我国GCL行业存在的主要问题及对策

[摘 要] 本文介绍了国内GCL行业的生产现状，企业面临的问题，与进口产品的差距，传统人工钠化技术的弊端，原料和产品的有关标准，设计施工技术规范，新型替代复合材料的优越性以及。

[关键词] 膨润土防水毯 人工钠化 复合材料

一、前 言

GCL是国外对膨润土防水毯的称谓，其英文全称是：Geosynthetic Clay Liner，简称GCL。该产品进入中国市场仅2-3年时间。首先进入我国的是一家合资企业，由于膨润土防水毯在防渗领域具有其他防水材料无可比拟的特性，很快被国内多家企业看好，目前已有多家企业上马该项目。据了解，目前在国内的合资企业已有3家，国内企业也有7-8家，还有几家企业拟接产该项目。由于膨润土防水毯加工工艺的科技含量不是很高，容易仿造，造成目前国内市场上膨润土防水毯产品的质量良莠不齐，本文拟就此问题进行分析，同时将人工钠土与添加高分子复合改型剂的膨润土进行了对比分析，同时，建议行业管理部门依据有关标准及政策，强化对产品质量的监管力度，从行业的角度，敦促国家有关管理部门尽快出台该产品的设计使用规范以及相关标准，使设计、生产、施工单位有章可循。

二、膨润土防水毯的应用领域

膨润土防水毯应用十分广泛，可用于市政、环保、水利、公路、铁路、垃圾填埋场、水利工程及工业与民用建筑地下防水防渗施工，比如在垃圾填埋场、污水处理厂使用，具有良好的防渗功能、加固功能；在水利工程中使用，可提高灌渠的防渗作用，还可以提高大坝、河堤的强度，避免和减轻水土流失，大堤发生管涌的隐患；地铁工程的防水防渗，公路的路基和边坡，桥梁的基础防水可以改变道路的性能，提高路面的承载能力，延长公路的使用寿命；在工业民用建筑工程使用，可以提高防水的可靠性和耐久性；以及在矿山、人工湖、隧道、游泳池等处均可使用。

三、目前国内生产企业的现状及存在的主要问题

目前，我国的防水毯生产企业总的生产能力5千万平方米/年，由于加工设备已经国产化，投产的企业日趋增加，国内的产量也在不断增加。常用的一些品种也已基本齐备，但质量和规格还有待提高，尤其是一些专用的、重要的品种，有的刚刚开始研制，有的还是空白。总的看来，国产产品的质量不高，企业目前面临的问题有如下几个方面：

1、防水毯中的膨润土用量不足

根据ASTM标准，防水毯中膨润土的用量为5公斤/平方米，而目前国产产品的实际使用量大多都低于这个指标。据市场调研，国内的防水毯厂，特别是内资企业，多数生产的产品都存在着原材料用量不足的问题，比标准重量少1公斤左右。

2、产品的吸水倍率达不到相关标准：

虽然国家尚未颁布此产品的国家标准，但目前各国均以美国材料实验协会标准为依据，此产品的吸水倍率为≧24，而国内多数产品的膨润土的吸水倍率仅有16—20倍；达到20倍以上的产品大多是对膨润土进行人工钠化后的测定值，原料采用人工钠化后，产品在半年后其吸水倍率逐步降低，甚至还原。

3、产品的规格不统一：

目前市售的产品规格以产品的幅宽而定，分为2米、2．5米、4米和6米，由于受土工布的宽幅所限，国产产品6米宽幅的很少，目前市场上大多为5．2米的宽幅，需要6米的产品，则需进口相关原料。目前国内GCL产品的市场现状是：只能向市场提供一般性的GCL产品，专用的产品还不能满足工程要求。

4、人工钠土充斥市场：

人工钠化膨润土，简称人工钠土。由于受原料所限，国产产品的膨润土原料多采用人工钠土，所谓“人工钠化”就是将碳酸钠加入到天然钙基膨润土中，使钙基土中的钠离子含量提高，从而使其钠化。

造成国内防水毯产品质量差的主要问题还是原材料的问题，我国的膨润土资源属于优势资源，储量大，在世界上占有优势，但优质钠基膨润土却不多，通过对吉林刘房子、浙江临安、新疆夏子街、辽宁建平等重要膨润土产地的调研发现，真正用钠基土做防水毯的并不多，大多数防水毯厂家都使用钙基土。这是造成我国膨润土防水毯产品质量不高的主要原因之一。

所以，满足国内对该产品原料的需求，在无需对原矿进行进一步提纯的前提下，研发出符合中国防水毯需要的高效能、低成本添加剂刻不容缓。

四、用于GCL产品的人工钠土的缺点

众所周知，膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿，通常含量范围为40%～90%，其杂质主要有高岭石、石英、方英石、伊利石等。膨润土的性能与蒙脱石类型和含量有关。

1、天然钠基土和钙基土的区别

蒙脱石晶体化学成分复杂，变化大。晶体中的低价阳离子常常置换高价阳离子，使结构层产生多余的负电价。为了保持电中性，在结构层之间除水分子外，存在较大半径的阳离子Na+、Ca2+等，因此膨润土就被划分为钠基土、钙基土。由于阳离子的可交换性，使蒙脱石族矿物具备了很多有价值的特性，比如离子交换性、吸水性、膨胀性、触变性、粘结性、吸附性等。用于防水材料的膨润土首选优质钠基土，这是由于钠离子在水中容易分散，钠离子半径大，电荷低，在水中更易分散且分散层数多，钙基土则相反，钙基土的膨胀速度虽然快，但是其膨胀的倍数比钠基土低。
2、膨润土的防水机理

遇水时，膨润土可吸附是自身重量几十倍的水量，吸水后体积可增大数十倍。由于膨润土这种优良的特性其广泛用于防水、防渗材料等领域。

GCL中的膨润土与水接触后，水分子能够进入膨润土晶格之间，使其晶格膨胀，由于膨润土防水毯在施工时，按要求其上部要覆盖20公分厚的覆盖层将其压实，所以当其遇水膨胀时，其体积增大24倍以上（美国材料与实验协会标准），使其内部形成负压，即达到了防水的效果，因此膨润土防水毯是一种绿色环保型的防水防渗材料。

3、人工钠化土的缺点

我国的膨润土资源虽然比较丰富，但是能达到要求的优质天然钠基土不是很多。有些厂家由于没有找到优质天然钠基土，加之价格的原因，而不得不采用钙基土，对其进行人工钠化处理。

钠化方法非常简单，分干法和湿法两种，干法是采用200目膨润土粉与碱直接混合，放置两天使其均化后即可使用， 湿法是将原土与碱按一定比例混合，加水搅拌钠化，再烘干、破碎、筛分即可得到防水毯用原料颗粒。根据我们对吉林、辽宁建平等有关膨润土矿山的调研，目前国内人工钠化工艺选用的有关设备主要有普通型号的粉碎机、搅拌机以及滚筒式干燥机、对辊式破碎机、震动筛等，有些个别小型膨润土矿山选用的设备更加简易。

针对目前国内GCL厂家普遍采用的人工钠土，有业内人士明确提出：事实上鄂试破碎机。人工钠基土使用寿命短，钠属于活泼元素，对膨润土进行人工钠化后，钠容易分散和游离出来，直接影响产品的质量，据报道，目前国内近十家防水毯厂中，仅有两家使用的是天然钠基土，多数厂家使用的都是人工钠化土，使用这种土的危害是在一定时间内其有关指标能达到标准，半年后膨润土的吸水率即还原，其膨胀倍数返回到钠化前的程度。这样的产品如果应用到关系到国计民生的大型建筑工程中去，后果可想而知。试验证明膨润土pH越高，其抗渗能力会随时间递减，甚至半年就完全失效，特别是人工钠化的膨润土，为此，美国对防渗用膨润土原料的pH具有严格的要求，其产品的pH值要求为中性或弱碱性。

五、目前国家对此行业的监管情况及产品的相关标准

膨润土防水毯是近两年才传入我国的新型防水、防渗材料，自从我国三峡工程使用GCL以后，国内即有数家企业投产，目前国内对该产品的监管不足，特别是对其原料、产品规格、产品性能等方面。前一时期，建设部曾委托有关部门负责该产品标准的起草工作，估计不久以后，该产品的原料标准和产品标准即可出台。

1、原料标准

目前国际上已有GCL用膨润土原料的技术要求，比较权威的是美国ASTM D5890，要求膨润土的膨胀指数要大于24。有些国家的有关规范中要求必须使用钠基土，如俄罗斯、韩国等，而我国对膨润土原材料尚没有明确标准，产品标准也尚未颁布。

2、其他相关标准

对于GCL使用的土工布，各国均有一定标准，99年我国水利部也颁布了新的“土工材料测试规程”。在次之前，我国制定的标准GB/T-1992 土工布单位面积质量测定方法和GB/T-1995 土工布拉伸试验方法分别等同采用了ISO 9864：1990、ISO：1993，应该说标准上并不落后。近年我国又颁布了多个相关的标准。

虽然我国GCL的专用标准尚未颁布，但涉及到土工合成材料应用、测试的标准有18项，均是近年颁布的。目前我们已经收集到国外关于膨润土防水毯标准共有10项，均为美国材料与试验协会标准。

3、施工技术规范

2001我国新颁布城市垃圾卫生填埋技术规范（CJJ17-2001，J122-2001）和土工合成材料应用技术规范（GB-98），已将膨润土GCL列入规范，各个行业88-99年间，各部委分别颁布了自己行业的土工合成材料的应用规范，为膨润土防水毯的推广使用铺平了技术市场，也为今后土工合成材料更好更广地应用，提供了十分良好的环境和条件。

我国已经颁布了两个新的涉及膨润土防水毯使用的规范，但更多基础建设工程如何使用膨润土防水毯在我国尚没有具体规定，在水库、公路、地下建筑、污水处理场的施工中，主要参考其相应的地下防水工程手册或技术规范，也借鉴一些国外的技术规范。

六、人工钠化技术与复合改型剂之比较

人工钠化的机理和应用情况众所周知。然而在普通钙基土中添加复合改型剂，使钙基土的吸水倍率和膨胀倍数达到美国材料实验协会标准，从而应用于膨润土防水毯领域就鲜为人知，咸阳非金属矿研究设计院科研人员经过不断探索研究，终于研发成功膨润土防水毯专用复合改型剂，其原理是用聚丙烯水溶性树脂与阳离子聚合物SR400接枝共聚，再水解，之后与一定量的粒度为1250目的海泡石粉经聚合而成，后经烘干、粉碎后即可使用，这种复合改型剂的使用粒度要求为300目左右。这种膨润土专用复合改型剂经国内某大型膨润土矿试用后效果非常理想。该材料有望成为目前人工钠化方法的理想替代品。

1、从性能上分析

所谓的人工钠化就是通过在膨润土中添加碳酸钠的方法，使钠离子进入到蒙脱石层间，置换出已吸附的阳离子。钙蒙脱石经碳酸钠进行钠化后所产生的碳酸钙，并没有被消除掉，而是以极细小的微粒状的形式存在，有一定的活性，一旦PH值降低，碳酸钙与水反应后生成碳酸氢钙，碳酸氢钙与钠蒙脱石生成钙蒙脱石和碳酸氢钠。由此，钙离子置换钠离子重新进入蒙脱石层间，可见人工钠土层间的钠离子是不稳定的。人工钠土在放置半年后，性能会大幅度降低，稳定性无法与天然钠土相比。

复合改型剂是一种高分子材料与天然无机矿物复合而成，其性能稳定，将其破碎成300目的细粉后可直接加入到钙基土中，在不改变其性能的前提下，可使钙基土的各种性能达到美国材料试验协会标准。其用量非常少，每吨土中只需添加几公斤即可。

2、从成本上分析

使用人工钠化和使用复合改型剂的成本相差不是很大，经测算，以露采钙基土为例，钠化所需的原料、燃料、用电等成本合计为130元/每吨左右，平均到每平方米防水毯上，所需成本为1元左右。

复合改型剂因加工工艺复杂、原料成本较贵，但用量少，效果好，而且耐久性优良，每吨土近用几公斤即可，平均到每平方米防水毯上，所需成本为2元左右。由此可见，防水毯专用复合改型剂是人工钠化法的理想替代品。

防水毯用膨润土复合改型剂的研发成功为防水毯市场提供了一种高效、低成本的原料，可替代目前企业使用的钠化技术，满足国内生产企业对原料的质量要求，保障产品的耐久性和稳定性，提升产品档次，使产品质量真正达到美国ASTM标准。同时可使企业获得较好的经济效益。这样既满足了国内市场需求, 又改变了我国国内存在的国产产品性能不稳定、质量差的局面。为我国这一新型防水材料得以健康发展提供了有效的保证。

七、建议及结论

建议：

1、非矿协会作为行业管理机构，希望加强对用于GCL产品的膨润土的监管力度。杜绝厂家生产产品时的“偷工减料”现象。

2、从行业的角度，敦促国家有关管理部门尽快出台该产品的设计使用规范。使设计、生产、施工单位有章可循。

3、建议厂家尽可能使用天然钠土替代目前的人工钠土，因为百年大计，质量第一，人工钠土将会给工程留下隐患，后患无穷。

4、呼吁国家行业对膨润土防水毯的原料及产品的国家标准尽快出台，规范市场上产品的规格。

结论：

通过调研及参阅有关资料，在未来的十年内，膨润土防水毯的市场需求量将会保持大幅增长的趋势。在这段时间内，其利润率将保持较高的水平。目前，由于膨润土防水毯刚刚进入中国市场，多数设计及施工单位对其的认识不足，国内市场尚未完全打开。由于膨润土的独特性能，该产品在今后势必会代替现有的普通防水材料，在防水领域处于主导地位。特别是当前人们对环保及节能的认识程度越来越高，该产品在国内防水材料市场一定会越来越普及。

参考文献（略）