CN109650830A

CN109650830A - 复合凝胶防渗材料和复合防渗层

Info

Publication number: CN109650830A
Application number: CN201811457473.9A
Authority: CN
Inventors: 丁茂; 申俊峰; 曹福生; 闫鹏程; 蔡超
Original assignee: Inner Mongolia Meiya Forest Ecology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Inner Mongolia Meiya Linke Ecological Construction Group Co.,Ltd.
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-04-19
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: CN109650830B

Abstract

本发明提供了一种复合凝胶防渗材料，由凝胶材料A和凝胶材料B组成；其中：凝胶材料A按重量份数计包括如下组分：粉煤灰70‑95份，石灰5‑15份，脱硫石膏1‑5份，和选自高炉水渣4‑30份、钢渣4‑30份、选矿尾砂4‑30份或1‑3mm粒级的石粉15‑30份中的一种；凝胶材料B按重量份数计包括如下组分：粉煤灰70‑95份，石灰5‑15份，脱硫石膏1‑5份和岩棉或工业石棉1‑10份。本发明还提供了一种复合防渗层，包括依次铺设的底层、中间层和面层；其中，底层和面层分别采用凝胶材料A制成，中间层采用凝胶材料B制成。

Description

复合凝胶防渗材料和复合防渗层

技术领域

本发明属于工程建筑领域，具体的，本发明涉及复合凝胶防渗材料和复合防渗层。

背景技术

目前用于水库/河道，特别是固废填埋场衬底的防渗材料主要是土工布，粘土，膨润土，沥青，混凝土，工业塑料等，它们适用于不同防水条件。通常铺设于防渗场地要求的底衬，通过按照一定的技术标准，采取一定的施工工艺 (如平整基底，铺设垫层，拼合或焊接，击实，碾压，混合，养护等)形成连续的阻隔水等液体隔水层，防止水等液体穿越渗透，达到防渗目的。

随着工业化生产建设的飞速发展，产生了大量工业固体废弃物如热电厂排放的粉煤灰和脱硫石膏，冶金工业排放的各种废渣(包括高炉渣和钢渣，以及高温炉衬岩棉等)以及金属矿选矿尾矿砂等工业固体废弃物。这些工业固废除了占用大量土地，对环境产生较大危害，如造成粉尘污染，淋滤渗透可能污染地下水和地表水体。因此，充分利用这些工业固废，变废为宝，实现其再利用价值，减小其环境危害，是当务之急，大势所趋。

基于工业固废再利用和环境效益的考虑，将工业固废用于水库或河道，特别是固废填埋场衬底的防渗材料是一举两得的技术，具有广阔前途和应用前景。具有环境和材料再利用双重效益。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的缺陷，提供了一种以工业固废为原料的复合凝胶防渗材料以及采用该复合凝胶防渗材料铺设成的复合防渗层。

一方面，本发明提供了一种复合凝胶防渗材料，由凝胶材料A和凝胶材料B组成；其中：凝胶材料A按重量份数计包括如下组分：粉煤灰70-95份，石灰5-15份，脱硫石膏1-5份，和选自高炉水渣4-30份、钢渣4-30份、选矿尾砂4-30份或1-3mm粒级的石粉15-30份中的一种；凝胶材料B按重量份数计包括如下组分：粉煤灰70-95份，石灰5-15份，脱硫石膏1-5份和岩棉或工业石棉1-10份。

另一方面，本发明提供了一种复合防渗层，采用上述的复合凝胶防渗材料制成，该复合防渗层包括依次铺设的底层、中间层和面层；其中，底层和面层分别采用凝胶材料A制成，中间层采用凝胶材料B制成。

本发明的技术方案具有如下有益效果：

本发明以工业固废为原料制备复合凝胶防渗材料，并应用该复合凝胶防渗材料铺设复合防渗层，从而能够有效充分大参量利用工业固体废弃物，实现工业固废再次利用，同时极大减缓环境危害。本发明可以大量处置粉煤灰、冶金炉渣、脱离石膏、高温炉衬岩棉和选矿尾砂等工业固废，可以用作水库或河道、特别是固废填埋场的防渗衬底。同时解决了防渗材料要求和工业固废带来的环境污染问题。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。除非另有说明，否则本发明中涉及的技术术语都具有本领域通常理解的含义。

针对目前我国存在的粉煤灰、脱硫石膏、冶金高炉渣钢渣、高温炉衬废料岩棉、选矿尾矿等工业固废已经大大超出环境容量的问题，本发明的发明人提出了以工业固废为原料生产复合凝胶防渗材料，从而充分实现了工业固废再利用并且降低环境危害。

第一方面，本发明提供了一种复合凝胶防渗材料。该复合凝胶防渗材料由凝胶材料A和凝胶材料B组成；其中：

凝胶材料A按重量份数计包括如下组分：粉煤灰70-95份，石灰5-15份，脱硫石膏1-5份，和选自高炉水渣4-30份、钢渣4-30份、选矿尾砂4-30份或 1-3mm粒级的石粉15-30份中的一种；

凝胶材料B按重量份数计包括如下组分：粉煤灰70-95份，石灰5-15份，脱硫石膏1-5份和岩棉或工业石棉1-10份。

在一种优选的实施方案中，凝胶材料A按重量份数计包括如下组分：

粉煤灰70-80份，石灰5-8份，脱硫石膏2-5份，和高炉水渣15-20份；

或者，粉煤灰70-80份，石灰5-8份，脱硫石膏2-5份，和钢渣15-20份；

或者，粉煤灰80-90份，石灰5-8份，脱硫石膏1-2份，和选矿尾砂4-14 份；

或者，粉煤灰75-85份，石灰8-10份，脱硫石膏2-5份，和1-3mm粒级的石粉15-20份。

在另一种优选的实施方案中，凝胶材料B按重量份数计包括如下组分：粉煤灰80-95份，石灰10-15份，脱硫石膏2-5份和岩棉或工业石棉5-10份。

粉煤灰是指是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物，其主要化学组成为：SiO₂、Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃、CaO、TiO₂等；主要矿物相为玻璃相。在本发明中，未遭受水或潮湿因素影响的干燥粉煤灰均可用于本发明。

石灰是一种以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。在本发明中，未遭受水或潮湿因素影响的干燥石灰均可用于本发明。

脱硫石膏又称排烟脱硫石膏、硫石膏或FGD石膏，主要成分和天然石膏一样，为二水硫酸钙CaSO₄·2H₂O，含量≥93％。

高炉水渣是在高炉炼铁过程中，由矿石中的脉石、燃料中的灰分和溶剂(一般是石灰石)中的非挥发组分形成的固体废物，主要含有钙、硅、铝、镁、铁的氧化物和少量硫化物，主要矿物相也是玻璃相。

钢渣是炼钢过程中的一种副产品，它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。钢渣的成分例如包括金属铁2％-8％，氧化钙40％-60％，氧化镁3％-10％，氧化锰1％-8％，大量矿物相也是玻璃相。

选矿尾砂是指选矿厂在特定的经济技术条件下，将矿石磨细，选取有用成分后排放的废弃物。

岩棉是指高温炉衬废弃的岩棉。对于本发明的复合凝胶防渗材料而言，岩棉是不可或缺的材料，是确保防渗材料具有抗沉降变形、防止冻胀开裂、抗冻融的关键材料。

本发明的复合凝胶防渗材料在使用时，采用水调混，pH大于10，并随着时间开始胶凝固化，24小时至48小时即可固化获得一定强度。具体地，先将凝胶材料A的各组分混合均匀得到的混合物A，然后按照液固比是10:1至0.4:1 使用水将混合物A调混；类似地，先将凝胶材料B的各组分混合均匀得到的混合物B，然后按照液固比是10:1至0.4:1使用水将混合物B调混。

根据使用目的和使用环境，对用水量进行调整。当施工条件需要采用浆料铺设时，液固比控制在10:1至1:1之间；当施工条件需要采用半干料铺设时，液固比控制在1:1至0.4:1之间，并采用碾压、击实等措施，确保材料颗粒彼此间能够充分接触。

第二方面，本发明提供了一种复合防渗层，采用上述的复合凝胶防渗材料制成，该复合防渗层包括依次铺设的底层、中间层和面层；其中，底层和面层分别采用凝胶材料A制成，中间层采用凝胶材料B制成。

底层与面层的厚度可以相同或不同，二者的厚度范围分别是10-50厘米；中间层的厚度范围是20-50厘米；并且，中间层的厚度不大于底层的厚度。

第三方面，本发明提供了一种复合防渗层的铺设方法，包括如下步骤：

在目标场地铺设凝胶材料A形成底层，对底层进行第一次潮湿养护；

在底层上铺设凝胶材料B形成中间层，对中间层进行第二次潮湿养护；

在中间层上铺设凝胶材料A形成面层；

进行整体养护。

优选地，第一次潮湿养护是使底层的湿度在30％-60％保持45-50小时(优选48小时)。

优选地，第二次潮湿养护是使中间层的湿度在30％-60％保持48小时至7 天。

优选地，整体养护是使复合防渗层的湿度保持在30％-60％直至所述复合防渗层的抗压强度>＝20MPa。

优选地，在铺设复合防渗层之前先准备凝胶材料A和凝胶材料B。

在一种优选的实施方案中，本发明的复合防渗层的铺设方法，包括如下步骤：

步骤1：按照本发明第一方面中提供的凝胶材料A和凝胶材料B的配比通过人工或者机械化称重来分别称取原料，并输送到料仓。

步骤2：分别混合原料得到混合物A和混合物B，并按照液固比为10:1 至1:1分别加水混合为浆状料态，得到凝胶材料A和凝胶材料B。

步骤3：按照底层厚度为10-50cm在目标场地铺设凝胶材料A形成底层，随后对底层进行第一次潮湿养护45-50小时(优选48小时)，也就是无浮水养护，即保持底层材料湿度在30％-60％，保持45-50小时，不可有多余水浸泡材料。

步骤4：按照中间层的厚度为20-50cm在底层上铺设凝胶材料B形成中间层，随后对中间层进行第二次潮湿养护48小时至7天，也就是无浮水养护，即保持中间层材料湿度在30％-60％，保持48小时至7天，不可有多余水浸泡材料。在本步骤中，中间层的厚度不可大于底层的厚度，中间层的潮湿养护时间可以比底层的潮湿养护时间稍长。

步骤5：按照面层厚度为10-50cm在中间层上铺设凝胶材料A形成面层。

步骤6：对底层、中间层和面层进行整体潮湿养护直到28天后，也就是无浮水养护，即保持各层材料湿度在30％-60％，保持直到28天后，不可有多余水浸泡材料。

本发明的发明人通过研究，对复合防渗层不同层的材料、厚度和铺设方法进行了创造性的设计，从而使不同层能够实现不同功能，并且各层在组合之后能够实现协同效果，具体如下：

在本发明的复合防渗层中，底层和面层分别采用了上述凝胶材料A，由于凝胶材料A各种特定组分之间的相互作用，从而使底层和面层在复合防渗层中发挥了如下作用：增加抗压强度、减小孔隙度以增加抗渗性、强力固化胶凝材料防止出溶碱性物质影响水体酸碱度。

在本发明的复合防渗层中，中间层采用了上述凝胶材料B，由于凝胶材料 B各种特定组分之间的相互作用，从而使中间层在复合防渗层中发挥了如下作用：增加抗折强度、抗拉强度、抗剪切强度。

在本发明的复合防渗层中，底层、中间层和面层按照上述厚度进行复合，从而具有协同增加力学强度，消除应力集中，降低应力作用导致材料受损情况发生几率的作用。

在本发明的复合防渗层的铺设方法中，通过严格执行上述第一次潮湿养护、第二次潮湿养护和整体潮湿养护，从而能够整体获得足够养护强度。

综上，本发明通过对复合防渗层不同层的材料、厚度和铺设方法进行了创造性的设计，最终实现了复合防渗层既具有有益的防渗性能，又可以满足力学性能要求，同时耐水浸泡及酸碱腐蚀。通过测试，本发明的复合防渗层的抗压强度>＝20MPa，渗透系数小于10^-7cm/s，可以有效防止水等液体穿越渗透，并且被水长期浸泡后不会导致水体pH值高于8。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例中采用的各原料的来源如下：

原料	来源
		粉煤灰	内蒙古包头第二发电厂
石灰	土默特右旗沟门镇东湾海生白灰厂
		脱硫石膏	内蒙古包头第二发电厂
高炉水渣	内蒙古自治区包头钢铁集团公司炼铁厂水渣库
		钢渣	内蒙古自治区包头钢铁集团公司炼钢钢渣堆
选矿尾砂	内蒙古自治区包头钢铁集团公司选厂尾矿库
		石粉	内蒙古自治区包头笸箩铺村后山青石粉
岩棉	内蒙古自治区包头钢铁集团公司耐火材料厂
		工业石棉	内蒙古自治区包头钢铁集团公司耐火材料厂

实施例中采用的测试方法如下：

抗压强度：采用MHY-14989型100T压力机完成测试。

渗透系数：采用HP-4.0型自动调压混凝土抗渗仪完成。

水体pH值：对复合防渗层注水并每24小时更换注水一次，每次注水前后都记录水pH值和水量，重复7天，然后换水间隔时间从24小时变为1周，测水的pH值1次，并记录。

实施例1

本实施例中，凝胶材料A的组成是：粉煤灰80千克，石灰5千克，脱硫石膏2千克，和高炉水渣15千克；凝胶材料B的组成是：粉煤灰95千克，石灰10千克，脱硫石膏2千克和岩棉5千克。

本实施例中，复合防渗层采用如下方法铺设：

步骤1：称取粉煤灰80千克、石灰5千克、脱硫石膏2千克、高炉水渣 15千克，以及粉煤灰95千克、石灰10千克、脱硫石膏2千克、岩棉5千克，输送到料仓。

步骤2：将粉煤灰80千克、石灰5千克、脱硫石膏2千克、高炉水渣15 千克混合均匀得到混合物A，将粉煤灰95千克、石灰10千克、脱硫石膏2 千克、岩棉5千克混合均匀得到混合物B；按照液固比为8:1向混合物A中加水调混得到凝胶材料A，按照液固比为8:1向混合物B中加水调混得到凝胶材料B。

步骤3：按照底层厚度为20cm在目标场地铺设凝胶材料A形成底层，随后对底层进行第一次潮湿养护48小时，即保持底层材料湿度在大约60％，保持48小时，不可有多余水浸泡材料。

步骤4：按照中间层的厚度为30cm在底层上铺设凝胶材料B形成中间层，随后对中间层进行第二次潮湿养护3天，即保持中间层材料湿度在大约60％，保持3天，不可有多余水浸泡材料。

步骤5：按照面层厚度为20cm在中间层上铺设凝胶材料A形成面层。

步骤6：对底层、中间层和面层进行整体潮湿养护直到28天，即保持各层材料湿度在大约60％，进行养护直到28天后可正式投入使用。

实施例2

本实施例中，凝胶材料A的组成是：粉煤灰70千克，石灰8千克，脱硫石膏2千克，和钢渣20千克；凝胶材料B的组成是：粉煤灰80千克，石灰 15千克，脱硫石膏2千克和工业石棉5千克。

本实施例中，复合防渗层采用如下方法铺设：

步骤1：称取粉煤灰70千克，石灰8千克，脱硫石膏2千克，和钢渣20 千克，以及粉煤灰80千克，石灰15千克，脱硫石膏2千克和工业石棉5千克，输送到料仓。

步骤2：将粉煤灰70千克，石灰8千克，脱硫石膏2千克，和钢渣20千克混合均匀得到混合物A，将粉煤灰80千克，石灰15千克，脱硫石膏2千克和工业石棉5千克混合均匀得到混合物B；按照液固比为1:1向混合物A中加水调混得到凝胶材料A，按照液固比为1.5:1向混合物B中加水调混得到凝胶材料B。

步骤3：按照底层厚度为15cm在目标场地铺设凝胶材料A形成底层，随后对底层进行第一次潮湿养护50小时，即保持底层材料湿度在大约30％，保持50小时，不可有多余水浸泡材料。

步骤4：按照中间层的厚度为30cm在底层上铺设凝胶材料B形成中间层，随后对中间层进行第二次潮湿养护5天，即保持中间层材料湿度在大约40％，保持5天，不可有多余水浸泡材料。

步骤6：对底层、中间层和面层进行整体潮湿养护直到28天，即保持各层材料湿度在大约40％，进行养护直到28天后可正式投入使用。

实施例3

本实施例中，凝胶材料A的组成是：粉煤灰72千克，石灰6千克，脱硫石膏3千克，和高炉水渣17千克；凝胶材料B的组成是：粉煤灰85千克，石灰11千克，脱硫石膏3千克和岩棉7千克。

本实施例中，复合防渗层采用如下方法铺设：

步骤1：称取粉煤灰72千克，石灰6千克，脱硫石膏3千克，和高炉水渣17千克，以及粉煤灰85千克，石灰11千克，脱硫石膏3千克和岩棉7千克，输送到料仓。

步骤2：将粉煤灰72千克，石灰6千克，脱硫石膏3千克，和高炉水渣 17千克混合均匀得到混合物A，将粉煤灰85千克，石灰11千克，脱硫石膏3 千克和岩棉7千克混合均匀得到混合物B；按照液固比为0.4:1向混合物A中加水调混得到凝胶材料A，按照液固比为0.4:1向混合物B中加水调混得到凝胶材料B。

步骤3：按照底层厚度为30cm在目标场地铺设凝胶材料A形成底层并碾压实，随后对底层进行第一次潮湿养护46小时，即保持底层材料湿度在大约 30％，保持46小时，不可有多余水浸泡材料。

步骤4：按照中间层的厚度为50cm在底层上铺设凝胶材料B形成中间层并碾压实，随后对中间层进行第二次潮湿养护48小时，即保持中间层材料湿度在大约30％，保持48小时，不可有多余水浸泡材料。

步骤5：按照面层厚度为35cm在中间层上铺设凝胶材料A形成面层。

步骤6：对底层、中间层和面层进行整体潮湿养护直到28天，即保持各层材料湿度在大约30％，进行养护直到28天后可正式投入使用。

实施例4至实施例7

实施例4至实施例7中采用的凝胶材料A和凝胶材料B的组成如表1所示。

实施例4至实施例7中采用的铺设方法与实施例1相同，区别仅在于按照表1对凝胶材料A和凝胶材料B的组分进行调整。

表1单位：千克

对实施例1至实施例7的复合防渗层的抗压强度、渗透系数、被水浸泡 14天后水体的pH进行测试，结果如表2所示

表2

	抗压强度(MPa)	渗透系数(cm/s)	水体pH值
				实施例1	24.0	1.90×10<sup>-8</sup>	7.10
实施例2	27.5	1.67×10<sup>-8</sup>	7.30
				实施例3	21.5	1.53×10<sup>-8</sup>	7.56
实施例4	22.0	1.29×10<sup>-8</sup>	7.78
				实施例5	24.0	1.49×10<sup>-8</sup>	7.66
实施例6	28.0	1.96×10<sup>-8</sup>	7.84
				实施例7	23.5	1.23×10<sup>-8</sup>	7.29

从表2的数据可以看出，采用本发明的技术方案最终得到的复合防渗层的抗压强度>＝20MPa，渗透系数小于10^-7cm/s，可以有效防止水等液体穿越渗透，并且被水长期浸泡后不会导致水体pH值高于8。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种复合凝胶防渗材料，其特征在于，所述复合凝胶防渗材料由凝胶材料A和凝胶材料B组成；其中：

所述凝胶材料A按重量份数计包括如下组分：粉煤灰70-95份，石灰5-15份，脱硫石膏1-5份，和选自高炉水渣4-30份、钢渣4-30份、选矿尾砂4-30份或1-3mm粒级的石粉15-30份中的一种；

所述凝胶材料B按重量份数计包括如下组分：粉煤灰70-95份，石灰5-15份，脱硫石膏1-5份和岩棉或工业石棉1-10份。

2.根据权利要求1所述的复合凝胶防渗材料，其特征在于，所述凝胶材料A按重量份数计包括如下组分：

或者，粉煤灰80-90份，石灰5-8份，脱硫石膏1-2份，和选矿尾砂4-14份；或者，粉煤灰75-85份，石灰8-10份，脱硫石膏2-5份，和1-3mm粒级的石粉15-20份。

3.根据权利要求1所述的复合凝胶防渗材料，其特征在于，所述凝胶材料B按重量份数计包括如下组分：粉煤灰80-95份，石灰10-15份，脱硫石膏2-5份和岩棉或工业石棉5-10份。

4.根据权利要求1至3任一项所述复合凝胶防渗材料，其特征在于，所述复合凝胶防渗材料采用水调混后使用；

其中，按照液固比是10:1至0.4:1使用水将所述凝胶材料A的各组分混合得到的混合物A调混；按照液固比是10:1至0.4:1使用水将所述凝胶材料B的各组分混合得到的混合物B调混。

5.一种复合防渗层，采用权利要求1-4任一项所述的复合凝胶防渗材料制成，其特征在于，所述复合防渗层包括依次铺设的底层、中间层和面层；其中，所述底层和所述面层分别采用凝胶材料A制成，所述中间层采用凝胶材料B制成。

6.根据权利要求5所述的复合防渗层，其特征在于，所述底层与所述面层的厚度范围分别是10-50厘米；所述中间层的厚度范围是20-50厘米；并且，所述中间层的厚度不大于所述底层的厚度。

7.根据权利要求5所述的复合防渗层，其特征在于，所述复合防渗层的渗透系数小于10^-7cm/s。

8.根据权利要求5所述的复合防渗层，其特征在于，所述复合防渗层的抗压强度>＝20MPa。

9.根据权利要求5所述的复合防渗层，其特征在于，所述复合防渗层被水长期浸泡后不会导致水体pH值高于8。