廖 敏 管俊芳 鄭長文 李 銀 楊成亮 丁 定
(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院,湖北 武漢 430070;2.咸陽非金屬礦研究設計院有限公司,陜西 咸陽 712000)
預水化型膨潤土防水毯(Dense Pre-hydrated Geosynthetic Clay Liner,DPH-GCL)是將膨潤土和聚合物在特定條件下加水反應,并通過真空擠壓形成均勻致密的薄層狀柔性片層后,再將土工布或者其他覆層附在兩面制備而成。相比目前常見的3種干性粉末或顆粒狀膨潤土防水毯,膜效率更高,可實現(xiàn)即時防滲且材料搭接處理方便[1];同時,由于膨潤土預先水化膨脹,有效阻止了其他雜質離子進入層間而導致的防滲失效[2-3]。研究表明,DPH-GCL比傳統(tǒng)GCL更適用于海水、油類和垃圾滲透液等復雜環(huán)境的防水防滲[4-5],使用壽命也更長[6-8]。KOLSTAD等[9]和MAZZIERI等[10]分別從滲透系數(shù)K和膨脹特性的角度對DPH-GCL的滲透性進行了分析,但在微觀形貌和結構上未進行確切描述,也少有研究者選用生活中的雨水對DPH-GCL防滲性能進行探究。
本研究在3種不同工藝條件下制備DPH-GCL,分析改性及混煉工藝在雨水滲濾過程中對DPH-GCL防滲效果的影響;并借助多種測試手段分析不同制備工藝對DPH-GCL中膨潤土微觀結構的影響,為工業(yè)DPH-GCL的制備及選擇應用提供依據(jù)。
試驗用膨潤土購自新疆中非夏子街膨潤土有限公司,粒度小于0.074 mm,膨脹指數(shù)為5 mL/g,膨脹容為23 mL/g,膠質價為15 mL/g,吸藍量為0.28 mol/g;主要化學成分為:SiO261.368%、Al2O317.644%、Fe2O35.375%、MgO 2.551%、Na2O 2.217%、K2O 2.165%、SO30.962%、CaO 0.852%,燒失量為5.121%。試驗用天然雨水為武漢9月某天雨水,經(jīng)ICP測試,雨水中主要離子有Ca2+3.630 2 mg/L,S2-0.898 0 mg/L,Na+0.608 9 mg/L,Al3+0.232 3 mg/L,Mg2+0.221 1 mg/L。
將膨潤土在105 ℃的條件下烘干2 h后,置于NHZ-50型捏合機中進行預水化,加入去離子水(DIW)及藥劑攪拌、抽真空,制得改性膨潤土;改性膨潤土再經(jīng)X(S)K-160型開放式煉膠機進行混煉,使得藥劑與膨潤土混合更加均勻,最后利用制樣模具和XLB-500×500型平板硫化機制備不同覆膜時間和覆膜壓力的DPH-GCL。
測試儀器包括:自制直徑5.5 cm的滲濾柱;CX40P/SZN型光學顯微鏡,寧波舜宇光電信息有限公司;JSM-IT300掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社;D/MAX-RB型X射線衍射儀(Cu靶,λ=0.154 03 nm,v=6°/min,2θ=5°~65°,管電流30 mA,管電壓40 kV),日本RIGAKU公司;Magna-IR550型傅里葉變換紅外光譜儀(溴化鉀壓片法,掃描次數(shù)為32次,分辨率為4 cm-1;波長范圍為4 000~400 cm-1),美國熱電尼高力公司。
試驗首先用DIW和改性劑將膨潤土預先水化和改性,制備不同工藝的A、B、C 3種DPH-GCL,再進一步研究改性劑用量、覆膜時間、覆膜壓力對3種DPHGCL性能的影響,技術路線如圖1所示。
圖1 預水化膨潤土防水毯制備技術路線Fig.1 Technology roadmap of preparation for DPH-GCL
同時制備3種DPH-GCL,依次探究改性劑用量、覆膜時間和覆膜壓力對每種DPH-GCL的作用效果,并獲得3種DPH-GCL適宜的工藝條件;試驗時每個DPH-GCL樣品用200 mL天然雨水作為滲濾介質,滲漏時間為30 d,以起始滲漏時間和濾液總量評定DPH-GCL的防滲效果。
2.1.1 改性劑用量的影響
設置覆膜時間和覆膜壓力分別為1 min、1 MPa,選用3種改性劑組合制備防水毯B、C時,具體用量方案如表1所示,其中試劑Ⅰ為酰胺類聚合物單體,試劑Ⅱ、Ⅲ為引發(fā)劑。
表1 不同改性劑組合方案Table 1 Schemes of different modification agents combination
試驗中5種方案的B型毯、C型毯均未發(fā)生滲漏,考慮到制毯成本,改性劑適宜用量采用方案i:2 g酰胺聚合物單體,0.15 g引發(fā)劑Ⅱ和0.07 g引發(fā)劑Ⅲ。
2.1.2 覆膜時間的影響
改性劑用量采用方案i,覆膜壓力為1 MPa,制備不同覆膜時間的A、B、C 3種DPH-GCL防水毯,起始滲漏時間及濾液累計量如表2所示。
表2 不同覆膜時間下A、B、C 3種預水化膨潤土防水毯的滲漏情況Table 2 The leakage situation of the three kinds of DPH-GCL named A,B,and C under different covering time
由表2可知:① A型毯均發(fā)生滲漏,隨著覆膜時間的增加防滲效果越好。覆膜時間為1 min時,A型毯在第2天開始滲漏,覆膜時間為5 min時,A型毯從第22天開始滲漏,故A型毯適宜覆膜時間取5 min。② B型毯僅在覆膜時間為1 min時,在第4天發(fā)生滲漏,濾液累計量為10 mL,遠小于A型毯,整體防滲效果優(yōu)于A型毯,這得益于改性作用,但為了使B型毯有效防滲,取較長的覆膜時間5 min為適宜條件。③ 覆膜時間為5 min時,C型毯濾液累計量為8 mL,而覆膜時間為1~3 min時均未發(fā)生滲漏,說明混煉后,所需覆膜時間減少,覆膜時間增加反而不利于防滲,故取覆膜時間1 min為適宜條件。
2.1.3 覆膜壓力的影響
改性劑用量采用方案i,設定A、B型毯覆膜5 min,C型毯覆膜1 min,制備不同覆膜壓力的A、B、C 3種DPH-GCL防水毯,起始滲漏時間及濾液累計量如表3所示。
表3 不同覆膜壓力下A、B、C 3種預水化膨潤土防水毯的滲漏情況Table 3 The leakage situation of the three kinds of DPH-GCL named A,B,and C under different covering pressure
由表3可知:① A型毯在5種壓力條件下均發(fā)生滲漏,隨著覆膜壓力的增加起始滲漏時間越晚,濾液累計量越少,覆膜壓力為1 MPa時從第1天開始滲漏,覆膜壓力為5 MPa時從第20天開始滲漏,故A型毯適宜覆膜壓力為5 MPa。② B、C型毯均在3~5 MPa條件下發(fā)生滲漏,覆膜壓力為5 MPa時B型毯從第1天開始滲漏,覆膜壓力為3 MPa時從第5天開始滲漏;覆膜壓力為5 MPa時C型毯從第3天開始滲漏,覆膜壓力為3 MPa時從第15天開始滲漏,較低的覆膜壓力防滲效果更好,且C型毯的整體濾液累計量比B型毯少,說明改性和混煉后,所需覆膜壓力減小,故B型毯、C型毯適宜的覆膜壓力均為1 MPa。
根據(jù)條件試驗再次制備適宜工藝參數(shù)下的A、B、C 3種DPH-GCL,進行30 d內濾液累計情況統(tǒng)計,并對比條件試驗的統(tǒng)計結果,具體見圖2。
圖2 2組適宜條件下DPH-GCL的濾液累計情況Fig.2 Filtrate accumulations of DPH-GCL in two groups under suitable conditions
由圖2可知:條件試驗中的A型毯在第20天發(fā)生滲漏,在第29天后停止?jié)B漏,濾液累計量為1.5 mL,驗證試驗中A型毯在第2天發(fā)生滲漏,在第4天后停止?jié)B漏,濾液累計量11.5 mL。2組A型毯均發(fā)生滲漏,滲漏情況略有差異,但一段時間后均不再滲漏,認為是膨潤土膨脹指數(shù)偏低,自由膨脹體積只有5 mL/g,前期顆粒膨脹程度低,且A型毯工藝簡單,在未加入改性劑和未混煉的條件下,預水化的膨潤土結構較為松散,顆粒間密實性差,所以易發(fā)生滲漏。A型毯的滲漏情況符合劉毅[11]提出的雙峰型水化膨脹結構模型(膨脹—塌落—最大膨脹)。B型毯、C型毯在試驗設定范圍內均未發(fā)生滲漏,可知B型毯、C型毯防滲效果優(yōu)于A型毯,認為改性和混煉增強了膨潤土的性能。
對比3種DPH-GCL,根據(jù)條件試驗中B型毯、C型毯總體滲漏情況可以看出,改性后DPH-GCL滲漏液減少,甚至不漏,認為改性是DPH-GCL防滲性能增強的最主要的原因,而所有條件的B型毯、C型毯濾液滲漏總量分別為24.5 mL和13 mL,C型毯防滲效果優(yōu)于B型毯,所以認為混煉也能優(yōu)化防滲性能。為了探究改性和混煉對DPH-GCL微觀結構的影響,對適宜條件下制備的A、B、C 3種DPH-GCL進行了光學顯微鏡、SEM、FTIR和XRD表征。
2.3.1 預水化膨潤土防水毯的顯微形貌
2.3.1.1 膨潤土原礦及改性膨潤土SEM分析
圖3為膨潤土原礦及改性膨潤土的SEM分析結果。
由圖3可知,膨潤土原礦顆粒表面較光滑,孔隙結構較致密;改性后,藥劑插層到膨潤土層間或吸附在其表面,顆粒表面“片層”打開,但形貌基本不變[12]。
圖3 膨潤土原礦及改性膨潤土的SEM圖Fig.3 SEM images of bentonite and modification bentonite
2.3.1.2 滲濾前后DPH-GCL微觀形貌分析
圖4、圖5分別為3種DPH-GCL雨水滲濾試驗前、后的顯微鏡照片及滲濾試驗后的OM斷面照片。
圖4 3種預水化膨潤土防水毯滲濾前后SEM圖Fig.4 SEM images of the three kinds of DPH-GCL before and after filtration
圖5 3種預水化膨潤土防水毯滲濾試驗后的OM斷面Fig.5 OM fracture surface of the three kinds of DPH-GCL after filtration tests
由圖4可知:① 滲濾試驗前,A型毯膨潤土層狀 之間處于分層堆疊的狀態(tài),存在較多較大的裂隙(孔隙);B型毯、C型毯膨潤土的堆疊更緊密,大部分膨潤土片狀集合體連結在一起,孔隙減少,其中C型毯膨潤土經(jīng)過混煉,一定的壓力使膨潤土形成的防水層更致密,表面平坦光滑,集合體呈連續(xù)性狀態(tài)連結在一起,連接性更好。② 滲濾試驗后,雨水對A型毯、B型毯膨潤土的破壞性更強,而C型毯膨潤土保留稍完整。以上結果表明:改性工藝和混煉工藝都會影響膨潤土的連接狀態(tài),改性是DPH-GCL防滲效果增強的主要原因,改性—混煉復合工藝制備的DPH-GCL防滲效果最好。
由圖5可知,A型毯斷面結構粗糙松散,有明顯的礦物顆粒,B型毯、C型毯膨潤土經(jīng)過改性,斷面相對光滑,結構較密實,其中C型毯斷面光滑及密實程度更高,更細膩。
2.3.2 FTIR分析
圖6為膨潤土原礦、改性膨潤土及3種DPHGCL滲濾試驗后的FTIR分析結果。
圖6 膨潤土原礦、改性膨潤土及3種DPH-GCL滲濾試驗后的FTIR分析結果Fig.6 FTIR analysis results of bentonite,modification bentonite and the three kinds of DPH-GCL after filtration test
由圖6可知,圖譜特征峰整體沒有太大變化,說明試驗后膨潤土官能團沒有明顯改變,對膨潤土層狀結構沒有影響。φ位置附近的峰均與蒙脫石的Si—O—M(M為金屬陽離子)和M—O的耦合振動有關[13],改性前后變化不大。改性后,在δ位置附近出現(xiàn)C=O對稱伸縮振動峰和C—H不對稱伸縮振動峰[14];在ε位置出現(xiàn)了有機聚合物—CH3的不對稱振動峰;在位置吸收峰波數(shù)向高頻移動,這可能是改性劑中酰胺基的伸縮振動峰[15]與水分子的H—O—H彎曲振動峰的共同作用,說明膨潤土改性引入了有機聚合物。在ε位置B型毯特征波數(shù)紅移,說明有機物遭到破壞,而C型毯得益于混煉工藝,有機物保留較完好,更能發(fā)揮改性作用。此外,在α位置,代表蒙脫石層間水分子的H—O—H伸縮振動峰特征波數(shù)藍移,是膨潤土層間吸附水分子的表現(xiàn),C型毯比B型毯移動波數(shù)小,說明混煉工藝有利于C型毯結構穩(wěn)定,這與顯微形貌分析結果一致。
2.3.3 XRD分析
圖7為膨潤土原礦、改性膨潤土及3種DPHGCL滲濾試驗后的XRD分析結果。
圖7 膨潤土原礦、改性膨潤土及3種DPH-GCL滲濾試驗后的FTIR分析結果Fig.7 XRD analysis results of bentonite,modification bentonite and the three kinds of DPH-GCL after filtration test
由圖7可知,該膨潤土中蒙脫石d001=1.47674 nm,為鈣基膨潤土。改性后有機物進入了蒙脫石層間,特征峰d001值增大到1.565 59 nm。雨水中Na+、Mg2+、Ca2+離子半徑分別約為0.103 nm、0.114 nm、0.130 nm,單層水分子厚度約為0.28 nm[16]。A型毯特征峰d001值增大了0.119 65 nm,說明有水分子進入蒙脫石層間,主衍射峰寬化,這可能是雨水中介質對蒙脫石晶體產(chǎn)生影響,導致膨潤土防水性能減弱,所以A型毯易發(fā)生滲漏。B型毯中蒙脫石d001=1.582 52 nm,僅增大了0.016 93 nm,這是因為有機改性后,有機物部分進入蒙脫石的層間,引入的有機物具有疏水性[17],這與郭爭爭[18]的研究相符,這種物質對膨潤土顆粒進行包裹,能有效“隔離”溶液。結合FTIR分析可知,有機物易被破壞,因此水分子或其他離子僅部分進入蒙脫石層間。C型毯中蒙脫石d001=1.738 07 nm,增大了0.172 48 nm,且峰更敏銳,晶體顆粒更大,說明經(jīng)改性—混煉后蒙脫石水化能力增強,有機物被破壞后,不僅是水分子,其他離子也進入了蒙脫石層間,進一步增大了層間距,因此可以看到OM圖像中C型毯斷面明顯更加平滑和致密。
(1)根據(jù)條件試驗結果,改性劑用量采用2 g酰胺類聚合物單體Ⅰ、0.15 g引發(fā)劑Ⅱ和0.07 g引發(fā)劑Ⅲ。3種DPH-GCL的適宜覆膜時間和壓力分別為:A型毯5 min、5 MPa,B型毯5 min、1 MPa,C型毯1 min、1 MPa。對比試驗中3種DPH-GCL的防滲效果,A型毯較差,B型毯稍次,C型毯最好。
(2)改性和混煉使膨潤土之間更密實,防滲效果更好。微觀分析結果表明,改性和混煉工藝都會影響膨潤土的連接狀態(tài),通過改性引入疏水有機物,在DPH-GCL防滲前期,對預水化膨潤土有保護作用,通過混煉增強膨潤土的水化能力,更多地吸附溶液中水分子及其他離子,使膨潤土更大程度膨脹,增強防滲性能,因此改性混煉復合工藝更能有效防滲。