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

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)汽車飾件系統(tǒng)有限公司，湖北 武漢 430056）

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

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《鈉基膨潤土防水毯》中有關(guān)膨潤土的諸如標(biāo)準(zhǔn)的制定、標(biāo)準(zhǔn)的命名、膨潤土吸藍(lán)量、鈉基膨潤土、人工鈉基膨潤土的變質(zhì)以及膨潤土的耐久性等一些有爭(zhēng)議的問題進(jìn)行了討論，并就有關(guān)膨潤土防水毯國家標(biāo)準(zhǔn)的編制提出了一些建議。

標(biāo)準(zhǔn)的制定；膨潤土防水毯；鈉基膨潤土

土工合成織物粘土墊，英文全名Geosynthetic Clay Liners 簡(jiǎn)稱GCL。臺(tái)灣稱為皂土布，國內(nèi)稱為膨潤土防水毯。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，我國防水毯發(fā)展迅速。2006年國家建材測(cè)試中心主持編制了JG/T193-2006《鈉基膨潤土防水毯》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。這對(duì)于規(guī)范、監(jiān)控國內(nèi)防水毯的生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量是很有意義的，無疑它對(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)膨潤土的一些有爭(zhēng)議的問題[2-4]，提出看法并與同行探討。

1 標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)問題及討論

1.1 關(guān)于《鈉基膨潤土防水毯》行標(biāo)的編制

《鈉基膨潤土防水毯》行標(biāo)的制定，其目的在于規(guī)范、監(jiān)控國內(nèi)膨潤土防水毯產(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等國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)相比，在膨潤土材料的檢測(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)盡可能與國際標(biāo)準(zhǔn)保持一致，特別是我國使用與生產(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

關(guān)于該標(biāo)準(zhǔn)的名稱，作者認(rèn)為按“Geosynthetic Clay Liners”的原意，即“土工合成織物粘土墊”為好，該名稱體現(xiàn)了產(chǎn)品的特征。雖然國外的土工合成織物粘土墊用的是膨潤土，因?yàn)檎惩帘旧聿恢话伺驖櫷?，范圍更廣泛，且并不排斥膨潤土以外的其他粘土作粘土墊的可能性。此外，考慮到我國的習(xí)慣，其名稱也可稱為“土工合成織物粘土防水毯”，此名稱的缺點(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，采用前面的名稱更為科學(xué)、貼切。

1.3 關(guān)于膨潤土的吸藍(lán)量

在《鈉基膨潤土防水毯》行標(biāo)中，增加了膨潤土吸藍(lán)量的測(cè)定項(xiàng)目，并規(guī)定吸藍(lán)量≥30g/100g。作者認(rèn)為就膨潤土防水毯而言，只要膨潤土的濾失量和膨脹指數(shù)合格，沒有必要規(guī)定吸藍(lán)量這項(xiàng)指標(biāo)，理由為：①膨潤土的定義本身就指出它是以含蒙脫石類礦物為主的粘土，意味著含蒙脫石50%以上；②多年膨潤土試驗(yàn)研究表明，膨潤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，判斷膨潤土對(duì)于某一用途的好壞是由相關(guān)的工藝性能來決定的。比如做防水毯用膨潤土，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)于鈉基膨潤土

膨潤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離子不同，根據(jù)陽離子類型，可分為鈉基、鈣基、鎂基、鋁基膨潤土[7]。研究表明，鈉基膨潤土相對(duì)于其他類型的膨潤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。但鈉基膨潤土分為天然鈉基膨潤土和人工鈉基膨潤土。如果天然鈉基膨潤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，國?nèi)外真正優(yōu)質(zhì)的天然鈉基膨潤土礦很少，而且也未必符合要求。據(jù)悉國內(nèi)一些天然鈉基膨潤土礦所生產(chǎn)的鈉基膨潤土也是經(jīng)過人工鈉化輔助處理的。因此，規(guī)定防水毯用膨潤土必須是天然鈉基膨潤土是不現(xiàn)實(shí)的。故目前防水毯用的一般為人工鈉土，也就是將鈣基膨潤土與鈉鹽進(jìn)行離子交換處理，使之轉(zhuǎn)變成鈉基膨潤土。

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，膨潤土人工鈉化后，鈉容易分散和游離出來，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。作者認(rèn)為，天然鈉基膨潤土與人工鈉基膨潤土本身并無明顯區(qū)別，其實(shí)天然鈉基膨潤土中的鈉離子也是活潑的，天然鈉基膨潤土之所以比鈣基膨潤土好，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作陽離子交換量(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)的天然鈉基膨潤土與人工鈉基膨潤土的有關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試，以便分析比較并定義。其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同地區(qū)與類型膨潤土性能指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明：①東北某天然鈉基膨潤土各項(xiàng)指標(biāo)符合ASTM與JG/T193-2006《鈉基膨潤土防水毯》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土1比東北天然鈉基膨潤土好，結(jié)果耐人尋味，原因有待查明。

1.5 關(guān)于膨潤土的pH值

膨潤土的pH值是由它的蒙脫石層間吸附的可交換性陽離子決定的。理論上講，各種不同類型的膨潤土分散于水中呈現(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，層間吸附不同的陽離子后，即成為弱酸鹽。不同類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)基膨潤土pH值3～5，鈣基膨潤土pH值6～9，天然鈉基膨潤土pH值9～10，人工鈉基膨潤土pH值8.5～10.5。

有研究者[4]認(rèn)為，防水用膨潤土的pH值不應(yīng)超過8。作者認(rèn)為，鈉基膨潤土的兩個(gè)重要標(biāo)志是：①它層間吸附的陽離子中，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≤8，一般為鈣基膨潤土而不是鈉基膨潤土。

1.6 關(guān)于人工鈉基膨潤土變質(zhì)的問題

有人認(rèn)為人工鈉基膨潤土放置一段時(shí)間以后，又會(huì)重新變?yōu)殁}基膨潤土。對(duì)于這一現(xiàn)象的解釋是，鈣基膨潤土經(jīng)過碳酸鈉改型后，所產(chǎn)生的碳酸鈣仍留于膨潤土中，在放置過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+與鈉基膨潤土進(jìn)行離子交換，使之再變成鈣基膨潤土。這一過程可用反應(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，鈉基膨潤土要鈣化是有困難的。因?yàn)榕驖櫷廉a(chǎn)品通常是袋裝的，能與CO2接觸的只是表面部分，要使鈉基膨潤土全部轉(zhuǎn)化為鈣基膨潤土顯然是不容易的。作者從事多年的膨潤土實(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22年后，該樣的各項(xiàng)指標(biāo)并無變化。以這個(gè)例子作參考，是因?yàn)槔弁惺怯啥嗣骟w類云母與類蒙脫石組成的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土相似。另外，如果說是用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的鈉化改型的問題。因此認(rèn)為，對(duì)于國產(chǎn)防水毯使用過程中出現(xiàn)的問題，不要輕易地就歸結(jié)于人工鈉基膨潤土，而應(yīng)該經(jīng)過認(rèn)真的研究，慎重下結(jié)論，才能找出真正的原因。

1.7 關(guān)于膨潤土的耐久性

JG/T193行標(biāo)中定義：膨潤土耐久性是測(cè)試膨潤土在0.1%CaCl2溶液中靜168h的膨脹指數(shù)。因此可以說，膨脹指數(shù)與耐久性僅反映膨潤土在水中與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，華東人工鈉基膨潤土1耐久性指標(biāo)最高，西南人工鈉基膨潤土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 膨潤土在水或0.1%CaCl2溶液中吸附陽離子的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明：①鈉基膨潤土在水中分散后，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，這使膨潤土吸水量增加，膨脹指數(shù)升高；②鈉基膨潤土在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，因而使膨潤土吸附的陽離子(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)語與建議

(1)鈉基膨潤土作防水毯材料時(shí)，天然鈉基膨潤土與人工鈉基膨潤土在本質(zhì)和性能上并無差異，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)基于國內(nèi)外天然鈉基膨潤土礦少，且即使是天然鈉基膨潤土也不一定符合防水材料用膨潤土的要求。而我國鈣基膨潤土儲(chǔ)量大，但需要鈉化改型成人工鈉基膨潤土。因此，為了進(jìn)一步提高膨潤土的質(zhì)量，今后應(yīng)加強(qiáng)人工鈉化技術(shù)的研究。

(4)國內(nèi)鈣基膨潤土礦雖多，但即使經(jīng)過鈉化也未必能符合要求。因此，建材部門與地礦部門應(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土礦，建立幾個(gè)防水材料用膨潤土基地，這有利于提高防水材料用膨潤土的質(zhì)量，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

(5)建議在今后制定國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，名稱采用“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)，盡可能與國際通用標(biāo)準(zhǔn)接軌和保持一致，這有利于我國膨潤土防水毯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]JG/T193-2006,鈉基膨潤土防水毯[S]．

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

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

[4]鞠建英.膨潤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].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2009,(6):25-26.

[7]陳濟(jì)美.蒙脫石的陽離子交換性質(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