新型膨潤(rùn)土防水毯的研制及其應(yīng)用

劉 楓，鄧寧嬌

（1.中國(guó)非金屬礦工業(yè)有限公司，北京 100142；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083）

近年來，以膨潤(rùn)土為主要原料生產(chǎn)的膨潤(rùn)土防水毯已經(jīng)成為一種重要的防水防滲材料。膨潤(rùn)土通常在與水接觸24h后開始水化，膨脹4～5倍，48h后水化完成，變成原來顆粒體積的10～15倍甚至30倍的凝膠體。在限制空間內(nèi)，防水毯中膨潤(rùn)土的膨脹從無序變?yōu)橛行颍掷m(xù)的吸水膨脹結(jié)果使防水毯層自身變得密實(shí),其體積增大，使其內(nèi)部形成負(fù)壓從而具有防水功能。其滲透率可減至10-9cm/s，幾乎滴水不漏。

目前，膨潤(rùn)土防水毯主要利用天然礦物膨潤(rùn)土為主要原料，通過針刺纖維把膨潤(rùn)土層固定在兩層土工布之間,土工布一般為聚丙烯織物,上層為非織造布，下層為機(jī)織物,主要起保護(hù)和加固作用。

目前，由于膨潤(rùn)土的防水性能必須在有淡水參與的情況下才能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境水的pH值和離子含量發(fā)生變化時(shí)[1]，防水毯中的膨潤(rùn)土便與其中的離子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致其膨脹系數(shù)和粘度大幅度降低，甚至失去膨脹性能，從而不能滿足滲透液在復(fù)雜狀況下的防滲要求。另外，膨潤(rùn)土防水毯在相互搭接上也存在一定的問題，目前通常采用水泥釘和墊片固定搭接[2]，搭接處用膨潤(rùn)土料漿或膨潤(rùn)土粉磨進(jìn)行封閉，但是固定搭接后也容易出現(xiàn)竄水等情況，導(dǎo)致膨潤(rùn)土防水毯不能滿足和保障客戶的需求。

1 新型膨潤(rùn)土防水毯的研制

1.1 結(jié)構(gòu)

膨潤(rùn)土防水毯的結(jié)構(gòu)按照生產(chǎn)工藝的不同，可通過針刺法和膠粘法將膨潤(rùn)土原料，最好是鈉基膨潤(rùn)土或是經(jīng)過鈉化處理的鈣基膨潤(rùn)土固定在兩層編織布或無紡?fù)凉げ贾g。

新型膨潤(rùn)土防水毯的膨潤(rùn)土層較普通膨潤(rùn)土防水毯有明顯的不同，不再使用膨潤(rùn)土顆粒，而是將膨潤(rùn)土粉末經(jīng)過特殊處理制成致密薄片狀材料。由于原料形態(tài)的不同，造就新型膨潤(rùn)土防水毯的結(jié)構(gòu)也有所不同，將無紡布層、編織布層和薄片狀膨潤(rùn)土產(chǎn)品通過壓力將三者結(jié)合在一起，從而形成一種薄片狀膨潤(rùn)土產(chǎn)品位于中間層，無紡布和編織布位于兩面的“三明治”結(jié)構(gòu)的新型膨潤(rùn)土防水毯產(chǎn)品(結(jié)構(gòu)示意見圖1)。

圖1 新型膨潤(rùn)土防水毯結(jié)構(gòu)

1.2 選材

膨潤(rùn)土的質(zhì)量決定著新型膨潤(rùn)土防水毯的防水性能，相對(duì)于鈣基膨潤(rùn)土，天然鈉基膨潤(rùn)土在吸水率、膨脹倍數(shù)和陽離子交換容量等指標(biāo)上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。新型膨潤(rùn)土防水毯選用的膨潤(rùn)土是新疆某地的天然鈉基膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土的化學(xué)組成詳見下表。

新疆某地天然鈉基膨潤(rùn)土的化學(xué)組成(%)

膨潤(rùn)土防滲卷材外封裝用有機(jī)材料,選用上海產(chǎn)的一種聚丙烯編織薄膜,其厚度為0.25mm,面積密度為155g/m2,抗拉強(qiáng)度為30.5MPa。

1.3 原料準(zhǔn)備過程

從上表我們可以看出，新疆某地天然鈉基膨潤(rùn)土中SiO2的含量很高，達(dá)到60%以上，另據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)膨潤(rùn)土各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)，得出其蒙脫石含量在40%左右，膨脹指數(shù)約為16mL/2g，顯然不適合用于加工新型高端膨潤(rùn)土防水毯材料。在研究中，我們首先對(duì)新疆某地膨潤(rùn)土原料進(jìn)行提純，高純度的天然鈉基膨潤(rùn)土能明顯提高膨潤(rùn)土防水毯的性能指標(biāo)，如吸藍(lán)量、膨脹指數(shù)、耐久性等。其工藝路線見圖2。

圖2 天然鈉基膨潤(rùn)土的提純工藝路線

根據(jù)圖2，天然鈉基膨潤(rùn)土原礦通過濕法提純，其蒙脫石含量≥75%，膨脹指數(shù)≥30mL/2g，同時(shí)其濾失量也得到了進(jìn)一步降低(≤16mL)。符合新型膨潤(rùn)土防水毯對(duì)原料性能指標(biāo)的要求。

1.4 加工方法

新型膨潤(rùn)土防水毯的主體部分是致密薄片狀防水材料，其性能的好壞直接關(guān)系到防水毯的防水性能的優(yōu)劣。致密狀防水材料以高純天然鈉基膨潤(rùn)土粉末(200目標(biāo)準(zhǔn)篩)為主要原料，添加多種化工原料和水，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，給入反應(yīng)釜中，在高溫高壓的條件下充分反應(yīng)15min，然后將反應(yīng)充分的物料通過輸送帶運(yùn)輸至真空捏合擠出機(jī)的進(jìn)料口，在真空捏合20min后通過定形裝置擠出具有一定柔韌性和粘性的寬幅為2m，厚度為4mm的致密層狀防水材料，冷卻后的產(chǎn)品通過輸送帶傳送至全自動(dòng)真空覆膜機(jī)進(jìn)行覆膜，最終形成不同尺寸的產(chǎn)品。其工藝流程如圖3。

圖3 新型膨潤(rùn)土防水毯的加工工藝流程

在新型膨潤(rùn)土防水毯的研制過程中，我們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，通過不斷調(diào)整和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，確定了最佳的工藝配方及反應(yīng)釜的最佳溫度和壓力，調(diào)整了擠出機(jī)擠出速率，使之與覆膜打卷機(jī)更加協(xié)調(diào)的工作，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 相同水力坡度下不同密度膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)

實(shí)際應(yīng)用中膨潤(rùn)土、使用環(huán)境中的滲透液水質(zhì)、溫濕變化等都會(huì)影響防水毯的防滲效果。本部分主要探討不同密度下致密膨潤(rùn)土薄片在相同水力坡度下對(duì)滲透系數(shù)的影響和對(duì)防水毯防滲效果及服務(wù)期穩(wěn)定性的影響。

本試驗(yàn)中涉及到的密度指從真空捏合擠出機(jī)中擠出的致密膨潤(rùn)土薄片的實(shí)際密度。不同密度下致密膨潤(rùn)土薄片的滲透系數(shù)[3]見圖4，膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)隨密度的增大而迅速下降,不同致密度的膨潤(rùn)土的主要差別在于其單位面積上膨潤(rùn)土含量的多少。當(dāng)密度大時(shí),單位面積中的膨潤(rùn)土及吸附水層所占的體積就大,滲流液體通道就窄。新型膨潤(rùn)土防水毯致密膨潤(rùn)土薄片的密度為2.5～3.0g/cm3，含水量＜25%，致密膨潤(rùn)土薄片單位面積質(zhì)量為4.5～5.5kg/m2，滲透系數(shù)均＜10-11cm/s。

圖4 相同水力坡度不同密度下的滲透系數(shù)

2.2 新型膨潤(rùn)土防水毯在模擬浸出液下對(duì)比試驗(yàn)

用測(cè)試密度為3.4g/cm3的新型膨潤(rùn)土防水毯在不同環(huán)境下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分別選擇純水、滲透液(較為常見的酸和堿以及較為常見的有機(jī)溶劑)、純礦物油作為滲透介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。分別將測(cè)試用新型膨潤(rùn)土防水毯平鋪，再將等量不同滲透液加入其中，并對(duì)滲透液施加壓力差為0.4MP，保持12h。測(cè)試后分別對(duì)其滲透面積進(jìn)行計(jì)算并得出結(jié)果。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)三種滲透液在相同條件下進(jìn)行測(cè)試的過流面積分別為6.54、6.92和7.14cm2。在不同滲透液環(huán)境下，新型膨潤(rùn)土防水毯的滲透性能無顯著變化，適合用于常規(guī)領(lǐng)域和特種領(lǐng)域的防水防滲工程。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工問題

與普通膨潤(rùn)土防水毯的相比，新型膨潤(rùn)土防水毯施工工藝要簡(jiǎn)單得多，為了得到預(yù)期的防水效果，需要注意以下幾個(gè)問題：①覆蓋層問題，新型膨潤(rùn)土防水毯的防水機(jī)理決定其必須在一個(gè)密閉有限的空間里才能發(fā)揮最佳的防水防滲功能，所以必須在新型膨潤(rùn)土防水毯的頂部覆蓋相當(dāng)厚度的約束層；②立面防水問題，新型膨潤(rùn)土防水毯能有效的對(duì)廚衛(wèi)和特殊領(lǐng)域立面進(jìn)行有效的防水防滲，立面用水泥釘進(jìn)行固定并覆蓋約束層；由于其具備一定的柔韌性，在平面與立面之間直接彎曲壓實(shí)即可；③搭接問題，新型膨潤(rùn)土防水毯的搭接較為簡(jiǎn)單，將兩塊撕去表面無紡材料的致密膨潤(rùn)土薄片相互重疊并壓實(shí)，搭接處無需用膨潤(rùn)土粉末或密封膠進(jìn)行密封；④刺破問題,由于膨潤(rùn)土層的致密性,所以單純的刺破不會(huì)影響新型膨潤(rùn)土防水毯的防水功能的發(fā)揮。

3 新型膨潤(rùn)土防水毯在尾礦庫(kù)防水防滲工程中應(yīng)用

中國(guó)是世界上開發(fā)利用礦產(chǎn)資源歷史最為悠久的國(guó)家之一。礦業(yè)在為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供原料、創(chuàng)造價(jià)值的同時(shí)，也帶來了一系列的生態(tài)問題。選礦過程中不可避免的產(chǎn)生大量尾礦[4]，這些尾礦在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下已不適宜繼續(xù)分選，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有用的目標(biāo)組分還可能有進(jìn)一步回收利用的價(jià)值。

選礦過程中的尾礦多以泥漿形式外排，日積月累形成尾礦庫(kù)。尾礦庫(kù)占地面積大且極具安全隱患，尾礦中有毒有害物質(zhì)及選礦藥劑通過地表水滲透到地下，對(duì)周圍環(huán)境、地下水造成極大的污染。研究表明，性能良好、穩(wěn)定的尾礦庫(kù)防滲材料能有效控制尾礦滲濾液的滲漏，防止其對(duì)土壤和地下水造成污染。現(xiàn)有的尾礦庫(kù)的防滲工程多在庫(kù)區(qū)鋪設(shè)水平的防滲層，防滲材料一般采用HDPE專用復(fù)合土工膜。但是HDPE專用防水復(fù)合土工膜在尾礦庫(kù)防滲工程中具有諸多缺點(diǎn)，例如易變形、易老化、易發(fā)脆、易應(yīng)力開裂、表面硬度低、易刮傷等，不能嚴(yán)格保證有毒有害物質(zhì)進(jìn)入地下水層，對(duì)附近居民的生活健康造成影響，滿足不了尾礦庫(kù)的防滲要求，所以探索一種新型尾礦防滲材料刻不容緩。

相比常用的HDPE專用復(fù)合土工膜，新型膨潤(rùn)土防水毯完全克服了HDPE專用復(fù)合土工膜易老化、變形、開裂以及易刮傷等問題。由于其采用新的生產(chǎn)工藝，所以在滲透液復(fù)雜情況下依然能夠起到較好的防水防滲功能，能夠有效地起到尾礦庫(kù)的防滲作用，保護(hù)地下水資源不受污染。新型膨潤(rùn)土防水毯同樣具有其他優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)良的膨脹性和低滲透性，而且具有環(huán)境修復(fù)、環(huán)境凈化和環(huán)境替代等功能；厚度薄，大大減少了對(duì)尾礦庫(kù)空間的消耗。

4 結(jié)論

本文對(duì)新型膨潤(rùn)土防水毯的研制做了簡(jiǎn)單的概述，對(duì)其滲透性能和施工方法進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，闡述了其在特種領(lǐng)域防水防滲的優(yōu)良品質(zhì)，并列舉了其在尾礦庫(kù)防水防滲工程中的應(yīng)用。新型膨潤(rùn)土防水毯以其優(yōu)良的防水防滲功能、方便簡(jiǎn)潔的施工方法以及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，將在各種防滲工程和防水卷材市場(chǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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[2]曲春瓏,周卉鑫.膨潤(rùn)土防水毯施工技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2011,42(7):590-593.

[3]王菲菲,徐傳云,左明.關(guān)于膨潤(rùn)土防水毯防滲性能及穩(wěn)定性的影響因素分析[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2012(1):11-14.

[4]李冬鳳,馮際斌.尾礦庫(kù)防滲工程的技術(shù)探討[J].中國(guó)建筑防水,2011(22):44-47.