1、ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报 (自然科学版 )J T singhua U niv (Sci 防渗卷材 ; 胶粘剂 ; 渗透性能 ; 力学性能中图分类号 : X 523 文献标识码 : A文 章 编 号 : 100020054 (2000) 1120102204随着人们对固体废物环境问题日益重视 , 对填埋场衬层材料可靠程度的要求越来越高。鉴于人造有机防渗材料铺设施工较复杂、费用高、易穿刺渗漏的缺点以及天然粘土衬层对选址地形和地质等的较高要求和粘土选料、施工等的工作难度 , 进一步开发研制一种技术可行、应用可靠、经济合理并易于制作、运输和施工的新型衬层材料显
2、得十分迫切。本文将膨润土和胶粘剂加以混合 , 结合国外较成型的粘结工艺 , 使之通过胶粘剂的粘结力成为薄型卷材 , 外用有机薄膜材料封装 , 制成防渗卷材以便于运输和施工。从研制的角度出发 , 对胶粘剂的确定、卷材的成型工艺及其渗透性能做了研究。1 实验部分1. 1 防渗卷材的结构设计目前 , 膨润土的结构设计主要有两种类型 1 , 见图 1。两种结构类型中的膨润土层一般为钠质膨润土或经钠化处理的钙质膨润土。类型 1 的覆盖层为无纺织物或为纺织物和编织物 , 由聚烯烃或聚酯制成。类型 2 可不设覆盖层 , 底层材料为高密度聚乙烯(HD PE)。由于 HD PE 膜价格及其运行操作费用较高 ,
3、类型 2 的卷材在我国较难推广 , 因此本实验采用类型 1 的卷材结构。用粘结法 2 和针刺法 3 可以将膨润土和有机材料结合起来。本文在用粘结法制备实验模块后适当采用针刺法将模块边缘缝合。图 1 膨润土结构设计的两种类型1. 2 实验选材本实验选用的膨润土材料是山东高阳县产的钙质膨润土和人工钠土。两种膨润土材料的化学组成和矿物组成见表 1 和表 2。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. 25 mm , 面积密度为 155 g m 2, 抗拉强度为 30. 5M Pa。用于卷材的胶粘剂一般为无毒的水基胶 , 对多孔性材料可形成有效的粘结 , 正
4、符合卷材中粘结膨润土颗粒的要求 4 。经过对 10 多种水基胶粘剂的筛选 , 选取聚丙烯酸酯类乳液作为实验材料。另外还选用北京泥浆公司的 PM 植物胶干粉配制了无固相地下含水层保护液。按照 1. 3 节中所述的方法将这 3 种胶粘剂(溶液 )与膨润土材料制成实验模块。1. 3 卷材粘结工艺参照美国 Gundle 公司生产的双层结构的膨润土防渗卷材 Gundseal 的工艺流程 , 设计制作了实验室中制备卷材模块的装置系统 , 主要由有机玻璃加料斗、化工喷枪 (带空气压缩机气源 )及手工辊组成。表 1 钙质膨润土 (A)和人工钠土 (B)的质量分数 (% )实验材料 Fe2O 3 SiO 2 M
5、 gO N a2O T iO 2 A l2O 3 CaO K2O P2O 5 烧失量A 2. 93 65. 44 1. 83 0. 50 0. 30 14. 98 2. 37 0. 81 0. 81 9. 74B 3. 83 57. 57 2. 76 4. 85 0. 20 14. 44 4. 42 2. 21 0. 64 9. 17表 2 钙质膨润土 (A)和人工钠土 (B)各种矿物的质量分数 (% )实验材料 蒙脱石 石英 菱镁矿 长石 高岭石 伊利石 方解石 黄铁矿A 59. 1 10. 5 4. 3 3. 9 16. 6 4. 8 1. 7 0. 4B 65. 7 9. 8 3. 1
6、2. 2 13. 1 2. 1 3. 5 0. 5在工作平台上先铺设一张尺寸约 30 cm 20 cm 的聚丙烯薄膜材料 (表面作糙化处理 ) , 先均匀喷一层胶 , 振动加料斗边壁使膨润土均匀落下 , 拖动薄膜使膨润土尽可能地铺设成一均匀薄层 , 再开启化工喷枪的喷头使胶粘剂均匀铺在膨润土颗粒的表面。然后重复上述过程 3 4 次 , 控制加胶比例为土壤的 3% 30% , 最后在加胶土壤层上方加一块同样尺寸的聚丙烯材料 , 用滚筒辊压数次 , 控制材料厚度在 1 cm 以内。在恒温恒湿养护箱内养护一天后 , 将模块放至 D GB 202002 型台式干燥箱 , 箱内温度稳定在 80 , 连续
7、烘烤 2 h, 除去多余水分 , 即完成模块制备过程。2 渗透性能实验结果及讨论在正常情况下 , 废物填埋场沥滤液均汇集在填埋场底部 , 然后渗入地下层 , 同时可能发生横向渗透。渗透过程主要遵循 D arcy 定律 ,Q = - KA (h1 - h 2) L , (1)式中 : Q 为单位时间内的渗流量 , K 为渗透系数 ,A 为过流断面积 , h1 和 h2 为进出水位差 , 即断面间水头损失 , L 为两断面间距离。本文渗透系数的测定采用公式 (1)。2. 1 不同密度的膨润土试样在相同水力坡度下的渗透系数实验装置见图 2。本实验涉及的密度是指膨润土的干密度 , 即土样在 105 1
8、10 烘干至恒重时的密度。实验中测得钙质膨润上 (土样 A )的含水率为10. 50% , 人工钠土 (土样 B ) 的含水率为 8. 90%。在一定时间间隔 $ t 内读取渗流液在塑料毛细管内长度变化量 $ l, 由公式 (1) 变化得到以下渗透系数 K的计算式 :K = $ l ad ($ tA hw ) , (2)式中 : a 为塑料毛细管内径面积 , d 为土样厚度 , A为土样截面积 , hw 为加压水头。1固结仪 ; 2毛细塑料管 ; 3高压水罐 ;4稳压阀 ; 5氮气瓶图 2 渗透实验的固结仪装置图 3 不同密度下用氮气瓶测得的两种膨润土的渗透系数值不同密度下用氮气瓶测得的两种膨
9、润土的渗透系 数见图 3。从图 3 可以看出 , 密度为 1. 02. 0 g cm 3 的 膨 润 土 卷 材 的 渗 透 系 数 均 小 于10- 9 cm s, 说明膨润土是非常理想的填埋场衬层材料 , 性能优于一般粘土。膨润土的渗透系数随密度的增大而迅速下降 , 土样 B 的渗透系数小于土样 A ,因而其渗透性能优于土样 A。不同压实密度的膨润土的主要差别在于其土壤颗粒间孔隙的大小。当密度大时 , 单位空间中的土壤颗粒及吸附水层所占的体积就大 , 渗流液体通道就窄。由于膨润土的高吸湿膨胀性和自封闭性 , 遇水时极度膨胀 , 密度越大 , 膨胀倍数越大 , 同样的渗流空间留给过流液的通道
10、就301刘阳生 , 等 : 新型膨润土防渗卷材的研制及其性能越窄 , 其渗流系数也就较低了。选用人工钠土作为后续实验的材料。在人工钠土中以不同比例 (5% , 15% , 25% ) 掺入聚丙烯酸酯类乳液或 PM 植物胶 , 不同密度情况下的渗透系数见图 4, 5。无论是加入聚丙烯酸酯类乳液还是 PM 植物胶 , 在掺加的比例一定时 , 随着密度的增大渗透系数下降 , 密度较低时尤为明显 ; 在相同密度下 , 随着掺加的比例增大渗透系数下降。图 4 人工钠土加入聚丙乳液后 (防渗卷材 )的渗透系数与密度的关系图 5 人工钠土加入 PM 植物胶后 (防渗卷材 )的渗透系数与密度的关系2. 2 不
11、同水力坡度下膨润土渗透系数的变化以人工钠土为实验材料 , 密度取 1. 2 g cm 3。不同水力坡度下人工钠土的渗透系数如图 6 所示。渗透系数与水力坡度呈线性关系 , 直线横坐标上的截距 i0= 642, 即为该膨润土的起始坡降。水力坡度必须大于 i0, 才可能产生渗流液。图 6 人工钠土的渗透系数与水力坡度的关系2. 3 膨润土及卷材试样在模拟浸出液作用下渗透性能的影响用高压土柱法测试了密度为 1. 2 g cm 3 的膨润土以及加入 15% 胶粘剂后的膨润土卷材试样在模拟填埋场浸出液作用下的渗透性能的变化情况。模拟浸出液为填埋场中较为常见的酸和碱 (0. 1 m o l L HC l,
12、 0. 1 m o l L N aOH 溶液 ) 以及已鉴别的 25种常见污染物之一的四氯化碳有机溶剂。所测得的渗流结果与渗流液为水的试样的测试结果相比较。土柱高均取 h= 1 cm , 压力差 hw = 0. 4M Pa, 时间间隔 $ t= 7 200 s。测试结果见表 3。土柱 1, 土柱 2, 土柱 3 和土柱 4 的过流面积分别为 7. 69 cm 2, 7. 74cm 2, 8. 60 cm 2和 8. 97 cm 2; 渗流液分别为水 , 0. 1m o l L HC l, 0. 1 m o l L N aOH 和 CC l4。表 3 高压土柱法测模拟浸出液作用下膨润土及卷材试样
13、的渗透系数 (pm s)土 样 土柱 1 土柱 2 土柱 3 土柱 4人工钠土 (预水化 ) 40. 0 40. 0 40. 0 43. 0加入 15% 聚丙烯酸酯类乳液 28. 0 28. 0 28. 0 29. 0加入 15% PM 植物胶 20. 0 20. 0 15. 0 20. 0由表 3 可知 , 胶粘剂的加入能降低膨润土的渗透性能 , 胶连结构的形成并没有使土壤组织因为被隔离而失去膨润土原有的特性。相反 , 胶粘剂分子进入土壤空隙空间 , 起到一定的阻水作用。经过预水化、充分养护的膨润土及其卷材试样与有机溶剂和无机酸、碱等多种沥滤液相遇时 , 其渗透性能无显著变化。膨润土及其卷材
14、试样与模拟浸出液间的化学配伍性较好 , 适于作为填埋场的衬层材料。2. 4 常水头下膨润土长期渗透柱实验结果采用长期渗透柱对密度 1. 2 g cm 3, 厚度 1 cm的膨润土防渗卷材进行了为期两个月的测试 , 测试水头为 90 cm , 水力坡度为 90。测试过程中未发现有渗流液发生。膨润土卷材的自愈合检测 , 采用表面皿检测及长期渗透柱测试两种方法。在表面皿膨润土层的裂缝或缺口处加注少量水以后 , 土壤材料立即膨胀 , 絮状土壤逐渐填充裂缝 , 在 2 h 内基本愈合。人为破损后的膨润土防渗卷材置于长期渗透柱底部 , 测试水头为 90 cm , 水力坡度为 90, 历时 20 d。实验刚
15、开始时有少量渗流液流出 , 第二天后直至实验结束 , 再未发现有渗流液产生。相邻卷材搭接部分防渗性能的测试。将重叠放置的两块卷材置于长期渗透柱底部 , 测试水头为401 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 2000, 40 (11)8. 8 kPa, 水力坡度为 90, 历时一个月 , 实验过程中未 发现有渗滤液产生。以上实验结果表明膨润土卷材具有良好的自封闭性 , 在材料受损的情况下也能够通过自封闭作用达到较好的“焊接”效果。3 水力性能实验结果及讨论在土壤的各种破坏理论中 , 比较适用的是M oh i2Cou lum b 理论。该理论可以近似表达为S= c + Rtg, (3
16、)式中 : S为剪切破裂面上的剪应力 , R为破裂面上的法向应力 , 为土的内摩擦角 , c 为土的粘聚力。 S2R曲线即为抗剪强度包线。采用直接剪切实验测定土壤的抗剪强度。取 4 个试样 , 分别在不同的垂直压力下 , 施加水平剪切力 , 测得破坏时的剪应力 S, 再依据式 (3) 确定抗剪强度参数 c 和 。 3 种土样 (人工钠土 , 加入 15% 聚丙烯酸酯类乳液的卷材试样及加入 15% PM 植物胶的卷材试样 ) 的直接剪切实验测定结果见图 7。图 7 3 种土样的抗剪强度曲线由图 7 中直线的斜率和截距得到各种土样的抗剪强度参数 c 和 , 见表 4。人工钠土的抗剪强度比一般粘性土
17、高 , 胶粘剂的加入使人工钠土的抗剪强度得到了较好的改善。掺加聚丙烯酸酯类乳液后粘聚力部分增量较大 , 而 PM 植物胶的加入使膨润土的内摩擦角增大较多。表 4 不同土样的抗剪强度参数 c 和 土样 c kPa ( )人工钠土 51. 8 34. 0加入 15% 聚丙烯酸酯类乳液的卷材 62. 1 35. 0加入 15% PM 植物胶的卷材 50. 4 38. 34 结 语对膨润土类型、外封装用有机材料及胶粘剂的确定、卷材的成型工艺及卷材的渗透性能和力学性能作了比较详细地研究。渗透实验结果表明 , 钠质膨润土的渗透性能优于钙质膨润土。人工钠土的渗透系数与水力坡度呈线性关系 , 水力坡度必须大于
18、起始值 i0, 才可能产生渗流液。膨润土及其胶粘剂卷材与模拟浸出液间的化学配伍性较好。力学实验结果表明 , 人工钠土的抗剪强度比一般粘性土高 , 加入胶粘剂制成防渗卷材后膨润土的整体力学性能得到较好的提高。本文开发的膨润土卷材适合于作为填埋场的衬层材料。参考文献 References1 M cGroarty M B , M cGroarty J P. W ater BarrierP. US Patent, 4693923. 1987209215.2 Stu re F. Geom em brane2clay compo site liners J.Geo tex tiles and Geom e
19、m b ranes, 1991, 10: 177186.3 C raw fo rd A L. M o isture Impervient Barrier andM ethod fo rM ak ing Sam e P. US Paten t, 4565468.198621221.4 王孟钟 , 黄应昌 . 胶粘剂应用手册 M . 北京 : 化学工业出版社 , 1993.W ang M engzhong, H uang Y ingchang. A dhensiveA pp lication M anual M . Beijing: Chem icalIndustry P ress, 1993.
20、(in Ch inese)Properties of a new syn theticben ton ite-wa terproof rollliner ma ter ialL IU Ya ngshe ng, BA IQ ingzhong,L IQ ia ng, N IE Yongfe ng(D epartm ent of Environm ental Science and Engineering,T singhua U niversity, Beijing 100084, Ch ina)Abstract: T he increasingly seriou s po llu tion cau
21、sed by so lidw astes requires safer liner m aterials fo r landfills. Th ispaper describes a reliable, easily handled and cheapw aterp roof ro ll liner w h ich u ses Ben tonite as the p ro tectivebarrier fo r con tainm en t of hazardou s w astes in landfills.T he p roperties of th is new synthetic li
22、ner w ere tested undervariou s conditions. The perm eab ility coefficient of N a+2Ben ton ite is less than that of Ca2+ 2Ben tonite. Suitab leadhesives can enhance the w aterp roof ability of N a+2Ben ton ite. N a+ 2Bentonite and the new liner p retreated byw ater and w ell m aintained have little c
23、hange in theirperm eability to such leachates as ino rganic acids bases ando rganic so lvents (e. g. , CC l4). T he new liner has a good“ sealing” p roperty even w hen dam aged. N a+ 2Benton ite andthe new liner also have good m echanical p ropertias, w ithshearing strength indices m uch better than fo r commonclay. Th is new Bentonite2w aterp roof ro ll liner is verysuitable fo r landfills.Key words: Bentonite; w aterp roof ro ll liner; adhesives;perm eab ility; m echanical perfo rm ance501刘阳生 , 等 : 新型膨润土防渗卷材的研制及其性能
