預(yù)水化型膨潤土防滲材料制備工藝及性能評價指標(biāo)探討

劉玉芹

(中國非金屬礦工業(yè)有限公司，北京 100035)

1 膨潤土用于防滲材料發(fā)展歷程

膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的粘土，具有良好的吸水膨脹性、吸附性以及粘結(jié)性等性能。質(zhì)量優(yōu)良的膨潤土可吸收自身質(zhì)量5倍多的水分，吸水后體積膨脹15～25倍，呈凝膠狀態(tài)，由于限制了水的遷移，具有良好的阻水特性。

1.1 膨潤土作為防滲材料歷史

在我國，膨潤土作為防滲材料的歷史悠久，經(jīng)考古發(fā)現(xiàn)，早在春秋戰(zhàn)國時期的楚墓、秦墓就曾使用膨潤土來防止地下水侵蝕。1972年，在湖南省出土了馬王堆漢墓，該墓室的主人—辛追夫人的尸體保存完好，在發(fā)掘過程中發(fā)現(xiàn)其墓室周圍使用了厚度為1～1.3m的白泥膏，白膏泥經(jīng)鑒定礦物成分為膨潤土。

1.2 當(dāng)前常用的膨潤土防滲材料比較

目前，市面上常見的膨潤土防滲材料[1]商品有以下幾種：膠粘法膨潤土防水毯(圖1a)；針刺法膨潤土防水毯(圖1b)；針刺覆膜法防滲襯墊(圖1c)；預(yù)水化型膨潤土防滲襯墊(圖1d)，其性能對比見表1。膨潤土防滲材料的演變主要是基于材料施工便利以及防滲效果兩方面因素的考量而不斷演變的。膠粘法膨潤土防水毯是采用膠粘劑將膨潤土顆粒和聚乙烯板結(jié)合，存在結(jié)合不緊密易掉粉問題；為改進(jìn)上述問題，針刺法膨潤土防水毯和針刺覆膜法防滲襯墊采用針刺方法將膨潤土均勻的固定在土工布之間，膨潤土被限定在一定空間內(nèi)進(jìn)行吸水膨脹而發(fā)揮防滲作用，但仍然存在搭接困難，復(fù)雜滲濾環(huán)境下無法防滲的問題；預(yù)水化型膨潤土防滲襯墊是將膨潤土和聚合物擠壓形成均勻致密的薄層狀柔性片層，實(shí)現(xiàn)了即時防滲，解決了搭接處理難問題，使膨潤土防滲材料的應(yīng)用領(lǐng)域得以擴(kuò)展。

2 預(yù)水化型膨潤土防滲材料制備工藝

2.1 膨潤土有效防滲的主要影響因素

圖1 幾種膨潤土防滲材料結(jié)構(gòu)示意圖

表1 當(dāng)前常用的膨潤土防滲材料比較

基于對膨潤土的結(jié)構(gòu)特性及其防滲技術(shù)研究[7-8]，我們認(rèn)為影響膨潤土有效防滲的主要因素包括：①保證膨潤土充分吸水膨脹，由于蒙脫石的離子交換特性，環(huán)境中有些鹽離子、有機(jī)大分子、酸、堿離子等會在蒙脫石層間發(fā)生離子交換，從而給膨潤土膨脹帶來影響，導(dǎo)致膨潤土的膨脹性能變差而喪失防滲性能；②形成均勻致密防滲片層結(jié)構(gòu)，通常致密防滲層需要在0.5～0.8cm，且厚度均勻，防止厚度不足而使液體通過，防滲層顆粒間應(yīng)保持緊密排布，不留有縫隙；③保持防滲層壓覆力，通過壓覆力將膨潤土限定在有效空間內(nèi)，空間過大時顆粒松散流失會導(dǎo)致防滲失效；④材料具有較好的柔韌性，在邊坡和不平處施工具備良好的延展性。

2.2 制備工藝

預(yù)水化型膨潤土防滲材料的制備工藝如下：首先將優(yōu)選的膨潤土，加入一定比例的水，聚合物單體在交聯(lián)劑和引發(fā)劑等作用下，通過擠壓、捏和形成致密、均勻的團(tuán)塊；然后通過設(shè)備擠出成型一定厚度的防水片層；最后在防水片層上下覆膜后形成最終產(chǎn)品。在上述材料制備過程中，膨潤土原料的膨脹性能、交聯(lián)劑、引發(fā)劑的選擇及其用量，水的用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、捏和以及擠出方式、片層厚度等均對產(chǎn)品的性能有影響。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)研究表明，其最佳工藝條件為：膨潤土的膨脹指數(shù)必須≥20mL/2g；水分量占膨潤土質(zhì)量的30%～35%，部分水分隨聚合物單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑加入；聚合物單體的用量為膨潤土質(zhì)量的6%～10%，交聯(lián)劑、引發(fā)劑用量分別為聚合物單體用量的3%～5%，溫度控制在40～50℃，真空捏和反應(yīng)需要持續(xù)進(jìn)行10～30min，最后通過平板或圓環(huán)基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行擠出厚度為0.5～0.8mm的片層，上下覆膜得到最終產(chǎn)品。

3 材料性能評價指標(biāo)探討

由于預(yù)水化型膨潤土防滲材料在國內(nèi)尚未產(chǎn)業(yè)化，目前尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]。經(jīng)過前期的試驗(yàn)研究及驗(yàn)證，筆者建議應(yīng)從膨潤土原料特性、防滲性能、力學(xué)特性、應(yīng)用特性等指標(biāo)評價預(yù)水化型膨潤土防滲材料的防滲性能。

3.1 原料特性及要求

從應(yīng)用實(shí)踐并結(jié)合我國膨潤土資源的特性來看，原料的膨脹指數(shù)≥20mL/2g，且必須為天然鈉基膨潤土。原料的膨脹指數(shù)越高，膨潤土的純度相對較高，代表相同質(zhì)量的膨潤土在同樣條件下膨脹后其膨脹體積越大，再將其壓縮到特定空間內(nèi)的致密性越高，其防滲性能也會越好。

3.2 防滲特性的評價

以耐靜水壓和滲透系數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)評定膨潤土防滲材料的防滲性能。滲透系數(shù)越小，表示其防滲性能越好，我們確定的滲透系數(shù)指標(biāo)為≤5.0×10-11m/s；耐靜水壓越高，其抗?jié)B漏性越好，我們要求材料的耐靜水壓要在0.4MPa以下穩(wěn)定1h無滲漏。

3.3 力學(xué)特性的評價

通過縱向拉伸強(qiáng)度、縱向斷裂延伸率、常溫柔性等指標(biāo)來評定膨潤土防滲材料的力學(xué)特性?？v向拉伸強(qiáng)度用來表征材料沿正軸縱向單軸拉伸或壓縮載荷作用下的極限應(yīng)力，該指標(biāo)應(yīng)≥600 N/100mm?？v向斷裂延伸率是指材料在受到應(yīng)力發(fā)生斷裂后的伸長率，是預(yù)水化型膨潤土防水毯不同于其他類型膨潤土防水毯的重要指標(biāo)之一，由于該材料具有良好的延展性，可以有效防止防滲失效，一般情況下該材料的斷裂延伸率≥200%。常溫柔性也是表征該材料應(yīng)用力學(xué)特性的重要指標(biāo)，防止材料在運(yùn)輸和較大坡度施工時出現(xiàn)斷裂的情況，通常要求其彎折三次無裂紋。

4 《天然鈉基膨潤土防滲襯墊》標(biāo)準(zhǔn)的修訂建議

目前國內(nèi)建材行業(yè)采用的膨潤土防滲襯墊標(biāo)準(zhǔn)為JC/T 2054-2011《天然鈉基膨潤土防滲襯墊》，該標(biāo)準(zhǔn)中尚未將預(yù)水化型膨潤土防滲材料納入其中。因此建議對《天然鈉基膨潤土防滲襯墊》進(jìn)行適當(dāng)?shù)男抻啠瑢㈩A(yù)水化型膨潤土防滲材料性能評價指標(biāo)納入其中(表2)。

5 應(yīng)用前景分析

預(yù)水化型膨潤土防滲材料可以有效解決針刺膨潤土防滲材料易失效、搭接困難等問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中具有顯著的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)拓寬膨潤土防滲材料的應(yīng)用領(lǐng)域。材料通過預(yù)先水化膨脹，可以有效阻止其他雜質(zhì)離子進(jìn)入層間而導(dǎo)致防滲失效，不受應(yīng)用環(huán)境中離子的影響，極大地拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。

(2)實(shí)現(xiàn)即時防滲。通過預(yù)水化、真空擠出工藝形成穩(wěn)定的防水片層結(jié)構(gòu)，可以有效保障施工完畢即時防滲。

(3)搭接處理方便。在搭接處理過程中，只需要將片層結(jié)構(gòu)搭接一定的寬度，片層間經(jīng)過壓力后便能夠融為一體，實(shí)現(xiàn)無縫搭接處理，解決了防滲搭接串水問題。

該防滲材料不僅可以用于建筑結(jié)構(gòu)防水，還可以用于地下室、隧道、地鐵、水庫等的防滲施工。在環(huán)境保護(hù)方面，可以用于垃圾填埋場、尾礦處理庫、油庫、加油站、核電站等防滲施工[10-11]。