GCL制造中的关键因素：载布平直、膨润土精确铺匀与布针方式的影响

（一）产品的制造方法

本节主要介绍针刺加强型GCL的生产工艺流程和针刺加强覆膜型GCL的生产工艺流程。

1.针刺加强型GCL

针刺加强型GCL生产工艺流程如图10-2-6所示，铺设载布（通常为编织布，也可以是无纺布或者无纺布+编织布）→膨润土→调整膨润土厚度→覆盖布（无纺布）→针刺→切边→收卷。

图10-2-6 常规针刺加强型GCL生产示意图

（1）载布铺展

载布的开卷方式通常有两种：一种是采用悬挂方式，用恒张力电机与针刺机上的牵引辊协调共同驱动载布铺展；另一种是将载布放在两个托布辊上转动开卷。比较而言，悬挂方式开卷更为顺畅平直。

载布顺畅平直铺展是做好GCL的第一步，也是非常重要的一步。载布在铺设平台上铺展时，布面是否平直、松紧一致，既影响下道工序中膨润土的铺设效果，也影响GCL的力学指标和GCL卷材的外观。

铺展载布时，载布布面的形状与GCL成品的布面形状呈镜像关系。如载布有皱褶或者波纹，对应的GCL成品布面上也会出现向下坍陷的皱褶或者波纹。这些坍陷的皱褶或者波纹处膨润土分布都不均匀，是潜在的渗漏点；还有载布卷筒的形状也与GCL成品卷筒的形状呈镜像关系，载布卷筒呈喇叭状，对应的GCL产品卷筒也呈喇叭状。

所以，通过观察GCL的外观就可以分辨载布质量的优劣，当然也可以分辨GCL产品质量的优劣。

应该指出的是：载布最初布面是否平整，载布卷筒最初是否两端整齐，基本决定了载布铺展的效果。因此，选用优质的载布是做好GCL的第一步，也是决定性的一步。

（2）膨润土的铺设

膨润土的铺设由三个机构共同完成：

①提升机构：按提升方式主要有两种：分别是螺旋辊推送和料斗提升。颗粒状膨润土用螺旋辊推送，粉末状膨润土用料斗提升。将膨润土运送到撒土机构。

②撒土机构：它是一个悬架在载布平台上的T形槽，槽中间螺旋辊运送膨润土，槽底部有气动开孔机构控制膨润土均匀撒在载布上。

③膨润土土层厚度调整机构：它是一套悬架在铺设平台上的刮刀，刮刀与铺设平台之间的距离由升降机构控制，通过调整刮刀与铺设平台的距离决定膨润土厚度。GCL产品生产对膨润土厚度控制精度要求较高，要求刮刀平整（± 0.1mm）且不易变形，升降控制精确（±0.01mm），防震好。

膨润土厚度每相差1mm，每平方米GCL成品的膨润土质量将相差约1000g。

但目前国内生产设备大部分没有达到上述要求，许多生产设备刮刀加工精度较差，尤其是升降机构采用手摇齿轮提升方式，升降幅度无法控制，升降精度差，稳定性不好（随机器震动而变化）。

膨润土精确铺匀是生产合格GCL的核心，也是GCL产品质量的基本保证。

（3）覆盖布的开卷机构

采用悬挂方式或两个托布辊转动开卷均可。开卷速度应与GCL生产速度匹配，开卷速度过快，无纺布会拥堵在针刺机入口，如果无纺布堆积折叠后一同进入针刺机入口，严重时会出现断针或针刺机损坏的情况；开卷速度过慢，会使无纺布承受过大张力而伸长变窄，不能完整覆盖膨润土，从而生产出残次产品。

（4）针刺机

它是整套设备的核心。由电机、传动轴、针板、剥毛板、底梁、针板升降机构、伺服电机、光感器等组成。通过调整针板布针密度、针刺频率、针刺深度、步进距离、步进速度来控制GCL的针刺效果、生产速度。

需要重点指出的是：布针方式对GCL产品的防渗性能存在潜在影响。有证据表明：无规律的布针方式优于有规律的布针方式。过分集中的纤维束有可能导致渗漏。

（5）切边机构

它是一套悬架装置，将电动飞刀安装在要求的切边处。

（6）吸除断针机构

它是一套悬架于GCL布面上的装置，装置上布满强力磁铁，用强力磁铁吸除断针。

（7）收卷机构

由电机、气动升降机构、成卷机构、自动裁卷机构组成。

（8）铺设平台

为了将膨润土均匀铺设在载布上，需要建造表面平整的铺设平台。铺设平台用钢板做面，用可调高度的钢柱做支撑。为确保平台符合要求，首先台面要精细打磨，确保平整度；其次要精细安装，确保平台保持水平。

德国诺维（NAUE）的GCL生产设备如图10-2-7所示，增加了如下机构：

①膨润土粉与水混合机构；

②增加剥离效果的喷火热锁机构；

③在搭接区域预加膨润土的机构；

④烘干机构。

美国捷高（CETCO）的GCL生产设备增加了预先在载布上喷洒复合液体的装置。其作用是增加膨润土与载布之间的结合程度，降低在高速生产过程中膨润土过分震动导致的粉尘与铺土不均匀。此外，可加入一些化学药剂改善膨润土性能。

图10-2-7 NAUE针刺加强型GCL生产工艺流程图

2.针刺加强覆膜型GCL

如图10-2-8，针刺加强覆膜型GCL生产工艺流程为：载布（通常为编织布，也可以是无纺布或者无纺布+编织布）→膨润土→调整膨润土厚度→覆盖布（无纺布）→针刺→喷胶→覆膜→切边→收卷。

图10-2-8 针刺加强覆膜型GCL生产工艺流程示意图

通过反卷装置将GCL反卷，使载布面向上后再喷胶覆膜，可实现将土工膜复合在载布上。

也有个别厂家采用将GCL与土工膜通过热熔复合的工艺。该工艺的优点是减少了胶黏剂所带来的污染，缺点是要求土工膜较厚（＞0.3mm），增加成本。

这里只介绍喷胶覆膜机构。

（1）喷胶机构分类

喷胶机构依据使用液体胶或者固体胶分为两种：

①液体胶喷胶机构主要由储胶罐、吸胶泵、喷头组成；

②固体胶喷胶机构主要由热熔胶罐、吸胶泵、喷头组成。

无论是液体胶还是固体胶，都要求环保低毒、耐高低温。

（2）覆膜机构

它是在GCL布面上喷胶以后用压辊将HDPE土工膜黏接在GCL布面上的装置。HDPE土工膜的开卷与载布开卷设备类似，不再赘述。

3.胶黏型GCL生产工艺流程

如图10-2-9所示，胶黏型GCL生产工艺为：塑料板（通常为HDP E）→涂抹膨润土膏→覆无纺布→切边→收卷。美国吉事益（GSE）公司是该类型GCL的主要生产商，但该类型GCL在国内很少应用。

图10-2-9 胶黏型GCL生产工艺流程示意图

（二）原材料检验标准及要求

1.钠基膨润土

钠基膨润土性能如表10-2-1所示。

表10-2-1 GCL用钠基膨润土性能指标表

钠基膨润土分为天然钠基膨润土和人工钠化钠基膨润土。自从有GCL产品开始，就有天然钠基膨润土与人工钠基膨润土孰好孰坏之争。现在国际土工界的共识是符合膨润土相关技术规范的天然钠基膨润土和人工钠化钠基膨润土均可用于制造GCL^[26，27]。没有充分证据表明天然钠基膨润土优于人工钠化钠基膨润土。

相关文献认为：由于人工钠化的钠基膨润土性能不稳定，导致使用年限不超过3年甚至更短^[28]。这种说法是非常不严谨，因为导致膨润土失效的一个主要原因是钠基膨润土中的钠离子被周围环境中的钙离子等高价阳离子置换。在这种情况下，无论是天然钠基膨润土中的钠离子，还是人工钠化的钠基膨润土中的钠离子均会被周围环境中的钙离子等高价阳离子置换。这也间接证明了为什么自然界中绝大多数的膨润土均以钙基膨润土存在的原因。

人工钠化的膨润土（用碳酸钠改性的钙基膨润土）中的原有钙离子以碳酸钙的形式存在于膨润土中，只有在较强酸性条件下才会以离子形式再和钠离子发生交换，导致膨润土性能下降。有文献证明：人工钠化的钠基膨润土中碳酸钙含量6.2%，用它制作的GCL渗透系数为3.0×10^-9cm/s，符合规范要求^[29]。但有些国外企业的技术规范上明确标明碳酸盐含量要不大于2%。

天然钠基膨润土因膨胀系数难以达到规范要求的≥24mL/2g，常常需要加入高分子聚合物。根据美国土工合成材料研究所制定的GRI—GCL3标准和欧洲及英国的环保法规，对加入的高分子聚合物要清楚表明其名称、种类、加入量，以及对环境的影响。

应该强调的是，对膨润土的化学兼容性研究与评价已经证明：在盐碱、强酸、强碱、重金属污染、有机污染等环境下，钠基膨润土的防渗性能降低，甚至失效。因此，要依据GCL的使用环境来评价膨润土的有效性，而且这也是正确使用GCL的关键所在。

此外，在一些特殊情况下，可以考虑使用钙基膨润土GCL。如钙基膨润土与钠基膨润土相比化学兼容性较为稳定，对盐碱溶液不敏感，可用于盐碱地等离子浓度较高的场地，起到一定的隔离作用；在一些需要补充地下水地区，为了保证河道上下水循环，可以选择使用防渗性能稍差的钙基膨润土GCL，既有一定的防渗隔离作用，又不影响水循环。

2.编织布

如图10-2-6所示，目前应用最广泛的针刺加强型GCL的加工主要是以编织布为载布（无纺布也可），经过撒土装置，膨润土铺在编织布上经刮刀调整膨润土厚度，然后上层覆盖无纺布，通过针刺机刺针将无纺布上的纤维固结到下层编织布上，形成结构稳定的GCL。

JG/T 193—2006中4.1.3要求：“产品使用的塑料扁丝编制土工布应符合GB/T 17690的要求”，编织土工布性能要求如表10-2-2所示。

表10-2-2 GB/T 17690—1999对编织土工布性能要求表^[30]

注：∗用户有要求时，按实际设计值考核。

目前市面上可用于GCL生产的塑料扁丝（裂膜丝）编织布，根据生产工艺不同，主要分为两种：平织编织布和圆织编织布。

（1）平织编织布

平织编织布即机织土工布，生产遵循传统织造技术。在织造过程中，经纱缠绕在经轴上，纬纱通过引纬器与经纱交织，打纬机构将纬纱打入织口，如此往复得到平织编织布。

在当前国内GCL生产中，由于平织编织布存在一些局限性，使其在GCL领域中没有得到大规模应用。

首先是幅宽限制，平织机纬纱需要由投梭器从一端引到另一端，如果幅宽较大，投梭器行程以及给投梭器的动能都需要很大。目前国内GCL主要是以6m幅宽为主，但目前市场上能够生产表面平整、张力均匀的6m幅宽平织编织布的厂家极少。

其次，幅宽较大的平织编织布生产效率较慢，因此其产品价格远高于同规格的圆织编织布。

平织编织布的优点是织物外观平整，经纬向性能差异小，当作为GCL载布时，膨润土可以连续且均匀的铺设在上面，产品整体性能均衡优异。

（2）圆织编织布

相比于传统织造技术，圆织机采用多梭引纬，并且经纱从经纱架直接引入机器，省去整经工序。在织造过程中，由于没有打纬机构，又省去打纬步骤，使得生产效率大幅度提升。圆织机的结构紧凑，圆形织口使其很容易做大幅宽织物。

目前市面上6m及以上幅宽编织布，基本上都由圆织机生产，且由于生产效率高，产品价格较为低廉。因此，在以6m幅宽为主的国内GCL市场上，绝大多数GCL生产商都采用圆织编织布作为载布。

有些用于生产GCL的圆织编织布，由于受制于成本和工艺限制，缺点较为明显，主要是经纬向张力不匀、布面不平整的情况较为严重。当使用不合格圆织编织布作为载布时，膨润土铺设状况如图10-2-10所示。布面不平整带来的最直接的后果就是缺土，这些缺土的部位最后都成为在整个GCL防渗系统的缺口。

图10-2-10 编织布不平整铺土效果

编织布的略微不平就会影响膨润土的分布，造成膨润土分布不均。以常规GCL所用的膨润土直径0.2～2mm的颗粒型膨润土为例，颗粒膨润土的体积密度约为1.03g/cm³，厚度每相差1mm，单位面积质量就相差约1000g/m²。由表10-2-3可知，单位面积质量的减少，对GCL防渗性能的影响是显而易见的。虽然，膨润土另外一个特性就是可自愈，小于5mm的空隙，通过膨润土的遇水膨胀特性可以愈合。由图10-2-10中的铺土效果可知，当存在肉眼明显可见的厘米级漏洞时，通过膨润土自身的膨胀特性是不能愈合的。而且，即使愈合，愈合处也是容易渗漏之处。

表10-2-3 膨润土单位面积质量对渗透系数的影响^[27]

膨润土作为GCL的关键防渗材料，其均匀、连续铺设，是GCL防渗系统能够发挥作用的核心环节。因此，在选择生产GCL用载布时，应关注布面平整度对产品性能的影响，以保证膨润土铺设的均匀度。

3.无纺布

通常用来制造GCL的无纺布化纤是丙纶短纤维，性能执行标准GB/T 17638^[31]，长度在76～100mm之间，纤度在10～15D之间。

和普通无纺布生产工艺相比，GCL用的无纺布生产少一道针刺。这是因为在GCL的生产过程中也需要对无纺布进行针刺，过分针刺将破坏无纺布力学性能，降低强度和伸长率。

丙纶短纤无纺布耐酸碱性强、延展性好、比重轻、价格低，是国际公认的最佳GCL用布。丙纶纤维耐紫外线老化性能差，所幸GCL都是用于隐蔽工程，不直接暴露在阳光下。

涤纶短纤无纺布耐光氧化、耐酸不耐强碱、延展性较差、相对密度高、价格高，不宜用来生产GCL。但国内GCL生产充斥大量使用回收料涤纶短纤无纺布的产品，这种用涤纶短纤无纺布生产的GCL产品价格便宜，但埋在地里短时间内就可能烂掉，性能得不到保证。

4.刺针

（1）刺针的分类

按照工作段横截面形状，刺针主要可分为三角形针、星形针、双向型针、圆锥形针等。

①三角形针：工作段横截面是带圆角的正三角形，能均匀承受各方向的挠曲力。三角型针杆刺针是开发最早的，也是目前使用最普遍的刺针。GCL生产即采用三角形刺针，常用的刺针型号：15×18×25×3.5、15×18×30×3.5、15×18×32×3.5。

②星形针：四面有倒钩，可提升针刺缠结率，增强织物弹性，减少对纤维的破坏。适用于生产高强度土工布，特别是对人造短纤及纺黏土工布效果明显。

③双向型针：工作效率更高，根据底网的不同情况，它可以调整工作区域的角度，从而很大程度的减小针口对底网的破坏。

④圆锥形针：圆锥形针断折率大大低于其他型号，针的使用寿命也相对较长，钩齿带纤维量适当而均匀，一般用于预针刺工序。

（2）刺针的重要性

虽然刺针不是生产GCL的主要原料，但刺针的质量直接影响到GCL成品的力学性能，甚至影响到GCL的后续使用。

我们知道GCL的生产原理是通过针刺将无纺布上的纤维牵伸穿过膨润土层、编织布，在编织布背面形成纤维交结缠绕，从而把无纺布、膨润土、编织布三者紧紧交结在一起形成毯状卷材，所以，刺针的质量必须非常好。好的刺针对无纺布和编织布破坏小，纤维交结缠绕效果好，断针率低（残留在GCL上的断针少，对后续使用影响小），对针板损坏小。

相反，低劣的刺针不仅对无纺布和编织布破坏大，纤维交结缠绕效果差，断针率高（残留在GCL上的断针多，对后续使用影响大），而且会损坏针板。

较好的刺针国外品牌是美国Foster和德国的Groz-Beckert。

国内的刺针与国外刺针相比，还有差距，特别是刺针加工精度相差较大。