臺灣博碩士論文加值系統

膨潤土防水毯(GCL)應用於工程上常利用膨潤土吸水膨脹能
力，來減少液體滲流通過，在全球水資源正面臨嚴重不足的今天，保
育及開發水資源並有效利用刻不容緩。而水資源貯蓄及地下水污染防
制工程中，採用適當的阻水材料也直接影響其工程效果以達到防滲阻
水（Hydraulic Barrier）的目的，現今應用上有廢棄物掩埋場、水
庫、人工水塘或其他防滲阻水的工程中。
由於膨潤土防水毯應用於一般自來水的阻水成效相當良
好，也使用多年，但現今已有許多工程往沿海發展，但海水中含
複雜之金屬陽離子，高價陽離子對於膨潤土內鈉離子的取代，將
影響膨潤土防水毯的工程性質，故本研究將針對自來水飽和海水
滲透後，觀察膨潤土吸水膨脹能力、礦物結構特性及膨潤土防水
毯之阻水效果與離子含量之變異進行探討。
研究結果得知，膨潤土防水毯在自來水環境下具有相當程度
的阻水能力，但若利用海水進行滲透，阻水效果明顯降低，膨潤
土本身之含水量及膨脹性大大降低， X 光繞射分析觀察晶格距
離結果映證，高價陽離子的交換造成離子晶格的改變，並由原子
吸收光譜比對海水及滲出液，滲出液中之鈉離子含量將因離子取
代的而上升。

Geosynthetic Clay Liners (GCLs) usually apply to the project
is utilize it absorb water of expand ability,to reduce the liquid
ooze,today global water resource is serious insufficient,child care
and effectively utilize water resource is very urgency.In water
resource stored and the pollution defended of underground
water,adopt adaptable blocking water material directly influence
fruitage of the Hydraulic Barrier.And now it used in Landfill、
reservoir、artifact water hole and other project of hydraulic barrier.
As a result of the GCLs apply used in tap water is fruitage and
used it for many years.Now many project is advance along the
coast,but the seaweater is include complex cation,and high cvalue
ation replace the sodium ation will influence it engineering
quality.So in this study will permeate with water and osmosis with
seawater,observe it absorb water of expand ability 、mineral
structure characteristic、Hydraulic Barrier fruitage of GCLs and to
discuss the variation of cation capacity.
According to this research，GCLs have very well hydraulic
barrier ability with the water environment,but with seaweater the
Moisture content and expand of GCLs will be decrease and to lose
hydraulic barrier obviously.As the result of X-rays diffraction
analysis the distance mineral lattice.The high cvalue ation replace
to cause the distance mineral lattice increase,and by Atomic Geosynthetic Clay Liners (GCLs) usually apply to the project
is utilize it absorb water of expand ability,to reduce the liquid
ooze,today global water resource is serious insufficient,child care
and effectively utilize water resource is very urgency.In water
resource stored and the pollution defended of underground
water,adopt adaptable blocking water material directly influence
fruitage of the Hydraulic Barrier.And now it used in Landfill、
reservoir、artifact water hole and other project of hydraulic barrier.
As a result of the GCLs apply used in tap water is fruitage and
used it for many years.Now many project is advance along the
coast,but the seaweater is include complex cation,and high cvalue
ation replace the sodium ation will influence it engineering
quality.So in this study will permeate with water and osmosis with
seawater,observe it absorb water of expand ability 、mineral
structure characteristic、Hydraulic Barrier fruitage of GCLs and to
discuss the variation of cation capacity.
According to this research，GCLs have very well hydraulic
barrier ability with the water environment,but with seaweater the
Moisture content and expand of GCLs will be decrease and to lose
hydraulic barrier obviously.As the result of X-rays diffraction
analysis the distance mineral lattice.The high cvalue ation replace
to cause the distance mineral lattice increase,and by Atomic Absorption Spectrophotometer Analysis with seawater and
oozed.The sodium cation content in ooze is increase by high cvalue
ation replace.

中文摘要 I
英文摘要 II
誌 謝 IV
目 錄 V
圖 目 錄 V
表 目 錄 V
第 一 章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 1
1.3 研究方法 2
1.4 研究內容概要 3
第 二 章 研究背景與文獻回顧 5
2.1 膨潤土簡介 5
2.2 蒙脫石的礦物結晶特徵 6
2.3 膨潤土與水的作用 9
2.4 離子交換選擇性 10
2.5 膨潤土水合結構 11
2.6 膨潤土的礦物鑑定 14
2.6.1 膨潤土X 光繞射分析 15
2.6.2 原子吸收光譜儀 17
2.7 膨潤土之應用 19
2.8 膨潤土防水毯(Geosynthetic Clay Liners,
GCL)相關性質
21
2.8.1 膨潤土防水毯簡介 21
2.8.2 膨潤土防水毯的構造 23
2.9 膨潤土及膨潤土防水毯相關研究成果 24
2.9.1 土含量 25
2.9.2 模擬現地影響 27
2.9.3 自癒能力 30
2.9.4 離子交換行為 33
2.9.5 凍融循環試驗 39
2.10 膨潤土防水毯的工程應用 40
2.11 小結 42
第 三 章 研究規劃與試驗方法 43
3.1 研究方法、進行步驟 43
3.2 試驗材料 45
3.2.1 膨潤土 45
3.2.2 地工織物 46
3.2.3 膨潤土防水毯 46
3.3 膨潤土特性試驗 47
3.3.1 含水量測定試驗 47
3.3.2 自由膨脹度試驗 47
3.3.3 過濾損耗度試驗 49
3.4 地工織物特性試驗 50
3.5 膨潤土布特性試驗 52
3.5.1 單位面積膨潤土含量試驗 52
3.5.2 針軋強度試驗 53
3.5.3 抗穿刺強度試驗 54
3.5.4 三軸柔性壁滲透試驗 55
3.6 達西定律（Darcy’s low） 58
3.7 海水對膨潤土膨脹能力之影響試驗 58
3.8 海水對膨潤土防水毯阻水能力之影響試驗 59
3.9 透水試驗 61
3.9.1 試驗儀器 61
3.9.2 覆土與基層材料 63
3.9.3 試驗步驟 63
3.9.4 透水儀配置 65
3.10 原子吸收光譜儀 66
3.10.1 目的 66
3.10.2 基本原理 66
3.10.3 試驗程序概要 67
3.11 X 光粉末繞射儀分析 68
3.11.1 儀器簡介 68
3.11.2 黏土礦物半定量分析 69
3.11.3 繞射分析條件 69
3.11.4 試片製作 70
第 四 章 試驗結果分析與探討 71
4.1 基本性質試驗 71
4.1.1 膨潤基本性質試驗結果 71
4.1.2 地工織物基本性質試驗結果 72
4.1.3 膨潤土防水毯基本性質試驗結果 73
4.2膨潤土於海水滲透下相關物性分析 74
4.2.1 含水量試驗結果 75
4.2.2 自由膨脹度試驗結果 75
4.2.3 滲透試驗結果 78
4.3 礦物結構分析 82
4.4 離子差異性進行比對 85
第 五 章 結論與建議 89
5.1 結論 89
5.2 建議 91
參考文獻 92



圖目錄
圖2-1 （a）單獨矽四面體 （b）四面體或矽片之等角視圖
（Grim, 1959） 6
圖2-2 （a）單獨鋁八面體 （b）正八面體之等角視圖（Grim,
1959） 7
圖2-3 蒙脫石原子結構示意圖（Grim, 1962） 7
圖2-4 蒙脫石組成單元由TOT 層構成，層間遇水會分離 8
圖2-5 一般黏土礦物相對大小、厚度及表面積（Yong, 1975） 9
圖2-6 蒙脫石及高嶺石的附水層相對大小（Lambe, 1958） 11
圖2-7 鈣離子對膨潤土水合結構示意圖 12
圖2-8 可交換鈉離子對膨潤土結構與回脹性影響示意圖 13
圖2-9 布拉格定律（Bragg＇s Law）nλ＝2dsinθ 之說明圖 15
圖2-10 鈉基膨潤土的X 光繞射分析結果 16
圖2-11 X 光繞射分析中鈉基膨潤土的典型 16
圖2-12 原子吸收光譜儀之基本構造 18
圖2-13 不同形式及特性之土工膨潤土防水毯 22
圖2-14 膨潤土防水毯不同組成方式示意圖 24
圖2-15 膨潤土含量與膨潤土防水毯厚度之關係 25
圖2-16 膨潤土含量與滲透性之關係 26
圖2-17 膨潤土防水毯的滲透係數隨著圍壓增加而減小 27
圖2-18 大尺寸透水試驗儀，膨潤土防水毯搭接處滲透試驗 28
圖2-19 膨潤土防水毯在不同有效應力下，受覆層材料尺寸影
響程度
29
圖2-20 膨潤土防水毯遭螺栓穿刺而自動修復之現象（James
Clem Co.,1992） 30
圖2-21 膨潤土防水毯對穿刺破壞有明顯的自癒能力 31
圖2-22 滲流種類對GCL 阻水效果及自癒能力之影響 32
圖2-23 不同液體對膨潤土膨脹性的影響 33
圖2-24 高濃度的氯化鈣溶液中，高品質膨潤土受影響程度較
大
34
圖2-25 低濃度的氯化鈣溶液中，兩種膨潤土受影響程度 34
圖2-26 不同價數離子與濃度之自由膨脹度 36
圖2-27 NB 與MSB 於不同濃度之自由膨脹度 38
圖2-28 NB 與MSB 於不同濃度之滲透係數 39
圖2-29 凍融循環試驗結果 39
圖2-30 垃圾掩埋場不透水襯底 41
圖2-31 儲油槽、油庫底層防滲止漏 41
圖2-32 垃圾掩埋場之封層 41
圖2-33 人工湖，蓄水池的應用 41
圖3-1 試驗流程圖 44
圖3-2 膨潤土防水毯中所使用的膨潤土外觀 45
圖3-3 膨潤土防水毯的外觀 46
圖3-4 自由膨脹度試驗 48
圖3-5 撕裂強度試驗 51
圖3-6 抓式法拉力強度試驗 51
圖3-7 定水頭透水試驗儀 51
圖3-8 穿刺貫入錐示意圖 51
圖3-9 針軋強度試樣尺寸示意圖 53
圖3-10 三軸柔性壁滲透儀外觀 55
圖3-11 飽和示意圖 56
圖3-12 滲透示意圖 57
圖3-13 海水對膨潤土膨脹能力之影響試驗 59
圖3-14 離子交換試驗規劃流程圖 60
圖3-15 大尺寸透水儀示意圖 61
圖3-16 六聯式透水儀配置圖 62
圖3-17 小型透水儀配置圖 62
圖3-18 試片裁切前，先沿裁切處以蒸餾水噴濕 64
圖3-19 大尺寸透水儀滲透試驗配置圖 65
圖3-20 原子吸收光譜儀 67
圖3-21 原子光譜分析儀基本構造 68
圖3-22 X 光繞射分析儀外觀 68
圖4-1 自由膨脹度結果 (a)自來水 (b)自來水飽和海水滲透
(c)海水
77
圖4-2 加入海水土體變化情形(a)置入海水的試體 (b)自來水
試體
77
圖4-3 自來水飽和、滲透之滲透係數趨勢圖 79
圖4-4 自來水飽和海水滲透之滲透係數趨勢圖 80
圖4-5 圖4-5 (a)自來水不織布表面平整;(b)海水不織布縫線明
顯
81
圖4-6 圖4-6 (a)自來水試體表面完整;(b)海水試體表面裂縫明
顯
82
圖4-7 膨潤土（自來水飽和及滲透）的X 光繞射分析圖 83
圖4-8 膨潤土（海水飽和及滲透）的X 光繞射分析圖 84
圖4-9 膨潤土（自來水飽和及海水滲透）的X 光繞射分析圖 85
圖4-10 鈉離子逐日變化曲線 86
圖4-11 鈣離子逐日變化曲線 87
圖4-12 鎂離子逐日變化曲線 88



表目錄
表2-1 25℃下離子結晶半徑及水合熱 10
表2-2 各屬性膨潤土主要鑑別特徵 14
表2-3 膨潤土之用途 19
表2-4 破洞對導水度的影響 31
表2-5 不同液體對自由膨脹度的影響 33
表2-6 高品質膨潤土及低品質膨潤土陽離子交換能力 34
表2-7 膨潤土防水毯三軸柔性壁滲透試驗結果 35
表2-8 不同離子與濃度之滲透係數 37
表2-9 不同飽和液體及循環次數之滲透係數 38
表3-1 膨潤土化學成分 45
表3-2 膨潤土物理特性表 47
表3-3 地工織物之基本力學性質與水力性質 50
表4-1 膨潤土含水量測試結果 72
表4-2 不織布基本性質試驗 73
表4-3 織布基本性質試驗 73
表4-4 膨潤土防水毯特性試驗結果 74
表4-5 膨潤土防水毯力學性質試驗 74
表4-6 膨潤土含水量 75
表4-7 膨潤土自由膨脹度影響 76
表4-8 膨潤土過濾損耗度試驗 78
表4-9 海水中主要離子濃度 86

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