陳濟(jì)美，魯義軍，龔 關(guān)

（1.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430034；2.東風(fēng)佛世通(武漢)汽車(chē)飾件系統(tǒng)有限公司，湖北 武漢 430056）

關(guān)于JG/T193-2006《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》有關(guān)問(wèn)題的討論

陳濟(jì)美1，魯義軍2，龔 關(guān)1

（1.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430034；2.東風(fēng)佛世通(武漢)汽車(chē)飾件系統(tǒng)有限公司，湖北 武漢 430056）

對(duì)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T193-2006《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》中有關(guān)膨潤(rùn)土的諸如標(biāo)準(zhǔn)的制定、標(biāo)準(zhǔn)的命名、膨潤(rùn)土吸藍(lán)量、鈉基膨潤(rùn)土、人工鈉基膨潤(rùn)土的變質(zhì)以及膨潤(rùn)土的耐久性等一些有爭(zhēng)議的問(wèn)題進(jìn)行了討論，并就有關(guān)膨潤(rùn)土防水毯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的編制提出了一些建議。

標(biāo)準(zhǔn)的制定；膨潤(rùn)土防水毯；鈉基膨潤(rùn)土

土工合成織物粘土墊，英文全名Geosynthetic Clay Liners 簡(jiǎn)稱(chēng)GCL。臺(tái)灣稱(chēng)為皂土布，國(guó)內(nèi)稱(chēng)為膨潤(rùn)土防水毯。GCL由于普遍使用于工民建筑、水利、鐵路、公路橋梁、環(huán)保垃圾填埋、城市花卉種植、林業(yè)育苗等諸多方面。近10年來(lái)，我國(guó)防水毯發(fā)展迅速。2006年國(guó)家建材測(cè)試中心主持編制了JG/T193-2006《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。這對(duì)于規(guī)范、監(jiān)控國(guó)內(nèi)防水毯的生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量是很有意義的，無(wú)疑它對(duì)防水毯的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量的提高起到積極的作用。本文主要就有關(guān)膨潤(rùn)土的一些有爭(zhēng)議的問(wèn)題[2-4]，提出看法并與同行探討。

1 標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)問(wèn)題及討論

1.1 關(guān)于《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》行標(biāo)的編制

《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》行標(biāo)的制定，其目的在于規(guī)范、監(jiān)控國(guó)內(nèi)膨潤(rùn)土防水毯產(chǎn)品的質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外，還應(yīng)著眼為今后國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定打基礎(chǔ)，既要有先進(jìn)性，又要強(qiáng)調(diào)與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)[5]接軌，并盡可能保持一致。本標(biāo)準(zhǔn)與ASTM等國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)相比，在膨潤(rùn)土材料的檢測(cè)方面，除了采用膨脹指數(shù)、濾失量?jī)身?xiàng)指標(biāo)外，還增加了吸藍(lán)量與耐久性等檢測(cè)項(xiàng)目與規(guī)定。

作者認(rèn)為，在有比較成熟的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的情況下，制定新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目與指標(biāo)的增減應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度，應(yīng)盡可能與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)保持一致，特別是我國(guó)使用與生產(chǎn)防水毯材料起步較晚，并缺乏經(jīng)驗(yàn)的情況下，增加某些檢測(cè)項(xiàng)目與指標(biāo)，不僅顯得依據(jù)不足，而且在某種程度上會(huì)束縛自己的手腳，使一些本來(lái)合格的產(chǎn)品變成不合格，引起一些不必要的爭(zhēng)議和資源的浪費(fèi)，不利于引導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展。

1.2 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的名稱(chēng)

關(guān)于該標(biāo)準(zhǔn)的名稱(chēng)，作者認(rèn)為按“Geosynthetic Clay Liners”的原意，即“土工合成織物粘土墊”為好，該名稱(chēng)體現(xiàn)了產(chǎn)品的特征。雖然國(guó)外的土工合成織物粘土墊用的是膨潤(rùn)土，因?yàn)檎惩帘旧聿恢话伺驖?rùn)土，范圍更廣泛，且并不排斥膨潤(rùn)土以外的其他粘土作粘土墊的可能性。此外，考慮到我國(guó)的習(xí)慣，其名稱(chēng)也可稱(chēng)為“土工合成織物粘土防水毯”，此名稱(chēng)的缺點(diǎn)是突出了它防滲透的防水作用，但忽視了粘土墊保持水分的作用。例如，用在種植花卉、育苗，以及今后改造沙漠等方面，主要起的是保水作用。因此，采用前面的名稱(chēng)更為科學(xué)、貼切。

1.3 關(guān)于膨潤(rùn)土的吸藍(lán)量

在《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》行標(biāo)中，增加了膨潤(rùn)土吸藍(lán)量的測(cè)定項(xiàng)目，并規(guī)定吸藍(lán)量≥30g/100g。作者認(rèn)為就膨潤(rùn)土防水毯而言，只要膨潤(rùn)土的濾失量和膨脹指數(shù)合格，沒(méi)有必要規(guī)定吸藍(lán)量這項(xiàng)指標(biāo)，理由為：①膨潤(rùn)土的定義本身就指出它是以含蒙脫石類(lèi)礦物為主的粘土，意味著含蒙脫石50%以上；②多年膨潤(rùn)土試驗(yàn)研究表明，膨潤(rùn)土的許多理化與工藝性能雖與蒙脫石含量有關(guān)，但并不一定是成正比的，許多蒙脫石含量并不高的膨潤(rùn)土，其某些性能如凝膠性能與流變學(xué)性能反而很好；相反，有些膨潤(rùn)土中蒙脫石含量在90%以上，甚至接近100%，但其許多理化指標(biāo)卻很差。這說(shuō)明蒙脫石礦物比較復(fù)雜，它的形成原因、地質(zhì)條件，特別是微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)理化工藝性能影響很大。因此，判斷膨潤(rùn)土對(duì)于某一用途的好壞是由相關(guān)的工藝性能來(lái)決定的。比如做防水毯用膨潤(rùn)土，只要它的濾失量與膨脹指數(shù)合格就可以了。否則，遇到某些吸藍(lán)量值在標(biāo)準(zhǔn)附近的情況，還會(huì)引起一些不必要或沒(méi)有意義的爭(zhēng)議和資源浪費(fèi)，而且，這樣做也為其他與膨潤(rùn)土性能相似的粘土作防水毯用材料的可能性留有余地。例如累托石粘土不僅膨脹指數(shù)高(24～60mL/2g)，而且濾失量極低(7～15mL/2g)，是一種性能優(yōu)異的防水毯用粘土材料[6]。

1.4 關(guān)于鈉基膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石礦物為主的粘土。由于它的蒙脫石層間所含的可交換性陽(yáng)離子不同，根據(jù)陽(yáng)離子類(lèi)型，可分為鈉基、鈣基、鎂基、鋁基膨潤(rùn)土[7]。研究表明，鈉基膨潤(rùn)土相對(duì)于其他類(lèi)型的膨潤(rùn)土具有較好的分散性、膠體和流變學(xué)性能，因此應(yīng)用廣泛，也被用于防水毯中。但鈉基膨潤(rùn)土分為天然鈉基膨潤(rùn)土和人工鈉基膨潤(rùn)土。如果天然鈉基膨潤(rùn)土符合防水毯材料要求，直接使用最好，因?yàn)椴恍枰罴庸?、成本低、使用方便。但是，眾所周知，?guó)內(nèi)外真正優(yōu)質(zhì)的天然鈉基膨潤(rùn)土礦很少，而且也未必符合要求。據(jù)悉國(guó)內(nèi)一些天然鈉基膨潤(rùn)土礦所生產(chǎn)的鈉基膨潤(rùn)土也是經(jīng)過(guò)人工鈉化輔助處理的。因此，規(guī)定防水毯用膨潤(rùn)土必須是天然鈉基膨潤(rùn)土是不現(xiàn)實(shí)的。故目前防水毯用的一般為人工鈉土，也就是將鈣基膨潤(rùn)土與鈉鹽進(jìn)行離子交換處理，使之轉(zhuǎn)變成鈉基膨潤(rùn)土。

有業(yè)內(nèi)人士提出[3]：人工鈉土使用壽命短。鈉屬于激活元素，膨潤(rùn)土人工鈉化后，鈉容易分散和游離出來(lái)，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。作者認(rèn)為，天然鈉基膨潤(rùn)土與人工鈉基膨潤(rùn)土本身并無(wú)明顯區(qū)別，其實(shí)天然鈉基膨潤(rùn)土中的鈉離子也是活潑的，天然鈉基膨潤(rùn)土之所以比鈣基膨潤(rùn)土好，也是因?yàn)樗鼘娱g的鈉離子束縛較弱，因而容易被交換。它的交換能力的大小被稱(chēng)作陽(yáng)離子交換量(CEC)，一般CEC在6.0～12.0 mmol/100g之間。

本文按照ASTM與JG/T193標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同地區(qū)的天然鈉基膨潤(rùn)土與人工鈉基膨潤(rùn)土的有關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試，以便分析比較并定義。其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同地區(qū)與類(lèi)型膨潤(rùn)土性能指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明：①東北某天然鈉基膨潤(rùn)土各項(xiàng)指標(biāo)符合ASTM與JG/T193-2006《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》行標(biāo)的要求；②華東和西南的4個(gè)人工鈉基膨潤(rùn)土均符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求；但其中華東與西南的人工鈉基膨潤(rùn)土2，耐久性達(dá)不到JG/T193行標(biāo)的要求。ASTM標(biāo)準(zhǔn)與JG/T193行標(biāo)的結(jié)論矛盾，有待解決；③從膨潤(rùn)土耐久性指標(biāo)大小與膨脹指數(shù)變化看，結(jié)論是西南的人工鈉基膨潤(rùn)土1比東北天然鈉基膨潤(rùn)土好，結(jié)果耐人尋味，原因有待查明。

1.5 關(guān)于膨潤(rùn)土的pH值

膨潤(rùn)土的pH值是由它的蒙脫石層間吸附的可交換性陽(yáng)離子決定的。理論上講，各種不同類(lèi)型的膨潤(rùn)土分散于水中呈現(xiàn)不同的酸堿性，是由于蒙脫石礦物本身相當(dāng)于一個(gè)弱酸，層間吸附不同的陽(yáng)離子后，即成為弱酸鹽。不同類(lèi)型的弱酸鹽在水中水解時(shí)，呈現(xiàn)出不同酸堿性。如鈉基膨潤(rùn)土水解可用下式表示：

由于蒙脫石與H+結(jié)合生成弱酸，故溶液呈弱堿性。一般鋁(氫)基膨潤(rùn)土pH值3～5，鈣基膨潤(rùn)土pH值6～9，天然鈉基膨潤(rùn)土pH值9～10，人工鈉基膨潤(rùn)土pH值8.5～10.5。

有研究者[4]認(rèn)為，防水用膨潤(rùn)土的pH值不應(yīng)超過(guò)8。作者認(rèn)為，鈉基膨潤(rùn)土的兩個(gè)重要標(biāo)志是：①它層間吸附的陽(yáng)離子中，Na+與K+交換量之和E(Na+)+E(K+)＞Ca2++Mg2+交換量之和E(1/2Ca2+)+E(1/2Mg2+)；②pH值呈弱堿性，一般為9～10，故當(dāng)pH值≤8，一般為鈣基膨潤(rùn)土而不是鈉基膨潤(rùn)土。

1.6 關(guān)于人工鈉基膨潤(rùn)土變質(zhì)的問(wèn)題

有人認(rèn)為人工鈉基膨潤(rùn)土放置一段時(shí)間以后，又會(huì)重新變?yōu)殁}基膨潤(rùn)土。對(duì)于這一現(xiàn)象的解釋是，鈣基膨潤(rùn)土經(jīng)過(guò)碳酸鈉改型后，所產(chǎn)生的碳酸鈣仍留于膨潤(rùn)土中，在放置過(guò)程中由于吸收了空氣中的CO2與H2O分子，便與CaCO3反應(yīng)生成Ca(HCO3)2。Ca(HCO3)2溶解后再產(chǎn)生Ca2+，然后Ca2+與鈉基膨潤(rùn)土進(jìn)行離子交換，使之再變成鈣基膨潤(rùn)土。這一過(guò)程可用反應(yīng)式表示：

從理論上講，實(shí)現(xiàn)上述反應(yīng)是有可能的，但也是有條件的。首先必須有大量的CO2與水蒸氣存在，并需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。一般情況下，鈉基膨潤(rùn)土要鈣化是有困難的。因?yàn)榕驖?rùn)土產(chǎn)品通常是袋裝的，能與CO2接觸的只是表面部分，要使鈉基膨潤(rùn)土全部轉(zhuǎn)化為鈣基膨潤(rùn)土顯然是不容易的。作者從事多年的膨潤(rùn)土實(shí)驗(yàn)，尚未發(fā)現(xiàn)此種現(xiàn)象。此外，還曾于1987年用Na2CO3將鈣基累托石轉(zhuǎn)變?yōu)殁c基累托石，對(duì)該樣并未作特別的密封處理，經(jīng)過(guò)22年后，該樣的各項(xiàng)指標(biāo)并無(wú)變化。以這個(gè)例子作參考，是因?yàn)槔弁惺怯啥嗣骟w類(lèi)云母與類(lèi)蒙脫石組成的1∶1規(guī)則間層礦物[8]。不論是累托石的結(jié)構(gòu)，改型方法與原理都與膨潤(rùn)土相似。另外，如果說(shuō)是用Na2CO3改型后生成CaCO3引起的，那么用其他的改型劑，不生成CaCO3，也就避免了Na2CO3的鈉化改型的問(wèn)題。因此認(rèn)為，對(duì)于國(guó)產(chǎn)防水毯使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，不要輕易地就歸結(jié)于人工鈉基膨潤(rùn)土，而應(yīng)該經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研究，慎重下結(jié)論，才能找出真正的原因。

1.7 關(guān)于膨潤(rùn)土的耐久性

JG/T193行標(biāo)中定義：膨潤(rùn)土耐久性是測(cè)試膨潤(rùn)土在0.1%CaCl2溶液中靜168h的膨脹指數(shù)。因此可以說(shuō)，膨脹指數(shù)與耐久性?xún)H反映膨潤(rùn)土在水中與0.1%CaCl2溶液中膨脹指數(shù)的差別。顯然，耐久性指標(biāo)越高，或者膨脹指數(shù)變化率越小，耐久性就越好。表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，華東人工鈉基膨潤(rùn)土1耐久性指標(biāo)最高，西南人工鈉基膨潤(rùn)土1膨脹指數(shù)變化率最小，耐久性最好。

為了查明鈉基膨潤(rùn)土在0.1%CaCl2溶液中膨脹指數(shù)(耐久性)降低的原因，在測(cè)定膨脹指數(shù)與耐久性后，分別吸取試驗(yàn)量筒中的上層清液，測(cè)定其中Ca2+與Na+的量(表2)，并根據(jù)在水中與0.1%CaCl2溶液中Ca2+與Na+的量的增減，計(jì)算出每克膨潤(rùn)土試樣中Ca2+與Na+的量的增加量(以“+”表示)或減少量(以“－”表示)。

表2 膨潤(rùn)土在水或0.1%CaCl2溶液中吸附陽(yáng)離子的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明：①鈉基膨潤(rùn)土在水中分散后，由于蒙脫石與水介質(zhì)存在吸附與解吸平衡，各部分層間的Ca2+與Na+進(jìn)入，使蒙脫石礦物層間或表面的陽(yáng)離子總量減少。為了使蒙脫石的負(fù)電荷得到補(bǔ)償，必須多吸附一些極性的水分子，維持電荷平衡，這使膨潤(rùn)土吸水量增加，膨脹指數(shù)升高；②鈉基膨潤(rùn)土在0.1%CaCl2溶液中，由于溶液中Ca2+濃度高，與蒙脫石層間的離子發(fā)生交換，使部分Na+被置換進(jìn)入溶液中，同時(shí)還有部分Ca2+被吸附于蒙脫石的表面，因而使膨潤(rùn)土吸附的陽(yáng)離子(Ca2+)量增加。同樣，為了維持蒙脫石電荷平衡，還必須減少它對(duì)水分子的吸附，膨脹體積減小，耐久性指標(biāo)降低。

作者認(rèn)為，鈉基膨潤(rùn)土在不同介質(zhì)中膨脹性能不同，是由于體系中存在著三個(gè)作用(平衡)：一是陽(yáng)離子交換，二是吸附與解吸附，三是電荷補(bǔ)償作用。

值得指出的是，西南人工鈉基膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)與耐久性指標(biāo)相差甚小，即在水中與在0.1%CaCl2溶液中的膨脹指數(shù)變化率小，這是值得進(jìn)一步研究的。

2 結(jié)語(yǔ)與建議

(1)鈉基膨潤(rùn)土作防水毯材料時(shí)，天然鈉基膨潤(rùn)土與人工鈉基膨潤(rùn)土在本質(zhì)和性能上并無(wú)差異，只要濾失量與膨脹指數(shù)合格即可。

(2)某些地區(qū)的人工鈉基膨潤(rùn)土膨脹指數(shù)與耐久性指標(biāo)相差甚小，即在水中與在0.1%CaCl2溶液(電解質(zhì))中的膨脹指數(shù)變化率小，說(shuō)明它具有很好的抗鹽性，性能穩(wěn)定，其原因有待研究。

(3)基于國(guó)內(nèi)外天然鈉基膨潤(rùn)土礦少，且即使是天然鈉基膨潤(rùn)土也不一定符合防水材料用膨潤(rùn)土的要求。而我國(guó)鈣基膨潤(rùn)土儲(chǔ)量大，但需要鈉化改型成人工鈉基膨潤(rùn)土。因此，為了進(jìn)一步提高膨潤(rùn)土的質(zhì)量，今后應(yīng)加強(qiáng)人工鈉化技術(shù)的研究。

(4)國(guó)內(nèi)鈣基膨潤(rùn)土礦雖多，但即使經(jīng)過(guò)鈉化也未必能符合要求。因此，建材部門(mén)與地礦部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)合作，尋找儲(chǔ)量大、質(zhì)優(yōu)、經(jīng)人工鈉化后適合作防水材料用的鈣基膨潤(rùn)土礦，建立幾個(gè)防水材料用膨潤(rùn)土基地，這有利于提高防水材料用膨潤(rùn)土的質(zhì)量，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

(5)建議在今后制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，名稱(chēng)采用“土工合成織物粘土墊”為妥。并在檢測(cè)項(xiàng)目與指標(biāo)中刪除“吸藍(lán)量”與“耐久性”兩項(xiàng)，盡可能與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)接軌和保持一致，這有利于我國(guó)膨潤(rùn)土防水毯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]JG/T193-2006,鈉基膨潤(rùn)土防水毯[S]．

[2]劉海波,孫榮蓉.《鈉基膨潤(rùn)土防水毯》行標(biāo)的測(cè)定[J].中國(guó)建筑防水,2006,(10):36-38.

[3]宋培新.國(guó)內(nèi)膨潤(rùn)土防水毯行業(yè)存在的若干問(wèn)題及對(duì)策[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2005,(5):3-9.

[4]鞠建英.膨潤(rùn)土防水材料在地下工程的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2003,32(3):39-40.

[5]D5889-97(ASTM), Standard Practice for Quality Control of Geosynthetic Clay Liners[S].

[6]陳濟(jì)美,魯以軍,龔關(guān).累托石粘土——一種新型的防水毯用材料[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2009,(6):25-26.

[7]陳濟(jì)美.蒙脫石的陽(yáng)離子交換性質(zhì)及其應(yīng)用[J].地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室,1991,7(3):185-189.

[8]陳濟(jì)美.累托石的陽(yáng)離子交換性能及其應(yīng)用研究[J].礦物巖石,1992,12(1):96-101.

Discussion About Sevaral Issues on Sodium Bentonite Used for Geosynthetic Clay Liners

Chen Jimei1, Lu Yijun2, Gong Guan1
(1.Geological Experiment Research Institute of Hubei Province,Wuhan 430034, China;2.Dongfeng Visteon(Wuhan)Automotive Jrim System Co., Ltd., Wuhan 430056, China)

Several issues on sodium bentonite used for geosynthetic Clay Liners(GCLs)were discussed: the development of standard “sodium bentonite geosynthetic Clay Liners JG/T193-2006”; the name of standard of GCLs; the value of adsorbing methylene blue of bentonite; the sodium bentonite; the pH value of bentonites; the changover of artificial sodium bentonite; and the durability of bentonites. And some proposals concerning the development of national standard of GCLs were made, too.

development of standard; geosynthetic clay liners; sodium bentonite

P619.225;P 574.1

A

1007-9386(2010)02-0035-03

2010-01-28