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多组分GCL改进防渗屏障的应用
KentP.vonMaubeuge
NAUEGmbHCo.KG,Espelkamp-Fiestel,Germany
摘要：土工合成材料在土木和环境领域的应用已有数十年的历史。主要功能包括分隔，反滤，排水，加劲，保护和防渗。
除了对既有产品的基本认知，总的来说，土工合成材料应用的显著的增长似乎源自于其自身超越传统材料和施工方法的优势。这些优势包括直接的材料费用节省，填埋场填埋空间的节省，开挖量的减少，更快的安装速度，改进的性能以及陡坡应用的可能。但是，有了技术优势，还要更用心选择正确的产品，以及同样重要的正确的产品安装。错误的选择和安装会抵消其经济和技术优势。
本文主要涉及使用的土工合成材料系统，但主要侧重土工合成膨润土衬垫(GCLs)以及多组分GCLs的最新发展。
土工合成膨润土衬垫(GCLs)大多是针刺型，纤维加劲的合成材料，它把两层外侧耐用土工布和中间均匀的高膨胀粉末钠基膨润土芯层结合起来，膨润土芯层起到屏障组分的作用。这些均匀的针刺型GCLs形成方向独立的、剪切强度转移防渗屏障。当膨润土芯层遇净水水化，膨润土膨胀并形成低渗透系数的凝胶体，由于有自密封和反复愈合能力，和其表现优于传统的、厚压实粘土层。
自从针刺型GCLs于年问世以来，由于人们对其的理解和其在工程施工中的采用，GCL的改进是巨大的。本文会讨论新型GCL技术，附加于GCL上聚合物涂层的优势，目前的测试结果，此类GCL产品理想的应用和设计需要考虑的问题。
关键词：多组分GCL，粘土屏障，密封
1简介
按照ASTMD，土工合成膨润土衬垫是工厂生产的水力屏障，由粘土附着于一层或多层土工合成材料上构成。GCL也称为膨润土衬垫，膨润土毯，或按照新颁布的ISO，粘土土工合成材料屏障(GBR-C)。位于费城Folsom的土工合成材料研究院（）最新颁布的GRI-GCL3“土工合成膨润土衬垫（GCLs）测试方法，所需性能，测试频率的标准规范把GCLs分为两个组别，非加劲和加劲GCLs。加劲型GCLs的其中一种类型为针刺型。因此，一定数量的高膨胀钠基膨润土被局限于两层土工布之间，然后土工布通过穿越中间膨润土层的针刺纤维连接在一起（图1），以确保膨润土就位，并加固薄弱的粘土层（当水化时）。载体土工布要么是有纺土工布，要么是有纺/无纺结合土工布，从而使得纤维能更好地锚固(vonMAUBEUGE等,)。
土工合成膨润土衬垫(GCL)的只要目的是减小/限制通过GCL或屏障系统的液体流量。GCLs大多数情况下用于替代压实粘土(CCL)或土壤屏障。
图1针刺型GCL断面
高膨胀钠基膨润土通常担任主要防渗单元。GCLs在许多应用中单独使用，而在诸如市政固废垃圾填埋场这类应用中，GCLs和土工膜联合使用。
2针刺型GCLs的典型优势
针刺型土工合成膨润土衬垫(GCLs)是纤维加劲复合材料，包含两层耐用的外层土工布和中间均匀分布的高膨胀钠基膨润土芯层。这层独特的粘土芯层担当屏障功能组分，但其最终性能有赖于外层土工布的耐久性和安全性。
均匀的针刺纤维形成方向独立的，剪切强度传递防渗屏障。当膨润土芯层遇清水水化，膨润土膨胀并形成低渗透系数的凝胶体，由于具有自修复、重复愈合能力，其性能优于传统的，较厚的压实粘土衬垫。
针刺型GCLs的其它特定有时依产品不同而不同，但包括而不局限于：
-陡坡应用时的高内部剪切强度
-包裹膨润土的土工布耐久性良好，确保长期性能优异
-出色的界面摩擦值
-材料结实，可抵抗安装受力（如果GCL的无纺土工布置于覆盖土材料一侧）
-粉末型膨润土确保分布均匀和即时膨胀。高质量的粉末型膨润土比颗粒型膨润土更能保证良好的防渗和长期性能
-膨润土浸渍搭接缝的自愈合
3多组分GCLs
年，一家世界级供应德国土工合成材料的厂商首次发明GCL针刺生产方法并被授予不同的专利和奖项。这是一系列创新的第一步，不但扩大了GCLs可应用范围，还在理解GCLs现场总体性能方面有巨大贡献。针刺纤维极大地提升了GCLs的剪切强度。然后，这家发明针刺工艺的德国厂商又创造了被称为热锁型的专利热处理程序，进一步改进了内部剪切力。另一个GCL改进举措是生产过程中在土工布盖组分上浸渍膨润土，以确保有膨润土处理的搭接缝实现自我密闭的功能。最近，多组分GCL被引入到市场。要么是在GCL一层土工布一侧附着一层塑料屏障，要么是在GCL切膜型有纺土工膜组分一层牢固地加涂一层聚烯烃聚合物。这种开发使得GCLs可以挑战以前被限制的特殊的现场条件。
以下产品定义的建议目前正在ASTMD35术语工作组讨论，将来可能会增加在ASTM术语标准D。
多组分,n–具有附着薄膜，涂层或土工膜的GCL，以降低渗透系数或保护粘土芯层或二者兼备。
粘附型GCL,n–粘土组分被通过粘接方式结合在薄膜或土工膜上的GCL产品。
涂层型GCL,n–至少有一层人工合成物质以液体形态涂抹在GCL上，并允许该物质固化的GCL产品。
4聚合物涂层多组分GCLs的应用
总的来说，聚合物涂层型，针刺型GCLs可以用于任何类型的，要求长期防渗屏障，更好防渗性能和附加工程利益的应用。虽然说在本文第5和6章所描述的优势中至少有一项是重要的设计准则，聚合物涂层型GCL仍是最为有效的。
图2生产过程中结构化的聚合物涂层被附加于针刺GCL
图3附加值，多组分GCLs在适用应用中提供的好处
5涂层型多组分GCLs的优势
针刺型GCLs的成功已经通过自年以来的1亿平方米的材料安装得到证明。在这期间，世界级的德国土工合成材料供应商和GCL生产商一直不断地寻求改进针刺型GCLs的内部剪切强度，以便为工程师实现更好的生态，经济和性能效益。针对GCL的外层土工布也一直追寻进一步的创新。新一代多组分GCLs的聚合物涂层选项帮助实现了GCL的安装更有效，更安全，更持久。使用聚合物涂层型的优势包含但不局限于5.1到5.6的主题。
5.1阻止根穿刺
由于植物和树的根系会找水，它们会水平、垂直四处扩散，直到找到足够的水源来维持生命。这种对水的找寻会影响到GCL的安装。如前所述，膨润土一旦和清水接触便水化，包含周围土壤内的水分。由于膨润土出色的吸附能力，它会比周围土壤有更高的含水量。植物根系会被水分所吸引。虽然高质量的粉末钠基膨润土拥有自愈合的能力，但还是不鼓励根穿刺发生。根系可从膨润土吸取水分。把涂层型切膜有纺土工布置于根系生长的方向，会保护水化膨润土芯层免于根穿刺-因此，保持高的膨润土含水量和高水平的安全设计已经防渗表现。
5.2增加干燥开裂抵抗力
按照土力学，膨润和水化的土壤干燥时收缩。对于粘土，通常会显示开裂。同样的机理会影响膨胀的膨润土。这样的干燥开裂可发生在干旱和半干旱地区，覆盖土少或降雨量小的地区，以及膨润土不能持续和清水接触的应用中。即使针刺型，纤维加劲型GCLs会比非加劲型或加劲效果差的GCLs出现更小的裂缝分布，干燥开裂分布会在膨润土自愈合之前（和清水接触便会发生）增加液体或气体的渗透率。如果这不被设计的应用所接受，可以使用聚合物涂层型GCL，使涂层面朝向预期发生干燥开裂的方向，也就是GCL的上表面。GCL上表面聚合物涂层会阻止水分的逸出，即使在干燥地区，在诸如油罐区防渗等低局限力应用条件下，也能使得膨润土保持水化状态并起到屏障作用。
5.3高水力梯度下膨润土对管涌抵抗力
当GCL铺设于粗粒土或其它开放结构（如土工网）时，就会产生诸如在高水力条件下，膨润土是否析出，管涌是否发生这样的问题。具有这种性质的常见应用包括运河，池塘和人工湖。虽然在实验室条件下，采用平纹棉麻加劲型无纺土工布的针刺型GCLs提供了最好的抵抗膨润土侵蚀性能(ROWE等),抵御此类情况的最高安全等级涉及在GCL切膜型有纺土工布一层附加聚合物涂层。涂层面朝向多孔基面材料，即使在高和极端水力条件下，膨润土侵蚀也几乎不可能发生。确保了聚合物涂层型GCL的长期防渗表现。
5.4低渗透系数
针刺型GCLs做为单独使用屏障，有着很强的应用历史，这很大程度上归因于GCL生产过程中使用的高规格的粉末钠基膨润土。钠基膨润土展示了高膨胀性，低透水性，出色的吸附能力和保水能力，以及独特的自修复、自愈合效应。即使使用聚合物涂层，膨润土的这些出色性能仍然保留。额外的涂层仅仅是增加了GCL的优势，改善了性能表现。涂层改善了整体性能，进一步降低了GCL的渗透系数。综合这些优势，针刺型GCL在涂层寿命期及以后的应用期间，其性能表现在渗透系数方面绝对由于几乎任何其它防渗系统。
5.5抵抗离子交换的屏障
但GCL接触含溶出离子的液体或土壤时，如钙(Ca),镁(Mg),钾(K)或其它多价阳离子，GCL可发生钠(Na)离子交换。如果发生，GCL的粘土芯层结构会受到影响，进而影响其膨胀能力和渗透系数。但是，对于此类应用条件下GCL的长期性能表现做总体陈述也是不大可能的。使用钙基膨润土做为GCL防渗芯层，即使增加单位面积质量(如8到10kg),也不是一个合适的选择。出版的文献结果(Henken-Mellies,;Mueller-Kirchenbauer,)已经显示现场曝露钙基膨润土的渗透系数比离子交换后的钠基膨润土要高得多。在有此类担心的应用中，聚合物涂层GCL涂层面朝向可能的多价离子源方向，可以帮助抵抗可能的离子交换。在大多数应用中，水，也就是膨润土水化的源泉，来自GCL上面的土层。当土壤中含有高浓度的溶出离子时，涂层型GCL是理想解决方案。薄的涂层朝向可交换离子源方向，起到屏障作用并保护GCL钠基膨润土防渗芯层。
5.6气体阻隔
在需要GCL即刻启动气体阻隔的应用中，由于气体迁移迅速，多孔膨润土芯层可能没有时间完全水化来履行防渗性能。有这种特性的应用包括地下结构防水，填埋场封场和其它GCL安装于活跃气体产生源之上的应用。针刺型GCL的涂层会起到气体防渗屏障的作用，并允许在其上土工膜的安装和焊接。在无和GCL联合使用的其它屏障应用中，如地下防水系统，聚合物涂层会担当起即刻的防渗性能，抵御气体的穿透。在两种情况中，涂层搭接的密封可以通过特殊的沥青胶带轻松实现。
6设计考量
由于具有多种变量，GCLs提供经济、长期的防渗解决方案，是广泛防渗应用的理想选择。每个变量的目的是满足特定的防渗状况，如管理水头压力，减少和化学环境相关的风险，防范根系穿刺和避免干燥开裂。
对于聚合物涂层GCL的设计，需要考量额外的设计事项。这些包含但不局限于6.1-6.6之中的一个或多个主题。
6.1涂层耐久性
在大多数情况下，GCL涂层被期望有长期服务寿命。为此，聚合物涂层应该用高化学兼容性的聚乙烯树脂生产。
6.2抵抗安装应力
了解附加涂层屏障对安装应力的抵抗能力是很重要的。GCLs并非完全相同的，多组分GCL也一样。特定的GCL可以用于特定的条件，如，多组分和砂接触，但和砾石接触就会产生问题。铺设时，砂不会损坏涂层或加烫层，而细砾石就有可能损坏稍硬的加烫土工膜，但不至于对更柔软的涂层PE材料产生伤害。因此，在选择多组分GCL时，考虑安装材料和安装过程也很重要。
6.3聚合物涂层GCL的搭接
GCLs在施工时相互搭接。为防止渗透提供安全保障，现场有时在搭接区域撒额外的粉末膨润土。可是，现场处理不如生产阶段在膜卷边沿提供额外膨润土来的可靠（也不均匀），比如，有些GCL膜片在生产时于两个长轴边沿mm范围内浸渍额外膨润土。这种膨润土浸渍方法确保膨润土处理的搭接缝部位可以立即起到防渗作用，而不需在现场进行膨润土处理。在诸如GCLs需要做为气体或化学液体屏障而即刻发挥作用，或在搭接缝区域膨润土管涌可能是问题的应用中，建议使用特殊的胶带（以强力沥青粘接剂制成）在涂层一侧密封搭接缝。
6.4涂层和GCL间的导水率
由于特殊的生产工艺，聚合物涂层以液体形态直接附着于GCL有纺土工布之上。这就使得聚合物涂层透入有纺布结构，在整个有纺布表面，坚固地、均匀地、方向独立地包围来自外层无纺土工布的针刺纤维。虽然不大可能，当如果涂层屏障被损坏，渗透的水会在涂层有纺布下流动，引起钠基膨润土层即刻膨胀，并愈合以抵抗损伤。这种GCL自愈合特性阻止了渗透水在大的辐射范围内的位移，是GCLs在屏障系统设计中的特点。
6.5界面剪切
对于坡面设计，需要以现场材料调查临界摩擦面，通常会以多重剪切箱实验确认。这对几乎所有用于坡面的材料都一样，如土壤，GCLs，其它土工合成材料等。对于陡坡，土工格栅的使用会大幅改善坡面摩擦角。
6.6涂层剥离强度值
因为GCLs是复合材料，每一单层的设计目的是协同工作，GCL各组分间的剥离强度就格外引人
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