过水化作用，使其主要成分蒙脱石吸水发生层间膨胀，形成渗透系数很小的材料(渗透系数<10-11m/s)，可以有效地防止渗滤液向周围环境迁移[5]。膨润土与水反应时的膨胀系数可达24 mL/(2 g)以上，膨润土在有限空间内膨胀，形成凝胶态横膈膜阻水层，起到优异的防渗效果。

3.1 天然钠基膨润土与人工钠基膨润土的差别

由于蒙脱石晶体结构带负电荷，为达到电价平衡，蒙脱石晶胞会吸附交换性阳离子，使其位于单元层之间，如图6所示。

图6 蒙脱石矿物晶体结构示意图Fig.6 Mineral crystal structure of montmorillonite

关于天然钠基膨润土和人工钠基膨润土的性能争论，源于20多年前的美国捷高与德国诺维。美国捷高(CETCO)拥有怀俄明的优质天然膨润土，因此宣传天然钠基膨润土性能优于人工钠基膨润土，对以德国诺维(NAUE)为主的使用人工钠基膨润土的GCL生产商进行打压。随着对膨润土的基础研究不断深入，近几年争论基本停止，认为天然钠基膨润土与人工钠基膨润土没有好坏之分，符合标准的都是被认可的。标准JG/T 193—2006[3]对GCL中膨润土的检测指标有膨胀系数、滤失量、吸蓝量、耐久性等，国外一些要求较高的项目中，还会要求测试碳酸盐含量、阳离子交换量、层间电荷等。应根据检测数据判断所用膨润土是否符合要求，而不是根据膨润土天然与否。

3.2 膨润土粒径对GCL的影响

目前GCL按照粒径可以分为颗粒型和粉末型2大类，在国内市场上，颗粒型GCL占主导地位，由于技术上的限制，粉末型GCL只有极少厂家能够生产。

颗粒型GCL生产工艺简单，刺针能够轻易穿过颗粒型膨润土，将带过去的纤维较好地固结在编织布上，所得成品具有较好的力学性能。粉末型GCL生产工艺较为复杂，刺针穿过粉末型膨润土的难度较大，同时对刺针的磨损成倍提升，刺针带过去的纤维量相对较少，使得GCL剥离性能比颗粒型稍差。由于粉末型膨润土成本比颗粒型膨润土高很多，再加上工艺复杂，对刺针的损伤大，致使其成本较高。图7为2种膨润土的对照图片。

图7 颗粒型膨润土与粉末型膨润土Fig.7 Granular bentonite and powdered bentonite

由表2可知，粉末型GCL在克重小于颗粒型GCL的情况下，其防渗性能是颗粒型的2～6倍，耐静水压达到0.6 MPa，1 h无渗漏，远高于颗粒型GCL。颗粒型膨润土粒径较大，表层遇水后形成防水膜，阻挡水分进入颗粒内部，延缓膨润土水化膨胀。与此同时，由于粒径较大，膨润土之间的空隙需要依靠自身膨胀封堵，其水化需要一定的时间，使其前期防渗性能较差。此外，颗粒型膨润土较大的粒径，使其所含杂质成分较为复杂，在一定程度上会对其防渗性能产生一定的影响。粉末型GCL则能够解决颗粒型GCL的缺点，由于粉末型GCL所采用的膨润土粒径为200目，较小且均匀的粒径在遇水后形成完整的水化膜防水层，阻止水分的透过，从而在遇水初期就能起到良好的防渗效果。

表2 颗粒型GCL与粉末型GCL的性能对比

Table 2 Comparison of the performance between granular

bentonite GCL and powdered bentonite GCL

表3为颗粒型GCL与粉末型GCL遇水后，在不同时间下的渗透系数，颗粒型GCL在48 h后才表现出一定的防渗性能，96 h才能够满足标准要求，而粉末型GCL在整个前期都没有水分渗出。颗粒型膨润土粒径较大，遇水响应速度慢，完全水化需要48 h或者更长时间，而这样也完全符合国家有关标准的要求。而对于完全水化的2种GCL，粉末型的防渗性能是颗粒型的2～6倍。

表3 不同时间下渗透系数对比Table 3 Comparison of permeability of granular bentonite GCL and powdered bentonite GCL in the presence of water for different hours

注：样品为随机抽取，粉末型膨润土前期为膨润土吸水水化阶段，该阶段没有渗滤液流出。

因此，在GCL的使用上，检测合格的颗粒型GCL在一些情况下并不能满足要求，应该根据工程的具体特点，正确选择GCL类型。在一些防渗要求较高的工程，应该优先选择粉末型GCL。

4 关于GCL防渗性能的错误认识

目前GCL应用领域主要有环保、水利、建筑等领域，其中以环保和水利用量最大，但这2个领域对GCL防渗性能的认识存在偏差。

4.1 环保领域

与HDPE膜相比，GCL为次防渗层，一些从业人员认为GCL不重要，甚至可有可无。部分人的观念是只要使用的HDPE膜质量足够好，就能保证工程质量，GCL只需达到最低标准要求即可。正是这种思想的存在，导致大量的圆织编织布生产的GCL充斥市场，给工程质量埋下安全隐患。

如图8所示，美国土工合成材料研究所(GSI)George Koener博士通过对美国199个垃圾填埋场防渗系统进行对比发现[9]，与GM(土工膜)和GM/CCL(土工膜/压实黏土层)防渗系统相比，GM/GCL(土工膜/钠基膨润土防水毯)防渗系统的防渗效果最好。只使用GM作为防渗系统，其防渗效果是最差的。

图8 3种防渗系统防渗效果对比[9]Fig.8 Comparison of the seepage-control effect among three different anti-seepage systems[9]

因此，部分从业人员只使用优质的HDPE膜来达到优异的防渗效果在现实中是行不通的，GCL作为次防渗层并不是可有可无的，而是在整个防渗系统中发挥重要的作用。

4.2 水利及园林景观领域

2008年奥运龙形水系防渗工程采用GCL并取得良好的防渗效果，使得GCL在水利上得到广泛的应用，但随后在水利及园林景观领域，采用GCL做防渗工程鲜有成功，导致一些人认为GCL就是渗漏，一些单位放弃使用 GCL。

由表2可知，颗粒型GCL的渗透系数≤5×10-11m/s，粉末型GCL的渗透系数≤1×10-11m/s，都远高于水利要求的≤1×10-7m/s，理论上GCL能够完美符合水利和景观防渗要求。理论与实际的差别主要有3方面原因造成。

(1) 圆织编织布GCL的使用。由于防渗要求相对较低，水利上通常采用单层防渗；由图4、图5可知，圆织编织布作为载布，其布面严重不平整，使得生产出的GCL存在缺土和少土的部位，这些部位就是明显的漏点，因此使用圆织编织布GCL作为防渗层的水利项目是不可能成功的。

(2) 膨润土粒径的影响。颗粒型GCL也是导致失败的主要原因之一；由表3可知，颗粒型GCL遇水初期的防渗效果较差，在遇水前期大部分水会渗漏掉，给人一种GCL不防渗的印象；如果GCL铺设在砂性地基上，过多水分透过对地基稳定性也会带来严重的影响。

(3) 施工。正确的施工是GCL能够发挥其优异防渗性能的保证；搭接部位无纺布较强的导渗作用往往容易被忽略，若不能有效阻断无纺布的导渗作用，则整个搭接处理是不成功的；施工单位需要严格按照设计要求和施工规范进行搭接处理，最大限度地消除无纺布的导渗作用给GCL防渗性能带来的影响。

5 检测盲区

GCL在工程上能够使用，必定是通过第三方检测的，检测合格的产品在实际应用中出现如此多的问题，说明现行的检测标准存在问题，检测合格的GCL产品并不一定能够使用。

(1) 国内外对GCL平整度或漏点的检测以及技术规范要求上，基本上处于空白。现有GCL检测标准，对产品平整度和漏点没有要求，使得价格低廉、幅宽较宽的圆织编织布广泛应用在GCL的生产中，而现行标准体现不出2种编织布生产出的GCL在渗透系数上的差别。由于GCL上层覆盖有无纺布，很难通过外观分辨产品的好坏，检测机构提供的检测报告又不涉及该点的检测，使得普通使用者不能够分辨出产品的优劣。

(2) 现有检测标准不能反映出GCL初始渗透系数。标准JG/T 193—2006测试GCL渗透系数时要求GCL水化48 h以后开始测试，当数值稳定后测试停止。此项规定是基于对颗粒型膨润土特性的认识，表3对比了颗粒型GCL与粉末型GCL遇水后不同时间下的渗透系数，颗粒型GCL遇水初期的防渗性能较差，但标准对GCL前期的防渗效果不做要求，而实际工程中不可能忽略颗粒型GCL前48 h的防渗效果较差的特性。标准应该对GCL各个时段的防渗系数做出要求，方便设计人员和使用单位对材料有综合的认识。对前期防渗要求较高的工程，应选用粉末型GCL。

(3) 取样面积偏小容易使检测人员产生误判。GCL幅宽通常为6 m，而测试渗透系数的样品直径通常不大于10 cm，取样面积偏小，导致取到有缺陷部分的几率降低。此外，一些检测机构对GCL的防渗原理和生产过程不了解，会忽略或避开缺土和少土的部位，使得测试出的结果给使用者带来误导。

6 结 论

(1) 不平整载布不宜用于GCL的生产。

(2) 天然钠基膨润土和人工钠基膨润土没有优劣之分。

(3) 以GCL为主防渗层的工程，应该使用粉末型GCL。

(4) 在环保领域，GCL作为次防渗层，是整个防渗系统的重要组成部分。

(5) GCL在水利领域失败的原因主要是圆织编织布、颗粒型GCL的使用以及不规范施工。

(6) GCL检测标准应增加平整度或漏点检测，并应能反映GCL前期渗透系数。

[1] 周正兵，王 钊，王俊奇. GCL——一种新型复合土工材料的特性及应用综述[J]. 长江科学院院报，2002，19(1)： 35-38.

[2] 巴 图.膨润土防水毯特性测试及对其防渗性能影响的研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2011.

[3] JG/T 193—2006，钠基膨润土防水毯[S]. 北京：中国标准出版社，2006.

[4] 郑勇亚.膨润土防水毯应用若干问题探讨[J].中国建筑防水，2011，21(9)：4-7.

[5] 何 俊.膨润土水化膨胀行为简化计算[J].河海大学学报(自然科学版)，2006，34(3)：299-301.

[6] GB/T 20973—2007，膨润土[S].北京：中国标准出版社，2007.

[7]ASTM D5993—14, Standard Test Method for Measuring Mass Per Unit of Geosynthetic Clay Liners[S]. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2014.

[8] ASTM D5887—16, Standard Test Method for Measurement of Index Flux Through Saturated Geosynthetic Clay Liner Specimens Using a Flexible Wall Permeameter[S].West Conshohocken, PA: ASTM International, 2016.

[9] BONAPARTE R,DANIEL D E,KOERNER R M.Assessment and Recommendations for Improving the Performance of Waste Containment Systems[R].Cincinnati,Ohio:USEPA,National Risk Management Research Laboratory,2009.

(编辑：陈 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

谢世平(1963-)，男，湖南桃江人，副研究员，硕士，主要从事与膨润土、GCL相关的生产和科研工作，(电话)022-68650668(电子信箱)tjzlgl@163.com。

10.11988/ckyyb.20161011

TU443

A

1001-5485(2017)02-0008-05

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