唐 瑶，陈 燕，靳向煜

(东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201600)

0 引言

GCL(Geosynthetic Clay Liner)即膨润土复合防水衬垫或钠基膨润土防水毯，是一种由高膨胀性的钠基膨润土填充在特制的介于编织土工织物和非织造土工织物之间，通过针刺、粘合或缝合而制成的新型土工合成材料。膨润土在遇水后会在衬垫内形成均匀的高密度的胶状防水层，可有效地防止水的渗漏。GCL按其结构主要分为粘合GCL(单层或双层)、针刺GCL、缝编GCL和覆膜GCL［1］，最典型的就是针刺GCL即针刺法膨润土复合防水衬垫。膨润土防水衬垫广泛应用于公路、铁路、地铁、水利、环保及工业与民用建筑中的地下防渗密封工程，例如国贸三期地下工程底板及侧壁的防水工程、北京地铁五号线的东四车站和上海轨道交通6号线的防水工程等［2］。

很多学者对膨润土复合防水衬垫进行过研究:徐超等［3］研究了GCL内部剪切强度及其影响因素，认为针刺GCL的内部剪切强度主要受针刺纤维的抗拉和缠绕作用控制;陈小红等［4］对GCL中膨润土的移动现象进行了探讨，分析了引起膨润土移动的影响因素以及提出了针对不同原因引起的膨润土移动现象而采取的措施;陈生水等［5］对GCL进行了渗透、抗干湿循环、抗冻融循环、自愈能力等试验的研究，结果表明GCL具有良好的抗冻融循环和一定的自愈能力，但抗干湿循环能力较差。目前，对膨润土复合防水衬垫力学性能方面的研究较少，但此方面的研究不可忽视。在工程应用中，GCL会受到外界环境作用力的影响，如边坡较高的剪切力、热应力、地基不均匀沉降作用、铺设过程的作用力等，因此要求其具有良好的力学性能。本文选取针刺法膨润土复合防水衬垫，通过复合前、后单层土工织物以及复合后防水衬垫整体的拉伸实验和剥离实验，探究针刺法膨润土复合防水衬垫的结构与不同条件下的力学性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

本实验采用面密度为5 000 g/m2的针刺法膨润土复合防水衬垫。其中上层PET针刺土工布的面密度为200 g/m2，下层PP编织土工布为110 g/m2，中间的钠基膨润土为4 690 g/m2。

1.2 实验方法及仪器

1.2.1 拉伸实验

拉伸实验采用HD026N型电子织物强力仪按照美国标准ASTM D 6768—2004的规定执行。试样宽100 mm、长200mm，夹持距离为100mm，以300mm/min的速度拉伸试样直至断裂。

1.2.2 剥离实验

采用HD026N型电子织物强力仪并按照GB/T 2791—1995的规定执行。试样长200 mm、宽100 mm，沿试样长度方向将编织布与非织造针刺布预先剥离开30 mm，两端分别固定在上下夹持器中。开启仪器，上下夹持器以300 mm/min的速度剥离编织土工布和针刺土工布。

1.2.3 膨润土形态结构

采用日本电子JSM－5600 LV扫描电子显微镜对针刺膨润土复合防水衬垫中水化前后的膨润土表面形态放大10 000倍进行观察，其中膨润土的含水率为11%。

2 结果与分析

2.1 针刺膨润土复合防水衬垫的结构及作用

2.1.1 结构组成及作用

针刺膨润土复合防水衬垫是由上层针刺土工布和下层编织土工布经过针刺复合的方式将颗粒状的钠基膨润土固定在其中，具体如图1所示。

图1 针刺膨润土复合防水衬垫模型图和实物图Fig.1 Model and prototype of needle-punched geo-synthetic clay liner

针刺复合工艺是将上层针刺土工布的纤维穿透膨润土层和下层编织土工布，形成许多小的纤维空间，使膨润土颗粒较难移动。同时编织土工布和针刺土工布具有一定的力学性能，能够保证产品具有足够的使用强度。总体来说，上下层土工织物及其在针刺复合结构起到了隔离、保护和加固膨润土的作用，并使针刺膨润土复合防水衬垫具有一定的整体抗拉和抗剪强度［6］。

2.1.2 膨润土结构及作用

图2为吸水前后的膨润土扫描电镜照片。可以观察到吸水前膨润土表面粗糙不平，有大量的小孔隙存在，孔隙结构较为松散;吸水膨胀后的膨润土表面结构致密，孔隙很少，颗粒水化后联结在一起，土体连续性好。因此，膨润土复合防水衬垫吸水后具有极好的抗渗透性能。其根本原因是由于膨润土中的主要矿物蒙脱石具有良好的膨胀性、吸水性、吸附性以及离子交换性等物理化学特性，遇水时可吸附自身重量几十倍的水，形成致密结构以阻止水的渗透［7］。

2.2 力学性能

针刺法膨润土复合防水衬垫的力学性能主要考虑拉伸性能和剥离性能。拉伸性能与承受载荷发挥工程作用有关;剥离强度可作为检验其峰值抗剪强度的参照指标［8］。

2.2.1 复合结构对力学性能影响

单层编织土工布、单层针刺土工布和针刺法膨润土复合防水衬垫的拉伸曲线如图3所示。针刺土工布的初始模量低，编织土工布和复合后防水衬垫的模量相近且较高。这是由于针刺土工布中纤网由三维排列纤维构成，针刺作用使纤维间柔性缠结，在较低的拉伸作用下纤维易滑移，有良好的延伸性。而编织土工布是由扁丝经纬交错编织成布，其拉伸强度由受拉方向扁丝强力和经纬方向上扁丝间的摩擦阻力组成，初始模量高。

图3 复合前各单层土工布与复合防水衬垫应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of single geo-textile and needlepunched geo-synthetic clay liner

从图3还可以看出:针刺法膨润土复合防水衬垫的强度介于编织和针刺土工布之间，并且其拉伸曲线与单层编织土工布的相似，证明了膨润土复合防水衬垫中的编织土工布是其拉伸性能的主要承担者。由于编织土工布的扁丝断裂不同时，在拉伸曲线上产生很多大小不同的波峰。复合后防水衬垫的波峰波动幅度较为平缓，是因为针刺土工布和编织土工布通过“工”字形结构复合，针刺土工布良好的延伸性弥补了编织土工布的不足，稳定了防水衬垫的拉伸性能。

针刺法膨润土复合防水衬垫的纵向剥离强度为63.39 N/10 cm，横向剥离强度为 53.91 N/10 cm，纵向剥离强度要大于横向，其剥离曲线见图4。纵向剥离时，剥离方向与针刺方向相同，同一时刻剥离处的纤维是不同刺针作用的纤维，见图5(a)。由于纤维抱合方式存在差异造成每个剥离点强力数值不相同，曲线成不规则数值波动，且剥离具有连续性。横向剥离时，为逐行剥离，见图5(b)，当剥离到图中的剥离处时，所有连接纤维共同受力，剥离强度达最大值，图4(b)上出现波峰。当剥离到无纤维连接的空隙处时，出现了波谷，所以横向剥离具有间断性。剥离曲线中任意相邻两个波峰或者波谷间的水平距离反映了针板上相连两针之间的距离。

2.2.2 膨润土对拉伸性能的影响

含有膨润土和不含膨润土的复合防水衬垫纵横向拉伸强度的对比见图6。可以看出，膨润土对纵横向拉伸强度的影响极小，抗拉的主要载体是上下层的土工织物［9］。在拉伸过程中，土颗粒之间彼此相互独立，在受拉部位没有连续体来传递并分担外力作用。因此，膨润土对针刺法膨润土复合防水衬垫的拉伸性能影响较小。在拉伸测试中，可以把膨润土清除后测量，一方面不影响测试结果，另一方面保持实验室的整洁，不污染、损坏仪器。

2.2.3 水化作用对力学性能的影响

针刺法膨润土复合防水衬垫遇水后膨润土发生水化作用膨胀，其膨胀前后的纵横向拉伸数据见表1。其中水化后的防水衬垫是通过将其用蒸馏水完全浸润膨胀后，在105℃的烘箱烘干2 h制得。

表1 水化前后的拉伸强度Table1 Tensile strength of GCL before and after hydration

水化后膨润土复合防水衬垫的纵向强度提高21.2%，断裂伸长率提高1.3倍;横向强度提高11.8%，断裂伸长率提高1.1倍。水化前膨润土具有一定的可移动性，正如2.2.2中所证实的水化前膨润土对针刺法防水衬垫整体力学性能影响较小。而膨润土浸润烘干后，编织土工布与针刺土工布之间的空隙完全被膨胀后的膨润土粘着，形成了类似混凝土的结构(如图7所示)，连接两层土工布之间的纤维起到加筋作用。防水衬垫受拉时，中间水化作用固结后的膨润土层也起到了一定的分担拉力的作用，因而水化后的膨润土复合防水衬垫强力会增加。

3 结论与建议

通过对针刺法膨润土复合防水垫进行结构观察分析以及力学性能测试，得出如下结论与建议。

1)水化后的膨润土结构致密，孔隙小，具有良好的抗渗性能。

2)针刺法膨润土复合防水衬垫的拉伸性能主要由编织土工布提供，拉伸强度为882.38N/10cm;剥离性能随剥离方向的不同而异，剥离强度一般小于100 N/10 cm，剥离强度远小于拉伸强度。建议在铺设过程中，尽量避免或减少对针刺法膨润土复合防水衬垫的剪切和剥离作用，在坡度较陡的地方应使用强度较高的产品。

3)膨润土主要起到防渗作用，而对整体的拉伸性能没有影响。建议在拉伸测试时，除去中间的膨润土层，可避免土颗粒对拉伸仪器的破坏。

4)水化固结后的针刺法膨润土复合防水衬垫纵向拉伸强度提高21.2%，横向强度提高11.8%，说明水化后GCL的拉伸性能有所提高。为了避免在铺设过程中针刺法膨润土复合防水衬垫水化，防止膨润土分布不匀及过度膨胀而破坏整体性，建议在无雨雪的天气下施工。

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