新型膨润土防水毯的研制及其应用
- 发布人：管理员
- 发布时间：2014-03-06
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作者：刘枫 邓宁娇
近年来，以膨润土为主要原料生产的膨润土防水毯已经成为一种重要的防水防渗材料。膨润土通常在与水接触24h后开始水化，膨胀4~5倍，48h后水化完成，变成原来颗粒体积的10~15倍甚至30倍的凝胶体。在限制空间内，防水毯中膨润土的膨胀从无序变为有序，持续的吸水膨胀结果使防水毯层自身变得密实，其体积增大，使其内部形成负压从而具有防水功能。其渗透率可减至10-9cm/s，几乎滴水不漏。
目前，膨润土防水毯主要利用天然矿物膨润土为主要原料，通过针刺纤维把膨润土层固定在两层土工布之间，土工布一般为聚丙烯织物，上层为非织造布，下层为机织物，主要起保护和加固作用。
目前，由于膨润土的防水性能必须在有淡水参与的情况下才能实现，当环境水的pH值和离子含量发生变化时，防水毯中的膨润土便与其中的离子发生反应，导致其膨胀系数和粘度大幅度降低，甚至失去膨胀性能，从而不能满足渗透液在复杂状况下的防渗要求。另外，膨润土防水毯在相互搭接上也存在一定的问题，目前通常采用水泥钉和垫片固定搭接，搭接处用膨润土料浆或膨润土粉磨进行封闭，但是固定搭接后也容易出现窜水等情况，导致膨润土防水毯不能满足和保障客户的需求。
1 新型膨润土防水毯的研制
1.1 结构
膨润土防水毯的结构按照生产工艺的不同，可通过针刺法和胶粘法将膨润土原料，最好是钠基膨润土或是经过钠化处理的钙基膨润土固定在两层编织布或无纺土工布之间。
新型膨润土防水毯的膨润土层较普通膨润土防水毯有明显的不同，不再使用膨润土颗粒，而是将膨润土粉末经过特殊处理制成致密薄片状材料。由于原料形态的不同，造就新型膨润土防水毯的结构也有所不同，将无纺布层、编织布层和薄片状膨润土产品通过压力将三者结合在一起，从而形成一种薄片状膨润土产品位于中间层，无纺布和编织布位于两面的“三明治”结构的新型膨润土防水毯产品(结构示意见图1)。
1.2 选材
膨润土的质量决定着新型膨润土防水毯的防水性能，相对于钙基膨润土，天然钠基膨润土在吸水率、膨胀倍数和阳离子交换容量等指标上都具有明显的优势。新型膨润土防水毯选用的膨润土是新疆某地的天然钠基膨润土。膨润土的化学组成详见下表。
膨润土防渗卷材外封装用有机材料，选用上海产的一种聚丙烯编织薄膜，其厚度为0.25mm，面积密度为155g/m2，抗拉强度为30.5MPa。
1.3 原料准备过程
从上表我们可以看出，新疆某地天然钠基膨润土中SiO2的含量很高，达到60%以上，另据实验室对膨润土各项指标的检测，得出其蒙脱石含量在40%左右，膨胀指数约为16mL/2g，显然不适合用于加工新型高端膨润土防水毯材料。在研究中，我们首先对新疆某地膨润土原料进行提纯，高纯度的天然钠基膨润土能明显提高膨润土防水毯的性能指标，如吸蓝量、膨胀指数、耐久性等。其工艺路线见图2。
根据图2，天然钠基膨润土原矿通过湿法提纯，其蒙脱石含量≥75%，膨胀指数≥30mL/2g，同时其滤失量也得到了进一步降低(≤16mL)。符合新型膨润土防水毯对原料性能指标的要求。
1.4 加工方法
新型膨润土防水毯的主体部分是致密薄片状防水材料，其性能的好坏直接关系到防水毯的防水性能的优劣。致密状防水材料以高纯天然钠基膨润土粉末(200目标准筛)为主要原料，添加多种化工原料和水，充分搅拌均匀后，给入反应釜中，在高温高压的条件下充分反应15min，然后将反应充分的物料通过输送带运输至真空捏合挤出机的进料口，在真空捏合20min后通过定形装置挤出具有一定柔韧性和粘性的宽幅为2m、厚度为4mm的致密层状防水材料，冷却后的产品通过输送带传送至全自动真空覆膜机进行覆膜，最终形成不同尺寸的产品。其工艺流程如图3。
在新型膨润土防水毯的研制过程中，我们进行了大量的试验，通过不断调整和改进生产工艺，确定了最佳的工艺配方及反应釜的最佳温度和压力，调整了挤出机挤出速率，使之与覆膜打卷机更加协调地工作，进一步提高了产品的质量和生产效率。
2 试验结果与讨论
2.1 相同水力坡度下不同密度膨润土的渗透系数
实际应用中膨润土、使用环境中的渗透液水质、温湿变化等都会影响防水毯的防渗效果。本部分主要探讨不同密度下致密膨润土薄片在相同水力坡度下对渗透系数的影响和对防水毯防渗效果及服务期稳定性的影响。
本试验中涉及到的密度指从真空捏合挤出机中挤出的致密膨润土薄片的实际密度。不同密度下致密膨润土薄片的渗透系数见图4，膨润土的渗透系数随密度的增大而迅速下降，不同致密度的膨润土的主要差别在于其单位面积上膨润土含量的多少。当密度大时，单位面积中的膨润土及吸附水层所占的体积就大，渗流液体通道就窄。新型膨润土防水毯致密膨润土薄片的密度为2.5～3.0g/cm3，含水量<25%，致密膨润土薄片单位面积质量为4.5～5.5kg/m2，渗透系数均<10-11cm/s。
2.2 新型膨润土防水毯在模拟浸出液下对比试验
用测试密度为3.4g/cm3的新型膨润土防水毯在不同环境下进行模拟试验，分别选择纯水、渗透液(较为常见的酸和碱以及较为常见的有机溶剂)、纯矿物油作为渗透介质进行试验。分别将测试用新型膨润土防水毯平铺，再将等量不同渗透液加入其中，并对渗透液施加压力差为0.4MP，保持12h。测试后分别对其渗透面积进行计算并得出结果。
根据试验结果，对三种渗透液在相同条件下进行测试的过流面积分别为6.54、6.92和7.14cm2。在不同渗透液环境下，新型膨润土防水毯的渗透性能无显著变化，适合用于常规领域和特种领域的防水防渗工程。
2.3 现场施工问题
与普通膨润土防水毯相比，新型膨润土防水毯施工工艺要简单得多，为了得到预期的防水效果，需要注意以下几个问题：①覆盖层问题，新型膨润土防水毯的防水机理决定其必须在一个密闭有限的空间里才能发挥最佳的防水防渗功能，所以必须在新型膨润土防水毯的顶部覆盖相当厚度的约束层;②立面防水问题，新型膨润土防水毯能有效的对厨卫和特殊领域立面进行有效的防水防渗，立面用水泥钉进行固定并覆盖约束层;由于其具备一定的柔韧性，在平面与立面之间直接弯曲压实即可;③搭接问题，新型膨润土防水毯的搭接较为简单，将两块撕去表面无纺材料的致密膨润土薄片相互重叠并压实，搭接处无需用膨润土粉末或密封胶进行密封;④刺破问题，由于膨润土层的致密性，所以单纯的刺破不会影响新型膨润土防水毯的防水功能的发挥。
3 新型膨润土防水毯在尾矿库防水防渗工程中应用
中国是世界上开发利用矿产资源历史最为悠久的国家之一。矿业在为我国的经济发展提供原料、创造价值的同时，也带来了一系列的生态问题。选矿过程中不可避免的产生大量尾矿，这些尾矿在当前的经济技术条件下已不适宜继续分选，但是随着科学技术的发展，有用的目标组分还可能有进一步回收利用的价值。
选矿过程中的尾矿多以泥浆形式外排，日积月累形成尾矿库。尾矿库占地面积大且极具安全隐患，尾矿中有毒有害物质及选矿药剂通过地表水渗透到地下，对周围环境、地下水造成极大的污染。研究表明，性能良好、稳定的尾矿库防渗材料能有效控制尾矿渗滤液的渗漏，防止其对土壤和地下水造成污染。现有的尾矿库的防渗工程多在库区铺设水平的防渗层，防渗材料一般采用HDPE专用复合土工膜。但是HDPE专用防水复合土工膜在尾矿库防渗工程中具有诸多缺点，例如易变形、易老化、易发脆、易应力开裂、表面硬度低、易刮伤等，不能严格保证有毒有害物质进入地下水层，对附近居民的生活健康造成影响，满足不了尾矿库的防渗要求，所以探索一种新型矿防渗材料刻不容缓。
相比常用的HDPE专用复合土工膜，新型膨润土防水毯完全克服了HDPE专用复合土工膜易老化、变形、开裂以及易刮伤等问题。由于其采用新的生产工艺，所以在渗透液复杂情况下依然能够起到较好的防水防渗功能，能够有效地起到尾矿库的防渗作用，保护地下水资源不受污染。新型膨润土防水毯同样具有其他优点，优良的膨胀性和低渗透性，而且具有环境修复、环境净化和环境替代等功能;厚度薄，大大减少了对尾矿库空间的消耗。
4 结论
本文对新型膨润土防水毯的研制做了简单的概述，对其渗透性能和施工方法进行了试验和研究，阐述了其在特种领域防水防渗的优良品质，并列举了其在尾矿库防水防渗工程中的应用。新型膨润土防水毯以其优良的防水防渗功能、方便简洁的施工方法以及广泛的应用领域，将在各种防渗工程和防水卷材市场中具有广泛的应用前景。
