关于JG/T193-2006《钠基膨润土防水毯》有关问题的讨论

陈济美，鲁义军，龚 关

（1.湖北省地质实验研究所，湖北 武汉 430034；2.东风佛世通(武汉)汽车饰件系统有限公司，湖北 武汉 430056）

关于JG/T193-2006《钠基膨润土防水毯》有关问题的讨论

陈济美1，鲁义军2，龚 关1

（1.湖北省地质实验研究所，湖北 武汉 430034；2.东风佛世通(武汉)汽车饰件系统有限公司，湖北 武汉 430056）

对建材行业标准JG/T193-2006《钠基膨润土防水毯》中有关膨润土的诸如标准的制定、标准的命名、膨润土吸蓝量、钠基膨润土、人工钠基膨润土的变质以及膨润土的耐久性等一些有争议的问题进行了讨论，并就有关膨润土防水毯国家标准的编制提出了一些建议。

标准的制定；膨润土防水毯；钠基膨润土

土工合成织物粘土垫，英文全名Geosynthetic Clay Liners 简称GCL。台湾称为皂土布，国内称为膨润土防水毯。GCL由于普遍使用于工民建筑、水利、铁路、公路桥梁、环保垃圾填埋、城市花卉种植、林业育苗等诸多方面。近10年来，我国防水毯发展迅速。2006年国家建材测试中心主持编制了JG/T193-2006《钠基膨润土防水毯》行业标准[1]。这对于规范、监控国内防水毯的生产与产品质量是很有意义的，无疑它对防水毯的产业发展和产品质量的提高起到积极的作用。本文主要就有关膨润土的一些有争议的问题[2-4]，提出看法并与同行探讨。

1 标准中有关问题及讨论

1.1 关于《钠基膨润土防水毯》行标的编制

《钠基膨润土防水毯》行标的制定，其目的在于规范、监控国内膨润土防水毯产品的质量，促进产业的发展。此外，还应着眼为今后国家标准的制定打基础，既要有先进性，又要强调与国际通用标准[5]接轨，并尽可能保持一致。本标准与ASTM等国际先进标准相比，在膨润土材料的检测方面，除了采用膨胀指数、滤失量两项指标外，还增加了吸蓝量与耐久性等检测项目与规定。

作者认为，在有比较成熟的国际通用标准的情况下，制定新的行业标准时，对检测项目与指标的增减应持谨慎态度，应尽可能与国际标准保持一致，特别是我国使用与生产防水毯材料起步较晚，并缺乏经验的情况下，增加某些检测项目与指标，不仅显得依据不足，而且在某种程度上会束缚自己的手脚，使一些本来合格的产品变成不合格，引起一些不必要的争议和资源的浪费，不利于引导行业的发展。

1.2 关于标准的名称

关于该标准的名称，作者认为按“Geosynthetic Clay Liners”的原意，即“土工合成织物粘土垫”为好，该名称体现了产品的特征。虽然国外的土工合成织物粘土垫用的是膨润土，因为粘土本身不只包括了膨润土，范围更广泛，且并不排斥膨润土以外的其他粘土作粘土垫的可能性。此外，考虑到我国的习惯，其名称也可称为“土工合成织物粘土防水毯”，此名称的缺点是突出了它防渗透的防水作用，但忽视了粘土垫保持水分的作用。例如，用在种植花卉、育苗，以及今后改造沙漠等方面，主要起的是保水作用。因此，采用前面的名称更为科学、贴切。

1.3 关于膨润土的吸蓝量

在《钠基膨润土防水毯》行标中，增加了膨润土吸蓝量的测定项目，并规定吸蓝量≥30g/100g。作者认为就膨润土防水毯而言，只要膨润土的滤失量和膨胀指数合格，没有必要规定吸蓝量这项指标，理由为：①膨润土的定义本身就指出它是以含蒙脱石类矿物为主的粘土，意味着含蒙脱石50%以上；②多年膨润土试验研究表明，膨润土的许多理化与工艺性能虽与蒙脱石含量有关，但并不一定是成正比的，许多蒙脱石含量并不高的膨润土，其某些性能如凝胶性能与流变学性能反而很好；相反，有些膨润土中蒙脱石含量在90%以上，甚至接近100%，但其许多理化指标却很差。这说明蒙脱石矿物比较复杂，它的形成原因、地质条件，特别是微观结构等对理化工艺性能影响很大。因此，判断膨润土对于某一用途的好坏是由相关的工艺性能来决定的。比如做防水毯用膨润土，只要它的滤失量与膨胀指数合格就可以了。否则，遇到某些吸蓝量值在标准附近的情况，还会引起一些不必要或没有意义的争议和资源浪费，而且，这样做也为其他与膨润土性能相似的粘土作防水毯用材料的可能性留有余地。例如累托石粘土不仅膨胀指数高(24～60mL/2g)，而且滤失量极低(7～15mL/2g)，是一种性能优异的防水毯用粘土材料[6]。

1.4 关于钠基膨润土

膨润土是一种以蒙脱石矿物为主的粘土。由于它的蒙脱石层间所含的可交换性阳离子不同，根据阳离子类型，可分为钠基、钙基、镁基、铝基膨润土[7]。研究表明，钠基膨润土相对于其他类型的膨润土具有较好的分散性、胶体和流变学性能，因此应用广泛，也被用于防水毯中。但钠基膨润土分为天然钠基膨润土和人工钠基膨润土。如果天然钠基膨润土符合防水毯材料要求，直接使用最好，因为不需要深加工、成本低、使用方便。但是，众所周知，国内外真正优质的天然钠基膨润土矿很少，而且也未必符合要求。据悉国内一些天然钠基膨润土矿所生产的钠基膨润土也是经过人工钠化辅助处理的。因此，规定防水毯用膨润土必须是天然钠基膨润土是不现实的。故目前防水毯用的一般为人工钠土，也就是将钙基膨润土与钠盐进行离子交换处理，使之转变成钠基膨润土。

有业内人士提出[3]：人工钠土使用寿命短。钠属于激活元素，膨润土人工钠化后，钠容易分散和游离出来，直接影响产品的质量。作者认为，天然钠基膨润土与人工钠基膨润土本身并无明显区别，其实天然钠基膨润土中的钠离子也是活泼的，天然钠基膨润土之所以比钙基膨润土好，也是因为它层间的钠离子束缚较弱，因而容易被交换。它的交换能力的大小被称作阳离子交换量(CEC)，一般CEC在6.0～12.0 mmol/100g之间。

本文按照ASTM与JG/T193标准对不同地区的天然钠基膨润土与人工钠基膨润土的有关性能进行测试，以便分析比较并定义。其试验结果见表1。

表1 不同地区与类型膨润土性能指标

试验结果表明：①东北某天然钠基膨润土各项指标符合ASTM与JG/T193-2006《钠基膨润土防水毯》行标的要求；②华东和西南的4个人工钠基膨润土均符合ASTM标准的要求；但其中华东与西南的人工钠基膨润土2，耐久性达不到JG/T193行标的要求。ASTM标准与JG/T193行标的结论矛盾，有待解决；③从膨润土耐久性指标大小与膨胀指数变化看，结论是西南的人工钠基膨润土1比东北天然钠基膨润土好，结果耐人寻味，原因有待查明。

1.5 关于膨润土的pH值

膨润土的pH值是由它的蒙脱石层间吸附的可交换性阳离子决定的。理论上讲，各种不同类型的膨润土分散于水中呈现不同的酸碱性，是由于蒙脱石矿物本身相当于一个弱酸，层间吸附不同的阳离子后，即成为弱酸盐。不同类型的弱酸盐在水中水解时，呈现出不同酸碱性。如钠基膨润土水解可用下式表示：

由于蒙脱石与H+结合生成弱酸，故溶液呈弱碱性。一般铝(氢)基膨润土pH值3～5，钙基膨润土pH值6～9，天然钠基膨润土pH值9～10，人工钠基膨润土pH值8.5～10.5。

有研究者[4]认为，防水用膨润土的pH值不应超过8。作者认为，钠基膨润土的两个重要标志是：①它层间吸附的阳离子中，Na+与K+交换量之和E(Na+)+E(K+)＞Ca2++Mg2+交换量之和E(1/2Ca2+)+E(1/2Mg2+)；②pH值呈弱碱性，一般为9～10，故当pH值≤8，一般为钙基膨润土而不是钠基膨润土。

1.6 关于人工钠基膨润土变质的问题

有人认为人工钠基膨润土放置一段时间以后，又会重新变为钙基膨润土。对于这一现象的解释是，钙基膨润土经过碳酸钠改型后，所产生的碳酸钙仍留于膨润土中，在放置过程中由于吸收了空气中的CO2与H2O分子，便与CaCO3反应生成Ca(HCO3)2。Ca(HCO3)2溶解后再产生Ca2+，然后Ca2+与钠基膨润土进行离子交换，使之再变成钙基膨润土。这一过程可用反应式表示：

从理论上讲，实现上述反应是有可能的，但也是有条件的。首先必须有大量的CO2与水蒸气存在，并需要相当长的时间。一般情况下，钠基膨润土要钙化是有困难的。因为膨润土产品通常是袋装的，能与CO2接触的只是表面部分，要使钠基膨润土全部转化为钙基膨润土显然是不容易的。作者从事多年的膨润土实验，尚未发现此种现象。此外，还曾于1987年用Na2CO3将钙基累托石转变为钠基累托石，对该样并未作特别的密封处理，经过22年后，该样的各项指标并无变化。以这个例子作参考，是因为累托石是由二八面体类云母与类蒙脱石组成的1∶1规则间层矿物[8]。不论是累托石的结构，改型方法与原理都与膨润土相似。另外，如果说是用Na2CO3改型后生成CaCO3引起的，那么用其他的改型剂，不生成CaCO3，也就避免了Na2CO3的钠化改型的问题。因此认为，对于国产防水毯使用过程中出现的问题，不要轻易地就归结于人工钠基膨润土，而应该经过认真的研究，慎重下结论，才能找出真正的原因。

1.7 关于膨润土的耐久性

JG/T193行标中定义：膨润土耐久性是测试膨润土在0.1%CaCl2溶液中静168h的膨胀指数。因此可以说，膨胀指数与耐久性仅反映膨润土在水中与0.1%CaCl2溶液中膨胀指数的差别。显然，耐久性指标越高，或者膨胀指数变化率越小，耐久性就越好。表1的实验结果表明，华东人工钠基膨润土1耐久性指标最高，西南人工钠基膨润土1膨胀指数变化率最小，耐久性最好。

为了查明钠基膨润土在0.1%CaCl2溶液中膨胀指数(耐久性)降低的原因，在测定膨胀指数与耐久性后，分别吸取试验量筒中的上层清液，测定其中Ca2+与Na+的量(表2)，并根据在水中与0.1%CaCl2溶液中Ca2+与Na+的量的增减，计算出每克膨润土试样中Ca2+与Na+的量的增加量(以“+”表示)或减少量(以“－”表示)。

表2 膨润土在水或0.1%CaCl2溶液中吸附阳离子的变化

试验结果表明：①钠基膨润土在水中分散后，由于蒙脱石与水介质存在吸附与解吸平衡，各部分层间的Ca2+与Na+进入，使蒙脱石矿物层间或表面的阳离子总量减少。为了使蒙脱石的负电荷得到补偿，必须多吸附一些极性的水分子，维持电荷平衡，这使膨润土吸水量增加，膨胀指数升高；②钠基膨润土在0.1%CaCl2溶液中，由于溶液中Ca2+浓度高，与蒙脱石层间的离子发生交换，使部分Na+被置换进入溶液中，同时还有部分Ca2+被吸附于蒙脱石的表面，因而使膨润土吸附的阳离子(Ca2+)量增加。同样，为了维持蒙脱石电荷平衡，还必须减少它对水分子的吸附，膨胀体积减小，耐久性指标降低。

作者认为，钠基膨润土在不同介质中膨胀性能不同，是由于体系中存在着三个作用(平衡)：一是阳离子交换，二是吸附与解吸附，三是电荷补偿作用。

值得指出的是，西南人工钠基膨润土的膨胀指数与耐久性指标相差甚小，即在水中与在0.1%CaCl2溶液中的膨胀指数变化率小，这是值得进一步研究的。

2 结语与建议

(1)钠基膨润土作防水毯材料时，天然钠基膨润土与人工钠基膨润土在本质和性能上并无差异，只要滤失量与膨胀指数合格即可。

(2)某些地区的人工钠基膨润土膨胀指数与耐久性指标相差甚小，即在水中与在0.1%CaCl2溶液(电解质)中的膨胀指数变化率小，说明它具有很好的抗盐性，性能稳定，其原因有待研究。

(3)基于国内外天然钠基膨润土矿少，且即使是天然钠基膨润土也不一定符合防水材料用膨润土的要求。而我国钙基膨润土储量大，但需要钠化改型成人工钠基膨润土。因此，为了进一步提高膨润土的质量，今后应加强人工钠化技术的研究。

(4)国内钙基膨润土矿虽多，但即使经过钠化也未必能符合要求。因此，建材部门与地矿部门应加强合作，寻找储量大、质优、经人工钠化后适合作防水材料用的钙基膨润土矿，建立几个防水材料用膨润土基地，这有利于提高防水材料用膨润土的质量，促进行业的发展。

(5)建议在今后制定国家标准时，名称采用“土工合成织物粘土垫”为妥。并在检测项目与指标中删除“吸蓝量”与“耐久性”两项，尽可能与国际通用标准接轨和保持一致，这有利于我国膨润土防水毯产业的发展。

[1]JG/T193-2006,钠基膨润土防水毯[S]．

[2]刘海波,孙荣蓉.《钠基膨润土防水毯》行标的测定[J].中国建筑防水,2006,(10):36-38.

[3]宋培新.国内膨润土防水毯行业存在的若干问题及对策[J].中国非金属矿工业导刊,2005,(5):3-9.

[4]鞠建英.膨润土防水材料在地下工程的应用[J].施工技术,2003,32(3):39-40.

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

[6]陈济美,鲁以军,龚关.累托石粘土——一种新型的防水毯用材料[J].中国非金属矿工业导刊,2009,(6):25-26.

[7]陈济美.蒙脱石的阳离子交换性质及其应用[J].地质实验室,1991,7(3):185-189.

[8]陈济美.累托石的阳离子交换性能及其应用研究[J].矿物岩石,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