黏土礦物耐靜水壓測試方法試驗(yàn)研究

肖宇鷹，李 瑩，孫孝誠，龔 關(guān)

(湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北武漢 430034)

黏土礦物耐靜水壓測試方法試驗(yàn)研究

肖宇鷹，李 瑩，孫孝誠，龔 關(guān)

(湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北武漢 430034)

首次提出直接測定黏土礦物耐靜水壓的檢測方法。采用該方法可以直接檢測出黏土礦物原料耐靜水壓的性能指標(biāo)，通過對膨潤土、累托石、凹凸棒石、海泡石等不同黏土礦物進(jìn)行測試，初步確定了黏土礦物耐靜水壓測試的基本參數(shù)。

耐靜水壓;黏土礦物;測試方法

0 引言

黏土礦物是一種重要的防滲堵漏材料，近年來應(yīng)用日益廣泛的防水毯其主要組成材料就是黏土。目前應(yīng)用較多的膨潤土防水毯已經(jīng)制定了國家標(biāo)準(zhǔn)［1］，對膨潤土防水毯基本性能指標(biāo)及其測試方法作了規(guī)定。耐靜水壓作為衡量防水材料防滲堵漏能力的重要性能指標(biāo)之一，雖有多種測試方法，但都是針對防水毯產(chǎn)品，尚未見到直接檢測黏土礦物耐靜水壓方法的報(bào)導(dǎo)。本研究提出的測試方法是直接對黏土礦物原料耐靜水壓性能進(jìn)行檢測，快速檢驗(yàn)與鑒別出防水材料用黏土礦物的耐滲性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊饬x

本檢測方法是直接對各種黏土礦物原料進(jìn)行防滲透性能的評價(jià)。與膨脹指數(shù)、濾失量等防水性能測試方法相比，具有更強(qiáng)的實(shí)用性和直觀性。實(shí)驗(yàn)研究表明，具有相同膨脹指數(shù)的膨潤土其耐靜水壓有時(shí)會(huì)有明顯的差異，因此判定一種黏土礦物的防水性能不能僅僅看膨脹指數(shù)、濾失量等指標(biāo)，還需要結(jié)合耐靜水壓指標(biāo)進(jìn)行綜合評定。

1.2 試驗(yàn)裝置、材料及工具

(1)本試驗(yàn)裝置由加壓系統(tǒng)和滲透測量系統(tǒng)兩部分組成，整體裝置見圖1。

(2)試樣筒及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。試樣筒系采用濾失量儀，內(nèi)置試樣、透水石、水、濾紙等，見圖2。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)氣路連接 將儲(chǔ)氣鋼瓶與測試支架上的小儲(chǔ)

圖1 整體裝置示意圖Fig.1 Sketch map of holistic equipment

圖2 試驗(yàn)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of inner structure for test equipment

氣罐用耐壓橡膠管聯(lián)接。打開鋼瓶的開關(guān)閥門，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，調(diào)至一定壓力，觀察整個(gè)線路及各接口處有無漏氣現(xiàn)象。若有漏氣則需關(guān)閉儲(chǔ)氣鋼瓶上的調(diào)壓閥。對漏氣處進(jìn)行調(diào)試與封堵，直至無漏氣現(xiàn)象，然后關(guān)閉儲(chǔ)氣鋼瓶的開關(guān)閥及二個(gè)調(diào)壓閥。

(2)生料帶纏繞透水石 為防止透水石邊緣滲漏曾采用蠟封法及涂抹高真空硅脂，但效果并不理想。實(shí)驗(yàn)證明用生料帶密封透水石邊緣是較好的方法，可保證在0.4 MPa壓力下不滲透。透水石的直徑應(yīng)與試樣筒的內(nèi)徑相近或略小于試驗(yàn)筒0.5 mm，然后用生料帶沿透水石邊緣纏繞，直至其直徑略大于試樣筒0.1～0.3 mm。

(3)試料筒接頭上的氣孔用膠紙封堵，將約100～110 mL水注入試樣筒的儲(chǔ)水器內(nèi)。注水水面接近隔板，但不應(yīng)高出隔板，以免與透水石接觸產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象。

(4)安裝透水石 將用生料帶纏好的透水石壓入試樣筒內(nèi)，直至透水石平面與隔板平面平行接觸，勿傾斜，以免試驗(yàn)過程中產(chǎn)生不正常的漏水。

(5)在透水石上面平鋪一張濾紙，濾紙直徑應(yīng)等于或略小于試樣筒的內(nèi)徑。濾紙與透水石之間或撬地應(yīng)密切的接觸，不得留有空隙。

(6)裝填試樣 試驗(yàn)裝置裝樣容積為22～26 mL(V=S×h=44 ×0.5=22.0 mL)，由于生料帶及透水石厚度的影響，實(shí)際裝樣量為20 mL左右。試樣為預(yù)先測定緊實(shí)密度下20 mL時(shí)的重量。以后進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)時(shí)，同一試樣應(yīng)按同一重量進(jìn)行。

裝填試樣應(yīng)先裝入1/3左右的樣品，沿試樣筒壁先行壓實(shí)，然后倒入余下樣品，并用三腳規(guī)壓平，以避免容器內(nèi)裝樣薄厚不均。

(7)在試樣上平鋪一張濾紙，勿擾動(dòng)試樣，再在濾紙上壓入用生料帶纏繞的透水石。

(8)將密封圈放入試樣筒的密封溝槽內(nèi)，壓入鎖緊蓋。翻轉(zhuǎn)試樣筒去掉試樣筒氣孔上的膠紙，將試樣筒旋入試樣支架分壓室的接口上，在出水孔下方放入量筒，并開始計(jì)時(shí)。

(9)測量 ①在未加壓力的情況下，計(jì)時(shí)達(dá)60 min，觀察并記錄試樣筒的透水情況。若無透水則記錄為“0”，并繼續(xù)進(jìn)行②的試驗(yàn);若有透水則需記錄透水量。表明該試樣不具耐靜水壓的能力，不能作為防滲堵漏材料使用。

②打開儲(chǔ)氣鋼瓶的開關(guān)閥門，并依此調(diào)整儲(chǔ)氣鋼瓶的分壓閥及試驗(yàn)支架小儲(chǔ)氣罐上的調(diào)壓閥至0.05 MPa，并靜置維持壓力30 min，觀察并記錄該狀態(tài)下的透水量。

如果試樣仍不透水則繼續(xù)逐級升壓至0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，各壓力下維持30 min，記錄各壓力下的透水量。

如試樣在0.05 MPa壓力下已透水，則記錄靜水壓力與透水量。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)樣品的制備

試樣的緊實(shí)密度與樣品的粒度密切相關(guān)。本方法采用樣品粒度在100～200目，過細(xì)則緊實(shí)密度低，樣品裝填量＜0.4 g/cm2，達(dá)不到防水毯的基本要求，粒度過粗則樣品的代表性不足。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)容器裝入樣品的容量有限，僅為20 mL，所以應(yīng)選用合適粒度的樣品。

2.2 幾種黏土耐靜水壓及相關(guān)性能的測試結(jié)果

幾種黏土耐靜水壓及相關(guān)性能的測試結(jié)果見表1。

表1 黏土礦物耐靜水壓及相關(guān)性能測試結(jié)果Table 1 Test result of water pressure resistance and related performance for clay minerals

2.3 測量誤差及重現(xiàn)性

由測試結(jié)果表可見，樣品的耐靜水壓重復(fù)試驗(yàn)誤差可達(dá)到0.05 MPa以內(nèi)，凹凸棒石黏土及海泡石黏土的耐靜水壓在0.05～0.10 MPa，改性膨潤土耐靜水壓既有0.05 ～0.10 MPa 區(qū)間也有 ＞0.4 MPa，而改性累托石黏土的耐靜水壓幾次試驗(yàn)結(jié)果均＞0.4 MPa。

2.4 測量范圍

根據(jù)JG/T193-2006鈉基膨潤土防水毯規(guī)定，對于GCL-NP的耐靜水壓，只要滿足0.4 MPa，維持一小時(shí)無滲漏即可滿足質(zhì)量要求。因此，對于防水毯用黏土礦物原料，暫定測量范圍為0～0.4 MPa。

2.5 幾點(diǎn)說明

2.5.1 常壓下保持60 min

根據(jù)不同礦物原料的多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有在靜態(tài)常壓下保持60 min，原料才能保證全部潤濕和較充分膨脹。我們曾經(jīng)做過保持30 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣斷面上還有干燥的黏土顆粒，故試驗(yàn)設(shè)定常壓下保持60 min。若試驗(yàn)防水層未被破壞，才應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行施壓試驗(yàn)。

2.5.2 固定體積裝樣

由于試樣筒，儲(chǔ)水容器透水石等均是由固定高(厚)度及體積，所以裝入試樣的體積也須固定。這樣密封圈與鎖緊蓋才能起到密封的作用。

試樣筒內(nèi)徑為75 mm，截面積為44.18 cm2。當(dāng)裝樣高度為5～6 mm時(shí)，裝樣體積分別為22.09 mL與26.51 mL。試驗(yàn)結(jié)果表明，樣品粒度在100～200目，緊實(shí)體積為20 mL時(shí)，樣品量約為22 g，單位體積的裝填重量為0.5 g/cm3。因此本試驗(yàn)采用緊實(shí)體積為20 mL的樣品重量作為每次試驗(yàn)的加樣量。

如果試樣的比重(密度)相近，本法對不同樣品的可比性較高。因?yàn)檠b入相同體積樣品的重量也基本相同或者相差不大。一般黏土礦物的比重為2.6 g/cm3左右。

2.5.3 樣品粒度

試樣的粒度一般應(yīng)控制在100～200目，若過細(xì)，裝入相同體積的樣品質(zhì)量相差較大，難以相互比較。如凹凸棒石黏土粉碎至325目，緊實(shí)密度為0.68 g/cm2密實(shí)狀態(tài)下20 mL的質(zhì)量僅為13.7 g。故樣品粉碎粒度應(yīng)控制在100～200目較為適宜。

2.5.4 透水量

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，防滲透性能好的試樣的透水量為0 mL，只有在靜水壓達(dá)到一定值后，透水才開始，并且在幾秒至幾分鐘內(nèi)儲(chǔ)水容器中的水便會(huì)全部失盡。防滲性能差的黏土，一般在常壓下或較小的靜水壓下便會(huì)失盡。但也有時(shí)試驗(yàn)會(huì)始終在滴水，甚至隨時(shí)間的延長越滴越少。樣品自身形成的防水層并未破壞。因此目前透水量只是作為試驗(yàn)參考值。

3 結(jié)語

(1)本文首次提出了黏土礦物原料耐靜水壓的測試方法，該方法無需制備防水毯產(chǎn)品直接對黏土礦物進(jìn)行測定，有利于防水材料用黏土礦物的快速檢驗(yàn)與鑒別。

(2)檢測方法模擬工程實(shí)際使用情況，將黏土制成一定厚度的防水層［2］，利用氣體壓力代替水壓，改變黏土防水層上方的壓力，迫使水通過防水層，抗靜水壓越高則樣品的防滲效果也就越好。本方法裝置用氣體壓力代替水壓是一個(gè)重大改進(jìn)。

(3)采用本方法對膨潤土、累托石、凹凸棒石、海泡石等不同類型的黏土礦物進(jìn)行了耐靜水壓性能指標(biāo)的測試。

(4)通過試驗(yàn)提出了黏土礦物耐靜水壓性能測試的條件控制參數(shù)主要為試樣的粒度、緊實(shí)密度及裝樣方式，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求提出黏土礦物耐靜水壓的測量范圍為0 ～0.4 MPa。

［1］ JG/T 193—2006，鈉基膨潤土防水毯［S］.

［2］ 鞠建英.膨潤土防水毯特性及質(zhì)量控制［J］.中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2013(1):15 －17.

(責(zé)任編輯:陳文寶)

Experimental Investigation on Test Method of Water Pressure Resistance of Clay Minerals

XIAO Yuying，LI Ying，SUN Xiaocheng，GONG Guan
(Hubei Institute of Geological Experiment，Wuhan，Hubei430034)

The paper proposed the test method of how to detect water pressure resistance of clay minerals directly for the first time.It can be detected for the performance index of water pressure resistance of clay minerals directly by this method.Through the test of different clay minerals，such as bentonite，rectorite，attapulgite，sepiolite，etc.It was determined that basic parameters of water pressure resistance test for clay minerals preliminarily.

water pressure resistance;clay minerals;test method

P575

A

1671－1211(2014)02－0214－03

2013－08－20;改回日期:2013－08－30

國土資源部公益行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目 (編號:201111028－4)。

肖宇鷹 (1980－)，女，工程師，材料科學(xué)與工程專業(yè)，從事非金屬礦物性測試及開發(fā)應(yīng)用研究工作。E－mail:xiaoyy_801018@163.com