（水利水电工程专业论文）土工合成材料粘土衬垫渗透性试验方法的开发.pdf

摘要 摘要 土工合成材料粘土衬垫( g c l ) 是一种新型的，主要用于防渗的土工合成材 料，具有很好的不透水性。它可以在城市固体废弃物填埋场中用于防止渗滤液污 染地下水和防止雨水渗入废弃物填埋场中，也可以用于水利工程中，如渠道、蓄 水池、水库等防渗工程中。 本文的主要工作是调研了g c l 的组成结构、防渗机理、特点与用途，并且 对其工程特性及测试方法做了较为详尽的阐述。g c l 产品的最重要的性能指标 是其渗透系数，渗透系数是评价产品的最为重要的依据。由于我国g c l 的生产 起步较晚，虽然现在己经大量使用了这种产品，但对它的认识和理解还不够深入， 国内尚未有统一的测试方法和评判标准。现阶段，国内对于g c l 渗透系数的测 试均是按照美国a s t m 标准进行的，本文介绍了a s t md 5 8 8 7 要求的标准渗透 仪器柔性壁渗透仪装置的性能，详细阐述了柔性壁渗透仪的优点及不足，以 及使用柔性壁时应注意的事项。 本文依据a s l md 5 8 8 7 标准制定了g c l 用柔性壁渗透仪测试其渗透性的测 试方法，对于仪器的试验操作过程作了详细的描述，并对柔性壁渗透仪测试开发 中遇到的相关问题进行了探讨。最后用a s t md5 8 8 7 中的标准仪器柔性壁渗透 仪以水作为渗透液体对g c l 在五种有效应力即2 0 ，6 0 ，1 0 0 ，1 5 0 ，2 0 0 k p a 下 的渗透性能进行了研究，并分析了影响g c l 水力性能主要的因素。 关键词土工合成材料粘土衬垫( g c l ) ；柔性壁渗透仪；渗透系数；有效应力 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c a l l yl o wh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yv a l u e st y p i c a l l ya s s o c i a t e d 、“t l i g s ”t l l e t i cc l a yl i n e r s ( g e l s ) h a v ee n c o u r a g e da 州d cr a n g eo f p o t e n t i a lc i v i l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n st h a ti n c l u d et h e 嘲o f g c l s a sh y d r a u l i cb a r r i e r si nl a n d f i l l c o v e r s y s t e m s ，p o n d s ，c a n a l s ，r e s e r v o i r s ，e t c ，w h e r et h e i rp r i m a r yp u r p o s e i st o m i n i m i z et h ea d v e c t i v em i g r a t i o no f w a t e r m ym a i nw o r ki st oi n v e s t i g a t et h ep e r m e a t ee h a r a e t e r i s t i co fg c l f i r s t t h et e s t o fp e r m e a t em e t h o da b o u tg c li nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l t h ea p p l i c a t i o ni n a n t i s e e p a g ee n g i n e 嘶n g , a n dt h en o t i c ep r o b l e m so f g c l i nt h ea p p l i c a t i o n s t h e nt o a c q u a i n ta n dc o n t r o lt ou s et h ef u n c t i o nt h a tt e s t sg c lt op e r m e a t ew i t ht h e f l e x i b l e - w a l lp e r m e a m e t e r , a n dd i s c u s st h er e l a t e dp r o b l e ma i m c da tt om e e ti nt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s f i n a l l y 。u s ot h ea s t md5 8 8 7s t a n d a r di n s t r u m e n tc a r r yo nt h e g c lh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yt e s t sw i t hw a t e ra st h eh y d r a t i n gm e d i u mu n d e rt h e e f f e c t i v es t r e s s e so f2 0 ，6 0 ，1 0 0 ，1 5 0 ，a n d2 0 0 k p at oc a t r yo nt h er e s e a r c h , a n da n a l y z e t h em a i nf a c t o r so f i n f l u e n c et h eg c lp e r m e a t ec h a r a c t e r i s t i c k e yw o r d s ：g c o s y n l l l e t i cc l a yl i n e r s ( g c l s ) ：t h ef l e x i b l e - w a l lp e r m e a m e t e r ； h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y ；t h ec o n f i n e de f f e c t i v es t r e s s e s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：监 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盈主兰导师签名：壑盟遣日期：丝2 ：! ：丝 1 1 立题依据 第1 章绪论 水是人类重要的自然资源。随着全球水资源危机的加剧和水资源的日益紧 张，合理利用水资源引起了世界各国政府和科学家的高度重视，并采用了多种对 策。在解决水资源的对策中，除兴建必要的蓄水、引水工程，扩大水源外，更重 要的是节约用水，提高水的利用率，防止水的污染等。世界各国如美国、日本、 前苏联等，由于农业灌溉用水浪费严重，特别是渠道损失的水量很大，均非常重 视并积极研究推广渠道防渗技术【”。在我国，渠系总输水损失量为1 7 3 0 亿m 3 左 右，占渠首总引水量的5 0 0 , 4 。全国已建渠道防渗工程5 5 万多k m ，只是渠道总长 的1 8 ，8 0 以上的渠道工程没有做防渗处理【2 1 。 目前，渠道材料防渗主要有：土料防渗、水泥土防渗、砌石防渗、膜料防渗、 混凝土防渗、沥青混凝土防渗。其中，膜料防渗是我国8 0 年代以来，经过室内 外试验，成功采用和推广的一种新型防渗材料，取得了显著的经济和社会效益【扪。 以往大多防渗材料为透水性低的粘土、沥青油毛毡和各种涂料，他们的用量 大，施工复杂，还往往出现干裂等质量事故，因此，土工合成材料粘土衬垫 ( g e o s y n t h e t i cc l a yl i n e r ，简称o c l ) ，作为一种新型的土工合成防渗材料，由于 其本身的竞争优势而逐步广泛地应用到水利防渗工程中。目前，g c l 已广泛应用 于水利工程的堤、坝、水库中起防渗作用，以代替粘土心墙、防渗斜墙等。同时 也应用于渠道、蓄水池、污水池、房屋建筑、地下建筑物、环境工程等方面，作 为防渗、防漏、防潮材料，这些应用主意集中在水力、环保等领域。 1 2 研究的主要内容与方法 1 2 1 研究的主要内容 随着土工合成材料粘土衬垫在水利工程中的推广应用，对其工程特性的掌握 逐渐引起了工程界的重视。如何选择和应用土工合成材料粘土衬垫，正确确定其 设计参数是至关重要的。用于防渗的土工合成材料粘土衬垫的渗透系数是确保土 工合成材料粘土衬垫质量的最重要因素。因此，除了厂家提供的参数之外，有些 工程还需要通过试验的方式确定某些参数，以确保工程的安全质量。 本文的研究目的及意义是从土工合成材料粘土衬垫的功能之一即防渗功能 入手，通过理论和试验研究相结合的方法，对g c l 水力学特性和防渗机理做进 北京t 业人学t 学顾j ：学位论史 一步的试验方法的开发，为土工防渗材料的设计研究提供参考依据，对水利及其 它行业进一步加深g c l 的理论和应用研究具有重要的参考价值和借鉴作用。 本文的主要工作有： ( 1 ) 调研土工合成材料粘土衬垫( g c l ) 产品的特点、防渗机理、工程特 性及测试方法； ( 2 ) 调研土工合成材料粘土衬垫( o c l ) 的渗透仪器及国内外对c , - c l 渗透 性的测试方法； ( 3 ) 熟悉并掌握用于测试c , - c l 渗透性能的柔性壁渗透仪装置的性能，并针 对该装置在使用方法的开发过程中遇到的相关问题进行了探讨； ( 4 ) 按照a s t md 5 8 8 7 对土工合成材料粘土衬垫( o c l ) 的水力性能进行 测试，分析影响c - c l 水力性能主要的因素。 1 2 - 2 研究原理与方法 g c l 的渗透性是其水力性能最重要的指标。g c l 的渗透性能测试是依据美 国标准a s t md 5 8 8 7 进行的【4 】。a s t md 5 8 8 7 是一个标准化试验的测试标准， 该试验把一个直径为1 0 0 m m 的g c l 试样安置在柔性壁渗透仪中，渗透液体为蒸 馏水、去离子水或其他除气水，渗透仪围压为5 5 0 k p a ，反压力为5 1 5 k p a ，试样 在反压力下饱和4 8 小时后，通过提高试样底部压力至5 3 0 k p a ( 试样出水口压力 5 1 5k p a 保持不变) ，在1 5k p a 的渗透压力下，渗透液体经过试样从下而上进行 渗透性能测试。 考虑到g c l 的厚度8 1 d , ，渗透通道和渗流速度也都很小，水流应属于层流 状态，故认为土中常用的d a r e y 定律也可用于g c l 的渗透试验。 本试验参照a s t md 5 8 8 7 用柔性壁渗透仪测定饱和c _ , - c l 流量指标的标准试 验方法和j g t 1 9 3 2 0 0 6 钠基膨润上防水毯，用两种计算公式( 常水头和变水头 渗透试验) 进行计算。 1 2 2 1 常水头渗透试验 常水头渗透试验计算公式如下： ，q 丁 k r 2 南i ( 1 - 1 ) 式中： r 一试验水温下g - c l 试样的渗透系数( e m s ) t 一渗透量q 对应的历时( s ) a g c l 试样的有效渗透面积( e m 2 ) q 一时间t 内通过g c l 的渗透量( 锄3 ) r g c l 试样的厚度( 锄) h 一横跨g c l 试样两端的压力水头( e r a ) 2 第1 南绪论 试样的渗透面积可根据试样的尺寸( 直径1 0 2 c m ) 算出，试样厚度可以按 照a s t md 5 8 8 7 中建议的方法测定，或者采取其他可行的测定方法。渗透试验 过程中，分别记录控制试样的玻璃管相应时段内的流量变化值，可以得出试样的 渗流量，根据d a r c y 定律的计算公式，可以计算出g c l 产品在试验温度下的渗 透系数k t ，然后乘以试验时水温的水的粘滞度与2 0 水温时水的粘滞度的比率 r t ，校正为2 0 时的渗透系数k 2 0 ，作为在工程应用中的参考指标。计算公式为： k 弛2 岛k t ( 1 - 2 ) 式中：k 2 0 g c l 试样2 0 c 时的渗透系数( c m s ) l h 一试验水温的水粘滞度与2 0 c 水温时水粘滞度的比率 k t 一试验水温下g c l 试样的渗透系数( c m s ) 1 2 2 2 变水头渗透试验 变水头渗透试验计算公式如下： 按公式( 1 3 ) 计算渗透系数k ，结果保留两位有效数字。 b 互t 丝( a i 掌基x l n 白 ( 1 - 3 ) 月+ a 。f 1、血 、7 式中：k 渗透系数，g m a j s ； a 扩一流入管线的横截面积，c 1 1 1 _ 2 ； a 。广流出管线的横截面积，o i t l 2 ； l 试样厚度，锄； a 试样的横截面积，c m 2 ； h 1 t 1 时刻横跨试样的水压差，c m ； h 2 t 2 时刻横跨试样的水压差，c m ； t t l 时刻至t 2 时刻这段时问差，s ； 当a i a ：a o l ；a 时，公式( a 1 ) 可简化为公式( 1 4 ) ： k = 堕j n ( 生) ( 1 - 4 ) 2 a th z ， 当试验温度不符合要求时，应当按公式( 1 4 ) 将试验测得的渗透系数修正 为在2 0 下的渗透系数，公式如下： k 2 0 = r t k( 1 5 ) 式中：k 2 0 2 0 下试样的渗透系数，c m s ； r t 不同温度下试样渗透系数的的修正因子，见表1 1 ； k 一试验温度下试样的渗透系数， c m s ： 表卜1 不同温度下试样渗透系数的的修正因子r t t a b l e1 - 1c o r r e c tc o e f f i c i e n t r e v i s i o no f t e s ts p e c i m e nu n d e rd i f f e f e n tt e m p e r a t u r e 温度， r t 温度， r t o1 7 8 32 5o 8 8 9 1 1 7 2 3 2 60 8 6 9 21 6 6 42 70 8 5 0 30 5 6 02 80 8 3 2 40 5 1 12 90 8 1 4 51 5 1 13 00 7 9 7 61 4 6 53 10 7 9 7 71 4 2 13 20 7 6 4 81 3 7 93 30 7 4 9 9 1 3 3 9 3 40 7 3 3 1 0 1 3 0 13 50 7 1 9 1 11 2 6 53 60 7 0 5 1 21 2 3 03 70 6 9 2 1 31 1 9 73 80 6 7 8 1 41 1 6 53 90 6 6 5 1 51 1 3 54 00 6 5 3 1 61 1 0 64 10 6 4 1 1 71 0 7 74 20 6 2 9 1 81 0 5 l4 30 6 1 8 1 91 0 2 5 4 40 6 0 7 2 01 0 0 0 4 50 5 9 8 2 10 9 7 64 60 5 8 5 2 20 9 5 34 70 5 7 5 2 30 9 3 14 80 5 6 5 2 40 9 1 04 90 5 5 6 1 3 国内外研究现状及存在的主要问题 1 3 1 国内外研究现状 1 3 1 1 国内外标准的制定情况 就各个国家而言，为了给g c l 的应用和设计提供可靠的特性指标，也都有 制定g c l 标准，如1 9 9 5 年，美国材料试验研究协会( a s t m ) 开始出台g c l 产品试验标准，至1 9 9 9 年产品试验标准己基本完善。大多数欧洲国家，在原有 4 国家标准数量的基础上，近年来新发布的标准直接采用了欧盟e n 标准。此外， 澳大利亚、荷兰、芬兰、奥地利等国家也都有自己的g c l 标准。德国没有单独 制定g c l 标准，而是将i s o 和a s t m 标准直接作为d i n 标准。日本也没有单 独制定g - c l 标准，而是延用了纺织品的试验方法。下面列出几个a s t m 制定的 g c l 标准i ，j ： a s t md 5 8 8 7 0 4 用柔性壁渗透仪测定饱和g c l 流量指标的标准试验方法 a s t md5 8 8 8 9 5 ( 2 0 0 2 ) e lg c l 储存和搬运指南 a s t md5 8 8 9 - 1 9 9 7g c l 质量控制的标准方法 a s t md5 8 9 0 - 0 6g c l 粘土矿物成分膨胀指数的试验方法 a s t md5 8 9 1 0 2g c l 粘土成分滤失量的试验方法 a s t md 5 9 9 3 - 1 9 9 9 ( 2 0 0 4 ) g c l 单位面积质量测量方法 a s t md 6 0 7 2 1 9 9 6 ( 2 0 0 2 ) g c l 取样的指导标准 a s t md6 1 0 2 0 6g c l 安装的指导标准 a s t md 6 1 4 1 - 1 9 9 7 ( 2 0 0 4 ) g c l 的粘土成分对防渗液体的化学兼容性的测 定方法 a s t md6 2 4 3 - 1 9 9 8g c l 内部和界面剪切性能测试方法直接剪切法 a s t md6 4 9 5 0 2g c l 的接收试验要求的指导标准 a s t md 6 4 9 6 0 4 a 确定针刺g c l 上下层平均粘合剥离强度的标准试验方法 a s t md6 7 6 6 0 6g c l 与不相容液体作用时的渗透特性的标准测试方法 a s t md6 7 6 8 - 0 4g c l 抗拉强度的标准试验方法 美国土工合成材料研究院( g c o s y n t h e t i cr c a s e a r c hi n s t i t u t e ，g r i ) 也制定了两 个标准： g r j l 测量g c l 粘土成分的膨胀指标 g r j 2g c l 的渗透性测量 由于我国g c l 的生产起步较晚，虽然现在己经大量使用了这种产品，但对 它的认识和理解还不够深入，国内尚未有统一的测试方法和评判标准。北京地铁 建设管理有限责任公司在地铁施工中参照a s t m 相关标准，编制了标准o g d 一 0 0 1 2 0 0 3 北京地铁五号线膨润土材料防水工程质量检验与评定标准( 试行) ， 并在随后的旄工工程中逐渐完善该标准，提出了q g d - - 0 0 1 - - 2 0 0 5 轨道交通膨 润土材料防水工程施工质量验收标准。另外，还有部分钠基膨润土防水毯生产 企业为对产品质量进行控制，结合产品自身特点，制定了企业标准作为组织生产 的依据。随着近年来g c l 产品在国内工程中的大量应用，迫切需要编制相应的 国家标准或行收标准，统一g c l 产品技术指标要求。近日，建设部批准了编号为 j g t 1 9 3 2 0 0 6 钠基膨润上防水毯为建筑工业行业产品标准，自2 0 0 7 年3 月1 日起实施。 北京t 业人学丁学硕i ：学位论文 1 3 1 2 国内外对g c l 渗透性能的研究现状 二十世纪九十年代，随着g c l 产品在工程上应用的日渐增多，国外很多科 研人员对g c l 性能进行了研究，取得了很多宝贵的成果。 在g c l 渗透性能方面，s h a h , d a n i e l ，e s t o m e l l ，r a dc a 1 以及u s e n v i r o m e n t a l p r o t e c t i o n a g e n c y 做了大量的研究工作【6 ，取得了很多科研成果，为g c l 的推 广和应用提供了可靠的理论依据： r u h l 和d a n i e l 3 8 】对五种不同的g c l 产品在同一有效应力3 5 k p a ，用不同的几 种渗透液在三种不同的水化液条件下进行试验，结果表明，无论渗透液体是垃圾 填埋场的渗滤液还是灰尘滤液，g c l 均能保持与自来水作渗透液体时同样较低的 渗透系数，但是，当渗透液体为强钙或强酸溶液时，测得的g c l 的渗透系数较大， 这是因为膨润土容易与这些化学溶液发生反应，影响了膨润土的防渗性能，从而 增大了渗透系数。 t h i e l 以自来水和c a d 2 溶液作为渗透液体对g c l 进行渗透试验，结果显示， 在较低有效应力下，c a c l 2 溶液对应的渗透系数k 比自来水作渗透溶液对应的渗 透系数k 大三个量级，当有效应力在大约4 0 0 k p a 时，两种溶液对应的渗透系数 k 大致相同。导致这个结果的原因认为是当有效应力达到4 0 0 k p a 时，g c l 中的 膨润土颗粒紧密地挤压在一起，膨润土颗粒问的这种紧密排列足以防止它们的移 动，减小了膨润土颗粒自j 的孔隙率，从而达到较低的渗透系数k t h i e l 和c r i l e y 用垃圾填埋场滤液、垃圾焚化炉滤液和纸浆滤液作为渗透 溶液对c , c l 进行三种不同的有效应力下的渗透试验，垃圾填埋场滤液对应的三种 有效应力为2 4 0 ，4 8 0 和7 2 0 k p a ，垃圾焚化炉滤液对应的三种有效应力为1 8 0 ， 3 6 0 和5 3 0 k p a ，纸浆滤液对应的三种有效应力为1 6 5 ，3 4 0 和4 7 5 k p a ，三种渗 透液体所对应的渗透系数都随着有效应力的增大而降低，其中，以垃圾焚化炉滤 液为渗透溶液对应的g c l 的渗透系数对有效应力的改变最敏感，而纸浆溶液为渗 透液时对应的渗透溶液对有效应力的改变敏感性最弱。 s h a n 和l a i 对g c l 分别用蒸馏水、自来水、垃圾渗滤液、酸雨和海水进行 水化，然后用不同的溶液进行渗透试验。结果表明，g c l 的渗透性取决于水化液 和渗透液的离子成分，只要用自来水对g c l 进行水化或者渗透，那么其渗透性仍 然会很低。 r o b e r 和k o e m e r 介绍了4 种类型g c l 与蒸馏水、自来水、低浓度垃圾渗滤 液、高浓度垃圾渗滤液和机动车柴油6 种溶液的水化作用结果。其中膨润土与蒸 馏水之间发生的水化作用最为剧烈，而柴油不发生水化作用，与柴油接触的膨润 上上粒的吸水层很明显没有扩展，没有膨胀。 p e t r o v 等在3 4 k p a 的上覆压力和相同的水力梯度( 1 4 4 i 2 4 m l 2 9 ，其p h 值不应超过8 ；渗透 率应 1 07 c m $ 。遇水后，钠基膨润土膨胀为自身体积约1 5 倍左右，能吸收5 倍 于自身重量的水。膨胀的钠基膨润土形成胶体，胶体具有排斥水的性能，利用这 个性质膨润土被应用于防水材料。另外，钠基膨润土本身还具有水密实性和自我 修复功能，在防水材料中有着广阔的应用前景。 北京t 业人学t 学硕i 学位论文 2 3g c l 的工程特性及测试方法 c c l 的产品特性包括：物理特性、水力特性、力学特性、耐久性【1 1 13 1 。因 为g c l 产品的种类、材料、生产工艺的多样性，确定这些特性指标的实验方法 比较复杂。具体方法如y t 1 2 1 ： 2 3 1 物理特性 g c l 的物理特性包括：单位面积质量、厚度、含水率、膨润土类型、覆盖 物和粘结剂。 2 3 1 1 膨润土类型 g c l 夹层中的起防渗作用的粘土成分主要是钠膨润土( 渗透系数约 l f f l o m s ) 。对于粘土成分的测定有较精确的方法和较粗略的方法两类。 x 射线衍射( x r a yd i f f r a c t i o n ，x r d ) 是测定膨润土成分的一种精密方法? 但其成本很高，只有极少数实验室可以承担。 美国石油学院的m b d 法是新发展的一种室内试验方法，虽然精度稍差，但 操作简便，并且试验结果也偏于保守。它的实验原理是将染料添加到溶剂中，一 直添加到从溶液中取出的液滴滴到特殊的滤纸上形成蓝晕。该试验过程为：往膨 润土焦磷酸盐溶液中滴加亚甲基蓝燃料，以每次l m l 的剂量逐渐增加该染料，直 到将溶液滴在滤纸上呈现出一片蓝晕。根据添加的染料量可得出溶液的阳离子交 换能力，而溶液的阳离子交换能力又与蒙脱石的含量有关。因此，由添加的染料 剂量可推出粘土的蒙脱石含量。在亚甲基蓝试验中，蒙脱石的含量至少要达到 7 0 ，膨润土才能产生足够的膨胀和达到所需的渗透系数。该试验的结果与x 射 线衍射法的试验结果基本等效，大约为x 射线衍射法的9 0 。 2 3 1 2 厚度 要想真正测出与土工布或土工膜复合在一起的膨润土的厚度基本上是不可 能的，因为它与膨润土的含水量、所受的压力和g c l 的产品类型有关，而且所 测的厚度变异性很大。g c l 夹层中膨润土的厚度约4 6 m m 。因此，g c l 的厚度 一般指的是整个g c l 复合材料的厚度。 在成品状态，g c l 的厚度不是一个主要的特性指标，最多可认为是一个质 量控制项目。在渗透试验中，厚度是在将渗流量或流率换算为渗透系数值时才起 功能作用，渗透试验中需要的是g c l 湿态试样厚度，对于这个问题目前分歧比 较大。 2 3 1 3 单位面积质量 单位面积质量是g c l 产品物理性质的重要指标之一，一般在3 2 6 0 k g m 2 。 美国材料和试验学会测量g c l 单位面积质量的标准为a s t md5 9 9 3 。这种试验 玺：耋土三盒些丝丝彗圭丝竺：坌耋! ：丝鎏 方法的缺陷在于，切割g c l 取样时，膨润土粉或膨润土颗粒容易损失，影响其 测量值。另外，为保证切割顺利，在切割前要在割线周围注水，这使得测量值偏 大，最后必须将其所吸水分的重量扣除掉。 较为精确的测量g c l 单位面积质量的方法是按卷来称量，从而计算出g c l 的单位面积质量，避免了取样这一过程。 g c l 中膨润土的单位面积质量测量是很困难的，因为取样、剔除g c l 中土 工织物或土工膜、扣除粘合剂得质量都比较困难。大多数c j c l 中膨润土的单位 面积质量定为5 k g m 2 。 2 3 1 4 含水率 含水率定义为含水量除以试样干燥后的重量，用百分数表示。含水率可由 a s t mi m 6 6 3 测得。也可由热重力计分析( t h v r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ，t g a ) 来 确定自来水和吸附水。此外，t g a 试验还可定量分析出所用的粘结剂量。 膨润土是亲水性矿物，任何时候都可测出其含水率。在潮湿的环境下，干态 g c l 的含水率值可高达2 0 。当g c l 的膨润土中包含粘结剂时，情况会变得比 较复杂，一般粘合剂在电炉上加热后才能保持液态，加上膨润土本身有吸水性， 可导致产品离开机器时的含水率可达到3 0 。 2 3 1 5 覆盖层 覆盖层是指g c l 的上、下表面或单层g c l 一个表面上的土工织物或土工膜。 覆盖层的材料会直接影响g c l 的一些性能，如：膨润土分布的均匀程度、在施 工期自j 或使用期间对水化膨润土的约束作用、土工复合体界面和内部抗剪强度、 抗刺破强度、整体和搭接处的渗透性等。 值得注意的是，覆盖层材料经过g c l 的制作过程后，土工织物或土工膜的 初始特性显著改变，如覆盖层材料的握持强度要比初始强度低，并且实验发现， 从g c l 中剔除出来的土工织物，其物理性质、力学性质和水力性能与制造前的 土工织物相比有明显变化。 2 3 1 6 粘结剂 粘结剂是g c l 产品一个很重要的组成部分，它将膨润土粉或膨润土粒粘合 到一起，并将它们粘合到土工织物( 或土工膜) 上。用于粘接膨润土粉末或颗粒 本身以及相邻的土工织物或土工膜的粘合剂是一种专门材料。用化学鉴别法可鉴 别出粘合剂的类型，但极少使用。在实际工程中，更多的是用性能试验，例如渗 透试验或膨胀试验，来确定粘结剂是否影响产品的性能。粘合剂对g c l 的性能 没有损害。 2 3 2 力学特性 当g c l 铺设在边坡上，边坡处高的剪应力、粗糙易变形的地基、温度应力 北京t 业人学t 学掰| i 学位论文 等，都对g c l 的力学特性是一个考验，因而影响g c l 的防渗功能。 2 3 2 1 抗拉强度 g c l 中的膨润土不论干态还是饱和态( 通常建议试验在干态下进行) ，其抗 拉强度都很小，因此，g c l 作为一种复合材料，它的抗拉强度主要由土工织物 或土工膜来提供。 抗拉强度又分为：宽条抗拉强度、侧限下的宽条抗拉强度、轴对称抗拉强度。 宽条抗拉强度可用a s t md 4 5 9 5 标准进行测定。由于c , - c l 在拉伸机上，膨 润土粉会漏出试样，所以要将上下两层土工织物用热粘法把试样的边缘粘合起 来。试验发现g c l 的这个指标主要由土工织物的类型所决定：两面用有纺织物 或土工膜覆盖的g c l ，其宽条抗拉强度与两侧的约束压力几乎无关，测定侧限 下的宽条抗拉强度可沿用无侧限压力拉伸试验的标准a s t mi m 5 9 5 。但无纺织物 覆盖的g c l 的抗拉强度受侧限压力影响，应采用有侧限压力的拉伸试验。 g c l 的轴对称抗拉强度是g c l 在填埋场封盖结构中经常要了解的特性。 k o o m e r 等对一台测试土工膜的轴对称拉伸设备进行了改造，使其适用于g c l 。 将极软聚乙烯膜( p e ) 覆盖在g c l 试样上，施加静水压直至破坏，通常g c l 总是先于v f p e 被破坏掉，将v f p e 膜承受的荷载扣除( 单独做膜的胀破试验) ， 即可得到g c l 的应力一应变关系，从而间接测量g c l 的抗拉强度。 2 3 2 2 抗剪强度 因为膨润土水化后，抗剪强度急剧下降，它们的面层和底层间容易产生相对 滑动。特别是当g c l 铺在斜坡上时，抗剪强度极低，容易形成潜在滑动面。可 用直剪试验将剪切面对准膨润土层测量g c l 的内部抗剪强度。曾用1 0 0 m i n x 1 0 0 m m 的剪切盒、应变速率为1 0 r a m r a i n 和正应力在0 7 1 4 0 k p a 范围变化， 完成了大量试验，并总结以下几点： ( 1 ) g c l 在干态时抗剪强度最高，在湿态自由膨胀条件下最低，限制膨胀 下的抗剪强度介于中间。 ( 2 ) 水化液的类型对g c l 的内部剪切强度有影响，但是比起其他因素的影 响较小。用蒸馏水水化后的g c l 的内部抗剪强度最低。 ( 3 ) 在任何情况下，针刺明显地提高了g c l 的抗剪强度。并且g c l 达到 极限抗剪强度时针刺g c l 比未加筋的g c l 产生的位移要大。 膨润土水化，以及膨润土挤入无纺织物孔隙或挤出有纺织物间隙都会使g c l 的表面和土或与其他土工合成材料的界面抗剪强度下降。因此，界面强度应根据 现场条件测量。 2 3 2 3 刺破强度 与c c l 相比，g c l 相对较薄，使用g c l 时往往要考虑g c l 的刺破问题。 g c l 刺破试验的方法很多，a s t md 4 8 3 3 试验使用8 0 0 r a m 的刺破顶杆，g r ig s l 量：至圭：垒些丝! ! 垫二丝竺! 墼! ：堡誊 试验使用5 0 m m 直径的顶杆，i s o d i s1 2 2 3 6 试使用5 0 m m 直径的c b r 项杆，这 些试验操作都很便捷。尽管c ) c l 较易被刺破，但是由于g c l 中膨润土的作用， 其自我愈合能力极强。 2 3 3 水力特性 对于作为防渗材料的g c l ，它的水力特性是特别重要的。包括：水化液体、 自由膨胀、吸湿性、流体损失和透水性。 2 3 3 1 水化液 g c l 起防渗作用的是膨润土。膨润土在水化后体积膨胀，透水性低。因此， 膨润土的水化对于g c l 的防渗至关重要。而膨润土水化后的特性取决于水化液 的性质和所施加的正应力的大小。通过用蒸馏水、自来水、填埋场沥滤液和柴油 分别对g c l 进行水化，比较它们水化后的情况，发现蒸馏水水化后的g c l 的变 形量最大，而柴油几乎没有什么水化作用。因此，当g c l 用于碳水化合物和非 极性液体的防渗时，必须事先用水水化。 2 3 3 2 膨胀指数 a s t md 5 8 9 0 规定膨润土在无法向应力进行膨胀试验测得的膨胀量叫膨胀 指数。该试验过程如下：在装9 0 m l 蒸馏水的量筒中逐渐加入2 9 磨细的膨润土粉， 使之成为絮凝状，待其慢慢沉淀至量筒底部，再加蒸馏水调至1 0 0 m i 体积，静置 2 4 h 后，测量膨润土膨胀后的体积，从而算出膨润土的膨胀指数。h e e r t e n 等推 荐g c l 中膨润土的最小指数为2 5 l i l l 。 国际土工合成材料研究院对g c l 水化后的膨胀情况进行研究的试验方法是 o c l l 。该法虽有轻微的加载，但操作简便可作现场试验。试验使用了c b r 膨 胀试验仪，它是从g c l 产品中取出1 0 0 9 膨润土放在模具上，加荷o 6 8 k p a ，并 固定，再安装一个百分表。饱和2 4 h 后读数，如果2 4 h 后膨润土的膨胀量等于或 者超过厂家给定的值，则膨润土是合格的。 2 3 3 3 吸湿性 c - c l 中膨润土很容易从周围的土体中吸收水分。d a n n i e l 等试验发现，将 c - c l 置于含水量为1 1 7 的砂土中，其含水量会迅速上升，从中可以得到两 个重要数据：在含水量为l 的砂土中5 天到1 5 天，g c l 的含水量就达到5 0 。 h e e r t e n 等推荐了一种e n s l i n - n e f f 试验，是将o 4 9 的膨润土放在圆筒内的一 个玻璃滤器上。圆筒与一个有刻度的用水填充的毛细管连通，膨润土通过过滤器 吸水，引起管中的水位下降。2 4 h 以后，记录管中水的体积变化和相应的水重变 化，吸水率就是水重变化除以膨润土重的百分率。 另外也有些g c l 制造商按a s t me 9 4 6 作了平板水吸附试验，该试验是让 膨润土从置于其下的一个饱和的透水石中吸取水分，以测定试样的体积增量。 北京t 业人学t 学硕l 。学位论文 2 3 3 4 流体损失 渗透液通过g - c l 中的膨润土后，由于膨润土的吸附作用，渗透液会出现流 体损失。a s t md 5 8 9 1 是测量膨润土在一定压力下流体损失的一个指标试验。它 也是一种间接测量粘土微粒对孔隙水吸附特性的方法。 2 3 3 5 透水性和流量 在对g - c l 作透水性实验时，使用的是美国标准a s t md 5 8 8 7 。它是用直径 为1 0 0 m m 的g c l 试样，在三轴渗透仪中加5 5 0 k p a 的压力，然后在5 1 5 k p a 反 压下用自来水饱水2 天，将试样上的压力加至5 3 0 k p a 的压力使其发生渗透，渗 透过程持续到进水和出水大致等于2 5 ，或者持续到g c l 的渗透系数降低到 符合要求为止，即可获得最后的渗透值。 为了对该试验的精确性进行评估，d a n n i e l 等进行了一项实验，发现某种g c l 的渗透系数介于2 x l o - s 2 x 1o 1 0 c m s ，这是由土工织物与天然钠基膨润土复合的 g c l 渗透系数的通常范围。如果使用钙基膨润土，那么渗透系数会更高一些， 如果钙基膨润土钠化处理，其渗透系数会降至接近于天然钠基膨润土的数值，但 不耐久。 2 3 3 6 接缝处和变形时的渗透性 g c l 卷材在现场是通过搭接的方式进行连接和密封的，重要的是g c l 的上 下搭接片不能有水渗出。工程实践证明，g c l 产品的透水性低，抗渗性好。但 要特别注意，接缝处的渗透性，尤其是用于封顶层和衬垫结构的g c l 产品，它 们经常会由于结构发生不均匀沉降，而造成接缝处上下层脱离。因此，为了保证 接缝处不渗漏，要求最小搭接长度1 5 0 m m 。l a g a t t a 在大量的实验基础上推荐使 用一个更大的搭接长度( 2 2 5 n u n 代替1 5 0 n u n ) 来防止不均匀沉降造成的接缝破 坏。对于用无纺针刺土工织物作覆盖层的g c l 产品，可在其重叠区敷设膨润土 粉或者石膏防渗。推荐使用量为o 4 k g m 。 2 3 4 耐久性 因为膨润土是g c l 作为防渗材料的实体部分，一般能保证它的长期稳定性， 但膨润土只有在与水作用后，其透水性才会很小。所以作为一种防渗隔层，必须 考虑g c l 和水的作用。 ( 1 ) 冻融 在湿态下，温度较低时，g c l 中的膨润土可能冻结，引起土粒结构的变化。 但是，冻结的膨润土一旦融化，它们会自动愈合，渗透性近似的回到起始状态。 而且，由于g c l 中有土工织物或土工膜覆盖，膨胀循环期内，上覆的土颗粒不 会侵入膨润土结构。d a n i e l 曾用一个矩形渗流仪，对g c l 作了1 0 次冻融循环后 发现，g c l 的水力渗透能力有少许增长( 从1 5 x 1 0 - 9 5 5 x 1 0 m s ) 。k l a u $ 等 第2 章士t 合成材料轴十+ 衬垫( g c l ) 概述 用柔性壁渗透仪试验，也发现2 0 次冻融循环后的g c l 试样的渗透能力没有变化。 所以，冻融循环对g c l 的渗透性影响不大。 膨润土中的水冻结后会导致土体结构的破坏，但水溶化后膨润土会很快愈 合，回复到原先的状态。 ( 2 ) 胀缩 g c l 置于干湿循环交替的环境中时易产生胀缩现象。当干湿循环的持续时间 和强度较大时，还会引起g c l 的粘土成分脱水。进而影响g c l 的渗透性。但 b o a r d m a n 和d a n i e l 曾对大量的g c l 作过一次干湿循环的试验，结果发现g c l 的防渗能力基本上没有什么改变。但胀缩循环对c , - c l 接缝的影响较大。而g c l 表面和土的摩擦会阻止收缩的g c l 胀回原始状态。因此，需要铺设一定厚度的 覆盖土以防止g c l 的收缩。 ( 3 ) 吸附作用 当g c l 被用作垃圾填埋场衬砌，与各种沥滤液( 有机的和无机的溶液) 接 触时，g c l 的吸附能力显得很重要，特别是与c c l 进行比较，并且作等效性评 估时有重要意义。吸附能力的比较只有在确定了膨润土的阳离子交换能力和厚度 后才能进行。 ( 4 ) 溶液渗出时间 溶液渗出时间是衡量g c l 稳定性的一个重要指标。一般用水力穿透时间来 表示。以g c l 用在垃圾填埋场的封盖结构为例，水力穿透时间是指稳态渗流通 过g c l 进入下部固体废物所需时间。该数据可以从干态g c l 的渗透性试验中得 出。但值得注意的是当g c l 用于垃圾填埋场垫层或蓄污池底作为防渗衬砌时， 要考虑的是沥滤液或溶液穿透的时间而不是水力穿透的时间。 2 4 本章小结 本章介绍了g c l 产品的组成、特点和分类，详细介绍了g c l 的工程特性及 其测试方法，为g c l 在防渗工程中的应用提供可参考的重要参数指标。 17 - 第3 章柔性壁渗透仪 第3 章柔性壁渗透仪 3 1 柔性壁渗透仪装置简介 柔性壁渗透仪主要由水箱、控制面板和渗透仪腔等三部分组成( 详细介绍如 下) ，装置整体样图见图3 - 1 。 3 1 1 水箱 水箱是一个溶液储存器，其作用是为水力系统提供所需的渗透液体。渗透液 体可以使用去离子水、蒸馏水或其他除气水，也可以根据试验要求使用腐蚀性的 渗透液或其他化学溶液，只要该渗透液对仪器本身的性能不产生影响即可。与水 箱相连的有水源、空气压缩机、真空泵和控制面板。当水箱里的渗透液体中存在 空气时，用真空泵对液体进行排气处理。同时，通过空气压缩机对水箱中的渗透 液体施加较小的压力，使液体分别进入控制面板上的三个玻璃量管中。当试验结 束时，给水箱施加较小的压力，便可排除水箱中剩余的液体水箱的最大工作压 力为2 0 p s i ( 1 p s i = 6 9 k p a ) 。 幽3 1 柔性壁渗透仪 f i g u r e3 - lt h e f l e x i b l e - w a l lp e r m e a m e t e 目r 北京t 业人学t 学硕j ：学位论文 3 1 2 控制面板 控制面板是试样水力性能测试的操作控制界面。它与水箱、渗透仪、空气压 缩机、真空泵等相连。在控制面板上安有压力数字显示器、压力表、真空表、压 力调节器、系统的进排水控制阀、玻璃管及相应的操作控制阀等，其平面图见图 3 2 。 压力 读数器 控 制 面 板 水箱 控制阀 渗透仪 控制阀 l 渗透仪压力 试样控制 l 控制# l # 2# 3 图3 - 2 控制面板平面图 h g u r e3 - 2t h ec o n t r o lp a n e l 2 0 - 第3 章柔性壁渗透仪 通过控制面板上的控制阀，可以完成对水箱、玻璃管、渗透仪腔的渗透液体 的注入、排出、除气等操作。控制面板上有三个玻璃管，分别对应着试样围压水 头、试样进水压力水头和试样出水压力水头。玻璃管分内管和外管，在内管壁上 标有流量刻度值，在试样测试过程中，可根据试验需要将内外两管各自单独或同 时注入渗透液体。试验最后由控制试样的玻璃管中的水位变化得出渗透液体的流 量变化。 3 1 3 三轴渗透仪 三轴渗透仪腔是安装试样的装置，它是一个直径1 5 c m ，高3 2 c m 的圆柱型 腔体，并由顶盘和底盘支撑。在渗透仪底盘上安有一个直径为1 0 2 c m 的底座， 以支撑试样。试样上下依次放置与底座相同尺寸的滤