關于膨潤土防水毯的化學相容性試驗及抗污抗鹽型膨潤土的研究進展

王菲菲 徐傳云 左明

1.杭州市城市建設科學研究院 浙江杭州 310007 2.浙江省地質礦產研究所 浙江杭州310007

前言

膨潤土由于具有良好的膨脹性、分散性及吸附性，作為防滲隔離層廣泛被用于堤壩及開挖工程，以防止含鹽水侵蝕礦層、控制地下水污染。鈉基膨潤土晶體平均尺寸更小、分散性好，膨脹力很強，吸水率在4-6之間，加之層間雙層水化殼，持水能力強，水化飽和后形成一層致密的凝膠體，阻礙孔隙水流動。因此，鈉基膨潤土的滲透性遠低于鈣基膨潤土，起到防水防滲的效果。

膨潤土防水毯（geosynthetic clay liner，簡稱GCL）是以鈉基膨潤土為主要成分的新型防水卷材，其在國內的應用不過十年時間，原料以人工鈉基膨潤土為主，近年來也出現了天然鈉基膨潤土防滲襯墊，而業界對GCL的反響也從熱衷回歸到理性看待。繼JC/T 193-2006《鈉基膨潤土防水毯》之后，2012年開始實施的JC/T 2054-2011《天然鈉基膨潤土防滲襯墊》刪除了關于耐久性的規定。以此看出業界觀點：天然鈉基膨潤土防滲襯墊更適合長期地下防滲工程，而對人工鈉基膨潤土防滲襯墊的長期表現仍存有很多質疑。

伴隨著膨潤土防水毯的推廣，在工程中暴露出一些缺陷。尤其是在鹽、堿等污染環境中，表現為滲透系數增加1-3個數量級，自愈能力變差，防滲性能下降。這主要是由高價鹽離子與膨潤土層間的鈉離子交換造成的。因此，評價膨潤土防水毯在復雜的地下環境中的滲透表現并研制抗污抗鹽型防水毯顯得尤為重要。本文綜述了膨潤土防水毯化學相容性研究、抗污抗鹽型防水毯及其在污染環境中適用性評估等的研究進展。

一、離子交換

影響膨潤土滲透系數的因素有滲透液的濃度、化合價及膨潤土的微觀結構。尤其當滲透液成分復雜，存在高濃度電解質時，離子交換作用能使鈉基膨潤土轉化為鈣基膨潤土，層間失水6-12%，片層團聚，滲透系數增大，防滲效果大打折扣。

天然鈉基膨潤土穩定性高，在完全離子交換后，仍能保留良好的分散性。而人工鈉基膨潤土（活化鈣土）因存在過量的堿，活性較高，鈉離子容易被高價陽離子置換出。

研究表明3%的Ca2+能完全置換鈉基膨潤土層間的鈉離子，在濕度較大環境中，1-2年后在離子交換作用下人工鈉土完全轉化為鈣基膨潤土。鈣基膨潤土層間只有一層水化殼，片層間剝離較差，層間含水量小，相應的滲透系數較大，且愈合能力差。Lin證實，以海水為滲透液，有效壓力17.5kN/m2，鈣基膨潤土防水毯經五次干濕循環后，無法通過膨脹完全愈合裂隙。

二、化學相容性

試驗方法及化學平衡終點標準

化學相容性試驗主要是研究在電解質作用下，膨潤土防水毯達到化學平衡后滲透系數變化來評價是否適用與受污染環境。

D6766-12《GCL與可能不相容溶液滲透后滲透系數測試》提供了進行GCL室內化學相容性滲透試驗的標準方法，該法將GCL與模擬化學測試液的滲透液分兩種情況，一種是先用去離子水對GCL預水合，飽和后再用測試液滲透；一種是直接用測試液水合、滲透。水化飽和要求進出水達到化學平衡，包括：對連續測試的進出水流量比、流量變化率的波動范圍在0.75-1.25之間；連續測試的滲透系數無明顯增減趨勢；經GCL樣品總流量至少2倍孔容（PVF）；進出水電導率比變化1.0+0.1等多項要求。

值得關注的是，化學相容性實驗長達數年，耗時較長。僅GCL樣品水化飽和要達到流經GCL樣品的總流量至少2倍孔容（PVF）的要求，需要1個月以上，達到出進水電導比1.0+0.1需要更長時間。

Jo[1]在D6766基礎上提出滲透試驗達到化學平衡的終點標準：滿足D6766同時，要求進出水電導率比變化1.0+0.5，進出水濃度比變化1.0+0.5，出水檢測不出Na+。達到這一平衡標準耗時較長，不現實。他又提出滿足D6766同時進出水電導率變化1.0+0.5，此時測得的滲透系數約是化學平衡時滲透系數KL的1/3。而達到這一標準也需耗時0.3-1.3年。

化學相容性試驗

關于滲透液中電解質濃度和化合價對GCL滲透系數的影響結論不一。如Lin認為電解質濃度影響很小，天然鈉基膨潤土防水毯在0.0125M的CaCl2溶液作用下滲透系數變化，發現單位面積質量4kg/m2的GCL D4000滲透系數增大6.4倍；單位面積8kg/m2的GCL D8000滲透系數增加大3.1倍。

Shackelforda通過兩種GCL樣品分別在低離子度地下水、尾礦工藝水和含有鋅、銅離子的模擬尾礦滲透液作用下的滲透表現，發現低離子度地下水入滲時GCL滲透系數較低，為1-3*10-9cm/s，而用工藝水和模擬尾礦水作滲透液，GCL的滲透系數平均值增大200-7600倍。

Bensona發現經處理后的GCL與超堿性溶液（1M的NaOH和CsCl的混合液）滲透接觸時的滲透系數先增大后稍降，增大幅度小于50倍。主要是NaOH破壞了膨潤土結構，同時置換表面的Ca2﹢，Mg2﹢離子增加了粘土的堿性。

可以確定的是滲透液中的陽離子與膨潤土層間的鈉離子發生離子交換，使膨潤土層間結構水和表面的結合水減少，膨脹性能降低，滲透系數增大。

三、膨潤土原料與GCL化學相容性

由于化學相容性試驗漫長，很難直接指導應用實踐，研究評價膨潤土原料對滲透液的化學相容性的快捷方法十分必要。D6141-09《GCL中粘土原料對滲透液的化學相容性篩查》提供了一種快速篩查法：密閉容器中粘土和滲透液混合泥漿調和24小時后過濾，測定濾失量和膨脹容。如果膨潤土處理前后差別較大，說明化學相容性較差，需要更多水力特性測試。

Lee將膨潤土的液限、沉積容和膨脹指數三個指標與滲透系數聯系起來，當指標超出某臨界值則滲透系數急劇增加，滲透性變差，即將三個指標的臨界值作為判斷化學相容性的參考。還有一些研究將滲透系數與膨脹容等指標結合起來，但有邊界條件限制。

四、抗污抗鹽型GCL

抗污抗鹽型膨潤土

抗污抗鹽型膨潤土主要是用高分子聚合物處理膨潤土，提高其化學相容性及在污染環境中的抗滲性。Di Emido報道了致密水合膨潤土——將膨潤土用羧甲基纖維素鈉和甲醇預水合，然后壓實，證實有較好的化學抵抗性。Takeshi報道了一種超級膨脹土MSB，是將質量分數25%的聚合物加入膨潤土中以增強在電解質溶液中的膨脹容。Andry等用離子型聚合物處理活化鈣基膨潤土，自由膨脹和吸水性測試表明：膨潤土與聚合物的混合物同時存在吸附、膨脹和滲透。不同類型聚合物作用不同：陰離子型聚合物能降低膨潤土的滲透系數，陽離子型聚合物能增強膨潤土的膨脹性。兩種類型聚合物共同作用于膨潤土，提高其保水性，保持其低滲性。Gretchen證實由CETCO公司生產的一種膨潤土聚合物納米復合材料BPN對不同濃度的CaCl2溶液有較好的抵抗陽離子交換的能力。BPN制備：先將丙烯酸單體、堿、引發劑與一定固含量的膨潤土混合，在一定溫度下引發聚合物鏈反應，形成一種聚合物與膨潤土交聯結構。這種交聯結構阻塞了膨潤土有效孔隙或吸附了溶液中的Ca2+，從而降低了膨潤土在鈣鹽溶液中滲透系數，達到抗鹽的目的。

抗污抗鹽型膨潤土的化學相容性評估

如何反映陽離子交換對膨潤土膨脹性、滲透性的影響。國外學者認為：溶質在膨潤土中遷移存在膜效應，即膜效應促進了溶質從低濃度到高濃度遷移的逆流超濾行為。而高價陽離子入侵，使膨潤土水化片層崩塌，滲透膨脹性降低，喪失膜效應。Gretchen用膜效率系數ω來衡量膨潤土聚合物納米復合材料BPN的抗鹽性。膜效率系數ω為化學滲透壓△P與理想半透膜化學滲透壓△π的比值。△P為膨潤土在不同濃度電解質作用下穩態時頂端和低端的化學滲透壓差。膜效率系數ω介于0－1之間，ω越大說明抗鹽性越好。實驗表明，BPN在5mMCaCl2溶液滲透下膜效率系數ω在硬壁滲透腔和柔壁滲透測試下分別為0.95，0.39，而天然鈉土在1mMCaCl2溶液滲透下的膜效率系數為0.29。對膨潤土抗鹽性的改善主要取決于膨潤土交聯結構中聚合物的類型、污染源的化學性質及工程特點。

Takeshi進行了超級膨潤土MSB和致密水合防滲襯墊DPHGCL在電解質作用下長期滲透實驗。發現MSB在長達7年的滲透實驗中滲透系數變化小于1個數量級；DPH-GCL在滲透液Ca?Cl2濃度小于1M時，滲透系數約1*10-12m/s。而這兩種改性膨潤土是否適用于實際污染環境，除了滲透實驗外還應考慮污染物的擴散與吸附、機械特性和熱力學特性。

結語

評價離子交換對膨潤土防水毯的滲透性影響，滲透試驗尤其化學相容性試驗雖耗時較長，但必不可少。針對具體工程，還要研究污染物在膨潤土中的遷移擴散、吸附規律以及機械性能、熱力學性能等。

[1]Ho Young Jo，Craig H.Benson，Charles D.Shackelford，Jae-Myung Lee，Tuncer B.Edil，M.ASCE.Long-Term hydraulic conduc?tivity of a geosynthetic clay liner permeated with inorganic salt solu?tions[J].Journal of geotechnical and geoenvironmental engineer?ing.2005:405-417.