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研究生:丁以駿
研究生(外文):Yi-Jun Ding
論文名稱:膨潤土布經凍脹作用後其力學性質影響研究
論文名稱(外文):The study of Freeze-exanpsion Effect on Mechanical Properties of the Geosynthetic Clat Liners
指導教授:張達德張達德引用關係
指導教授(外文):Ta-Teh Chang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:102
中文關鍵詞:針軋強度膨潤土布膨潤土凍融循環凍脹作用
外文關鍵詞:Geosynthetic Clay LinerFreeze-expansionPeel Strength.Freeze-ThawBentonite
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膨潤土布(Geosynthetic Clay Liner, GCL),是一種地工合成材料,其主要用途為阻水、防滲。工程界常利用其特殊性質減少液體滲流通過,以達到防滲阻水的目的。水資源的貯蓄工程中,採用的阻水材料效果影響甚大。
爲了解膨潤土布在高緯度或高山地區的適用性,因為高緯度或高山地區有產生凍融現象的可能,故本研究對於環境因子中的溫度變化對膨潤土布的力學性質影響進行探討。針對膨潤土(Bentonite)、膨潤土布(GCL)本身,進行凍融循環試驗,之後進行力學性質試驗。
本實驗試體分為兩種,一、經過凍融循環的狀況。二、原始狀態、有無正向應力在不同的凍融循環下進行抗張及針軋強度試驗並相互比較,根據研究結果歸納得知:凍脹作用對於膨潤土本身的結構會產生變異,使其品質略為降低;對膨潤土布中的不織布及織布抗張強度影響不大,但是針軋強度的影響就相當的明顯了,試體只要經過了凍融循環,針軋強度便會大幅度下降,在循環9次的時候,膨潤土布的針軋強度會降到更低。
Geosynthetic Clay Liner (GCL) is the geosynthetic material mainly applied to water blocking and anti-seepage. For its particular characteristics of reducing permeation, it is often used for the purpose of anti-seepage and water blocking in engineering, especially adopted as the water-blocking material for water storage projects.
For understand the applicability of bentonite fabric used in high latitudes or high mountains, in the high latitudes or high mountains place study probable produce freeze-thaw. the environmental factor of temperature for GCL. conducted the freeze-thaw tests of Bentonite and GCL, and to proceed dynamics quality tests as well.
This experiment sample to sort two. One、with the freeze-thaw two、the original state, which were conducted the needle peel and tensile strength tests with and without the applied stress. According to the results, this study could know that: the frost heaving effect would induce the variation of bentonite and thus slightly reduce its quality. It has bare effects of tensile strength on the non-woven fabric of bentonite, but has significant effects on weaving cloth. The impact of needle peel strength is quite clear, sample a pass through freeze-thaw, peel strength became substantially a down, in cycle No.9 GCL peel strength is lower.
目 錄
頁次
中文摘要 I
英文摘要 II
誌 謝 III
目 錄 IV
圖 目 錄 VII
表 目 錄 XI
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 4
2.1膨潤土簡介 4
2.2蒙脫石的礦物學特徵 5
2.3膨潤土與水作用 8
2.4離子交換選擇性 9
2.5膨潤土水合結構 10
2.6膨潤土的礦物鑑定 13
2.7膨潤土之應用 14
2.8膨潤土布相關性質 16
2.8.1膨潤土布的簡介 16
2.8.2膨潤土布的構造 18
2.8.3膨潤土布之製造方式 19
2.9膨潤土及膨潤土布相關文獻 21
2.9.1凍融循環 22
2.9.2力學性質 28
2.10膨潤土布的工程應用 39
2.11小結 41
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膨潤土布 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過濾損耗試驗 49
3.4地工織物特性試驗 51
3.5膨潤土布特性試驗 53
3.5.1單位面積膨潤土含量試驗 53
3.5.2力學性質試驗 54
3.5.3水力性質試驗 61
3.6凍融循環對於膨潤土、膨潤土布性質影響
試驗 64
3.6.1膨潤土布的凍融試驗 64
3.6.2膨潤土的凍融試驗 69
3.7光學顯微鏡 69
3.7.1目的 69
3.7.2儀器簡介 69
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膨潤土基本性質試驗結果 71
4.1.2地工織物基本性質試驗結果 72
4.1.3膨潤土布特性試驗結果 73
4.2膨潤土經凍脹作用後相關性質變異分析 74
4.2.1自由膨脹度試驗結果 74
4.2.2過濾損耗試驗結果 75
4.3膨潤土布經凍脹作用後力學性質變異分析 76
4.3.1條式法抗張試驗結果 76
4.3.2針軋強度試驗結果 79
4.3.3膨潤土布試驗後試體變化情形 80
4.3.4凍融後進行針軋強度試驗後試體變異 82
第五章 結論與建議 86
5.1結論 86
5.2建議 88
參考文獻 89




圖目錄
頁次
圖2-1 (a)單獨矽四面體 (b)四面體或矽片之等角視圖
(Grim, 1959) 5
圖2-2 (a)單獨鋁八面體 (b)正八面體之等角視圖(Grim,
1959) 6
圖2-3 蒙脫石原子結構示意圖(Grim, 1962) 6
圖2-4 蒙脫石組成單元由TOT 層構成,層間遇水會分離 7
圖2-5 一般黏土礦物相對大小、厚度及表面積(Yong, 1975) 8
圖2-6 蒙脫石及高嶺石的附水層相對大小(Lambe, 1958) 10
圖2-7 鈣離子對膨潤土水合結構示意圖 11
圖2-8 可交換鈉離子對膨潤土結構與回脹性影響示意圖 12
圖2-9 不同形式及特性之土工膨潤土布,右為乾燥狀態,左為水合後情
形 17
圖2-10 膨潤土布不同組成方式示意圖 19
圖2-11 縫結型GCL 製造流程 20
圖2-12 針軋型GCL 製造流程 20
圖2-13 黏結型GCL 製造流程 20
圖2-14 冰凍設備冷凍管鋪設平面圖 24
圖2-15 冰凍設備剖面圖 24
圖2-16 冰凍設備示意圖 25
圖2-17 圍壓對於受凍融後與凍融前壓縮土壤的滲透性影響 25
圖2-18 圍壓與滲透係數關係圖 27
圖2-19 凍融循環試驗結果 27
圖2-20 膨潤土布的寬幅拉力行為 29
圖2-21 軋針細部示意圖 30
圖2-22 針軋過程示意圖 30
圖2-23 不同類型GCL 剪力強度 31
圖2-24 針軋強度與剪力強度關係圖 32
圖2-25 典型縫結型膨潤土布的剪力強度與位移之比較
(GeoSyntec 1994) 34
圖2-26 受不同圍壓限制的膨潤土布膨脹結果 36
圖2-27 兩種膨潤土布對不同圍壓所量得的厚度 36
圖2-28 兩種膨潤土布不同圍壓所量得的厚度(b) 37
圖2-29 厚度與正向應力關係曲線 38
圖2-30 垃圾掩埋場不透水襯底 40
圖2-31 儲油槽、油庫底層防滲止漏 40
圖2-32 垃圾掩埋場之封層 40
圖2-33 人工湖,蓄水池的應用 40
圖3-1 試驗流程圖 44
圖3-2 膨潤土礦外觀 45
圖3-3 膨潤土布外觀 46
圖3-4 自由膨脹度試驗 48
圖3-5 過濾損耗儀外觀 50
圖3-6 過濾損耗儀內部示意圖 50
圖3-7 撕裂強度試驗 52
圖3-8 抓式法拉力強度試驗 52
圖3-9 定水頭透水試驗儀 52
圖3-10 多功能試驗機示意圖 55
圖3-11 試驗用夾具 55
圖3-12 資料擷取器 56
圖3-13 200mmx50mm 膨潤土布試體 57
圖3-14 條式法抗張強度試驗配置圖 58
圖3-15 針軋強度試樣尺寸示意圖59
圖3-16 穿刺貫入錐示意圖 60
圖3-17 三軸柔性壁滲透儀外觀 61
圖3-18 飽和示意圖 62
圖3-19 滲透示意圖 63
圖3-20 膨潤土布凍融試驗之實驗流程圖 65
圖3-21 直徑300mm×200mm 的膨潤土布試體 66
圖3-22 有施加正向應力的凍融配置圖 67
圖3-23 無施加正向應力的凍融配置圖 67
圖3-24 高低溫變化控制箱 68
圖3-25 膨潤土樣經凍融後試驗流程圖 69
圖3-26 ZEISS 公司生產的光學顯微鏡 70
圖3-27 WATAC 公司生產的221S 型攝影鏡頭 70
圖4-1 循環三次試體抗張強度比較 77
圖4-2 循環九次試體抗張強度比較 77
圖4-3 循環次數不同正向應力為零試體抗張強度比較 78
圖4-4 環次數不同正向應力為0.008kg/cm2 試體抗張強度比
較 79
圖4-5 循環次數不同正向應力為0.016kg/cm2 試體抗張強度
比較 79
圖4-6 循環三次的針軋試驗結果80
圖4-7 循環六次的針軋試驗結果80
圖4-8 循環九次的針軋試驗結果81
圖4-9 凍融(未飽和)(左)放大5 倍(右)放大20 倍 82
圖4-10 凍融(飽和)(左)放大5 倍(右)放大20 倍 82
圖4-11 原始土樣(左)放大5 倍(右)放大20 倍 82
圖4-12 凍融(未飽和)放大5 倍 83
圖4-13 凍融(飽和)放大5 倍 83
圖4-14 原始土樣放大5 倍 83
圖4-15 凍融循環12 次後試體N3(左)上拍(右)近拍 84
圖4-16 凍融循環12 次後的試體N1(左)上拍(右)近拍 84
圖A-1 循環三次無正向應力 92
圖A-2 循環三次正向應力0.008kg/cm2 92
圖A-3 循環三次正向應力0.016kg/cm2 92
圖A-4 循環六次無正向應力 93
圖A-5 循環六次正向應力0.008kg/cm2 93
圖A-6 循環六次正向應力0.016kg/cm2 93
圖A-7 循環九次無正向應力 94
圖A-8 循環九次正向應力0.008kg/cm2 94
圖A-9 循環九次正向應力0.016kg/cm2 94
圖A-10 循環十二次無正向應力 95
圖A-11 循環十二次正向應力0.008kg/cm2 95
圖A-12 循環十二次正向應力0.016kg/cm 95


表目錄
頁次
表2-1 25℃下離子結晶半徑及水合熱 9
表2-2 各屬性膨潤土主要鑑別特徵 13
表2-3 膨潤土之用途 14
表2-4 膨潤土布直接剪力試驗試驗結果 33
表2-5 先加壓後水化下的滲透係數 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 51
表4-1 膨潤土基本性質試驗結果 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 膨潤土布特性試驗結果 74
表4-5 膨潤土布基本性質試驗 74
表4-6 飽和與未飽和膨潤土自由膨脹度 75
表4-7 飽和與未飽和膨潤土過濾損耗值 76
表4-8 針軋強度試驗結果表 84
參考文獻
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【32】Mark H.Gleason,David E. Daniel,Gerald R. Eykhholt.”Calcium and Sodium Bentonite For Hydraulic Containment Applications.”,Journal Of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering,May 1997.pp.438~445.
【33】ASTM D6496-99 ,”Standard Test Method for Determining Average Bonding Peel Strength Between the Top and Bottom Layers of Needle-Punched Geosynthetic Clay Liners”, American Society for Testing and Materials, West Conshocken, Pennsylvania, USA.
【34】ASTM D5887-99 ,”Standard Test Method for Measurment of Index Flux Through Saturated Geosynthetic Clay Liner Specimens Using a Flexible Wall Permeameter”, American Society for Testing and Materials, West Conshocken, Pennsylvania, USA.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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