劉 楓，鄧寧嬌

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

近年來，以膨潤土為主要原料生產(chǎn)的膨潤土防水毯已經(jīng)成為一種重要的防水防滲材料。膨潤土通常在與水接觸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)，防水毯中膨潤土的膨脹從無序變?yōu)橛行?，持續(xù)的吸水膨脹結(jié)果使防水毯層自身變得密實,其體積增大，使其內(nèi)部形成負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，膨潤土防水毯主要利用天然礦物膨潤土為主要原料，通過針刺纖維把膨潤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，下層為機織物,主要起保護和加固作用。

目前，由于膨潤土的防水性能必須在有淡水參與的情況下才能實現(xiàn)，當環(huán)境水的pH值和離子含量發(fā)生變化時[1]，防水毯中的膨潤土便與其中的離子發(fā)生反應，導致其膨脹系數(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雜狀況下的防滲要求。另外，膨潤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]，搭接處用膨潤土料漿或膨潤土粉磨進行封閉，但是固定搭接后也容易出現(xiàn)竄水等情況，導致膨潤土防水毯不能滿足和保障客戶的需求。

1 新型膨潤土防水毯的研制

1.1 結(jié)構(gòu)

膨潤土防水毯的結(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土原料，最好是鈉基膨潤土或是經(jīng)過鈉化處理的鈣基膨潤土固定在兩層編織布或無紡土工布之間。

新型膨潤土防水毯的膨潤土層較普通膨潤土防水毯有明顯的不同，不再使用膨潤土顆粒，而是將膨潤土粉末經(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)的新型膨潤土防水毯產(chǎn)品(結(jié)構(gòu)示意見圖1)。

圖1 新型膨潤土防水毯結(jié)構(gòu)

1.2 選材

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

新疆某地天然鈉基膨潤土的化學組成(%)

膨潤土防滲卷材外封裝用有機材料,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,抗拉強度為30.5MPa。

1.3 原料準備過程

從上表我們可以看出，新疆某地天然鈉基膨潤土中SiO2的含量很高，達到60%以上，另據(jù)實驗室對膨潤土各項指標的檢測，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土防水毯材料。在研究中，我們首先對新疆某地膨潤土原料進行提純，高純度的天然鈉基膨潤土能明顯提高膨潤土防水毯的性能指標，如吸藍量、膨脹指數(shù)、耐久性等。其工藝路線見圖2。

圖2 天然鈉基膨潤土的提純工藝路線

根據(jù)圖2，天然鈉基膨潤土原礦通過濕法提純，其蒙脫石含量≥75%，膨脹指數(shù)≥30mL/2g，同時其濾失量也得到了進一步降低(≤16mL)。符合新型膨潤土防水毯對原料性能指標的要求。

1.4 加工方法

新型膨潤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土粉末(200目標準篩)為主要原料，添加多種化工原料和水，充分攪拌均勻后，給入反應釜中，在高溫高壓的條件下充分反應15min，然后將反應充分的物料通過輸送帶運輸至真空捏合擠出機的進料口，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真空覆膜機進行覆膜，最終形成不同尺寸的產(chǎn)品。其工藝流程如圖3。

圖3 新型膨潤土防水毯的加工工藝流程

在新型膨潤土防水毯的研制過程中，我們進行了大量的試驗，通過不斷調(diào)整和改進生產(chǎn)工藝，確定了最佳的工藝配方及反應釜的最佳溫度和壓力，調(diào)整了擠出機擠出速率，使之與覆膜打卷機更加協(xié)調(diào)的工作，進一步提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 相同水力坡度下不同密度膨潤土的滲透系數(shù)

實際應用中膨潤土、使用環(huán)境中的滲透液水質(zhì)、溫濕變化等都會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土薄片在相同水力坡度下對滲透系數(shù)的影響和對防水毯防滲效果及服務期穩(wěn)定性的影響。

本試驗中涉及到的密度指從真空捏合擠出機中擠出的致密膨潤土薄片的實際密度。不同密度下致密膨潤土薄片的滲透系數(shù)[3]見圖4，膨潤土的滲透系數(shù)隨密度的增大而迅速下降,不同致密度的膨潤土的主要差別在于其單位面積上膨潤土含量的多少。當密度大時,單位面積中的膨潤土及吸附水層所占的體積就大,滲流液體通道就窄。新型膨潤土防水毯致密膨潤土薄片的密度為2.5～3.0g/cm3，含水量＜25%，致密膨潤土薄片單位面積質(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 新型膨潤土防水毯在模擬浸出液下對比試驗

用測試密度為3.4g/cm3的新型膨潤土防水毯在不同環(huán)境下進行模擬試驗，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溶劑)、純礦物油作為滲透介質(zhì)進行試驗。分別將測試用新型膨潤土防水毯平鋪，再將等量不同滲透液加入其中，并對滲透液施加壓力差為0.4MP，保持12h。測試后分別對其滲透面積進行計算并得出結(jié)果。

根據(jù)試驗結(jié)果，對三種滲透液在相同條件下進行測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)場施工問題

與普通膨潤土防水毯的相比，新型膨潤土防水毯施工工藝要簡單得多，為了得到預期的防水效果，需要注意以下幾個問題：①覆蓋層問題，新型膨潤土防水毯的防水機理決定其必須在一個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土防水毯的頂部覆蓋相當厚度的約束層；②立面防水問題，新型膨潤土防水毯能有效的對廚衛(wèi)和特殊領(lǐng)域立面進行有效的防水防滲，立面用水泥釘進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即可；③搭接問題，新型膨潤土防水毯的搭接較為簡單，將兩塊撕去表面無紡材料的致密膨潤土薄片相互重疊并壓實，搭接處無需用膨潤土粉末或密封膠進行密封；④刺破問題,由于膨潤土層的致密性,所以單純的刺破不會影響新型膨潤土防水毯的防水功能的發(fā)揮。

3 新型膨潤土防水毯在尾礦庫防水防滲工程中應用

中國是世界上開發(fā)利用礦產(chǎn)資源歷史最為悠久的國家之一。礦業(yè)在為我國的經(jīng)濟發(fā)展提供原料、創(chuàng)造價值的同時，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]，這些尾礦在當前的經(jīng)濟技術(shù)條件下已不適宜繼續(xù)分選，但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展，有用的目標組分還可能有進一步回收利用的價值。

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。尾礦庫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)定的尾礦庫防滲材料能有效控制尾礦滲濾液的滲漏，防止其對土壤和地下水造成污染。現(xiàn)有的尾礦庫的防滲工程多在庫區(qū)鋪設水平的防滲層，防滲材料一般采用HDPE專用復合土工膜。但是HDPE專用防水復合土工膜在尾礦庫防滲工程中具有諸多缺點，例如易變形、易老化、易發(fā)脆、易應力開裂、表面硬度低、易刮傷等，不能嚴格保證有毒有害物質(zhì)進入地下水層，對附近居民的生活健康造成影響，滿足不了尾礦庫的防滲要求，所以探索一種新型尾礦防滲材料刻不容緩。

相比常用的HDPE專用復合土工膜，新型膨潤土防水毯完全克服了HDPE專用復合土工膜易老化、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的防滲作用，保護地下水資源不受污染。新型膨潤土防水毯同樣具有其他優(yōu)點，優(yōu)良的膨脹性和低滲透性，而且具有環(huán)境修復、環(huán)境凈化和環(huán)境替代等功能；厚度薄，大大減少了對尾礦庫空間的消耗。

4 結(jié)論

本文對新型膨潤土防水毯的研制做了簡單的概述，對其滲透性能和施工方法進行了試驗和研究，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防水防滲工程中的應用。新型膨潤土防水毯以其優(yōu)良的防水防滲功能、方便簡潔的施工方法以及廣泛的應用領(lǐng)域，將在各種防滲工程和防水卷材市場中具有廣泛的應用前景。

[1]周春生,柴建華,史海濱,等.水質(zhì)對膨潤土防水毯防滲效果影響研究[J].節(jié)水灌溉,2006(6):27-30.

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

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

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