CN112573864A - 一种粘土基防渗复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粘土基防渗复合材料及其制备方法,所述复合材料由包括80~95重量份粘土、5~20重量份膨润土和0.05~0.1重量份高分子有机聚合物在内的原料制成。本发明的复合材料大大提高了粘土的防渗性能,在降低生产成本的同时,又能满足防渗相关规范要求,延长隔离设施的有效使用寿命,降低施工成本;此外,本发明的复合材料还克服了天然粘土的地域限制,提高了粘土的稳定性及耐盐、耐酸、耐重金属离子污染的能力;同时,本发明的复合材料还具有良好的胶粘性及可塑性,可以很好地充填工程空隙,进一步提高了防渗性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种粘土基防渗复合材料及其制备方法,属于粘土防渗材料技术领域。
背景技术
随着环境保护意识的增强和环境保护法规的更加严格,人们对地下防渗,尤其是污染场区的地下防渗研究越来越多,国内早期建造的很多工业场区、工业固废堆场及尾矿库大都是直接倾倒,没有做任何防渗措施,污染物直接向周围扩散,严重污染了周边地下水和土壤,制约城市的发展,影响了人们的健康,因此污染场地的防渗治理成为了迫切需要解决的问题。
污染阻隔技术作为风险管控的有效措施近年来在污染场地风险管控中的应用越来越广泛。其垂直阻隔技术主要是利用地下阻隔封存污染物或改变地下水流向,以达到控制污染水平迁移的目的。为了达到阻止地下污染物迁移的目的,要求垂直阻隔墙有非常低的渗透性,实际应用中要求渗透系数≤1.0×10-7cm/s;同时,阻隔墙要有较好的连续性和耐久性,墙体材料具有较高的稳定性和耐腐蚀性,污染物与其作用不会导致阻隔功能的减弱或失效。
HDPE土工膜垂直防渗墙由其具有防渗性能强、耐腐蚀性能好、耐久性好、抗变形能力强、施工场地可再次开发建设等特点,在垂直防渗环保工程上应用较广泛。为了防止地下水中污染物从柔性HDPE膜墙底部与相对不透水层之间绕流,通常采用具有一定流动性的防渗材料将膜与槽底介质有效连接,形成联合体,同时将HDPE膜锚固在槽底。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种粘土基防渗复合材料及其制备方法,大大提高了粘土的防渗性能,在降低生产成本的同时,又能满足防渗相关规范要求,延长隔离设施的有效使用寿命,降低施工成本;此外,本发明的复合材料还克服了天然粘土的地域限制,提高了粘土的稳定性及耐盐、耐酸、耐重金属离子污染的能力,使得污染物与其作用不会导致阻隔功能的减弱或失效;同时,本发明的复合材料还具有良好的胶粘性及可塑性,在实际应用例如在止水帷幕底部用作密封剂时,可以很好的充填HDPE膜与槽底介质之间的工程空隙,有效地将HDPE膜与槽底介质连接形成联合体,从而将HDPE膜锚固在槽底,进一步提高了防渗性能。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明提供了一种粘土基防渗复合材料,所述复合材料由包括80~95重量份粘土、5~20重量份膨润土和0.05~0.1重量份高分子有机聚合物在内的原料制成。
优选的,所述复合材料由包括95重量份粘土、5重量份膨润土和0.05重量份高分子有机聚合物在内的原料制成。
优选的,所述粘土为粉质粘土,且其粒径≤0.075mm的颗粒重量大于所述粘土总重量的20%。
优选的,所述膨润土为钠基膨润土。
优选的,所述膨润土的粒径≤0.2mm。
优选的,所述高分子有机聚合物为聚丙烯酰胺。
优选的,所述高分子有机聚合物的分子量为8×106~1.2×107。
本发明还提供了上述粘土基防渗复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按本发明的重量份称取粘土、膨润土和高分子有机聚合物,备用;
(2)将所述粘土进行烘干,研磨,过筛,备用;
(3)将所述膨润土和所述高分子有机聚合物分别与水混合,搅拌得到膨润土泥浆和高分子有机聚合物溶液,然后将所述高分子有机聚合物溶液加入到所述膨润土泥浆中,边加边搅拌,得到混合浆液a;
(4)将步骤(3)得到的所述混合浆液a置于恒温水浴锅中,搅拌,使高分子有机聚合物在膨润土层间发生纳米插层反应,形成反应后的浆液,经离心得到离心出的固相,再经烘干、研磨后得到改性膨润土;
(5)将步骤(4)得到的所述改性膨润土与步骤(2)得到的所述粘土混合,加水搅拌,使改性膨润土填充粘土的空隙,同时高分子有机聚合物在粘土粒子间形成“自由”聚合物网络,静置,得到粘土基防渗复合材料。
优选的,步骤(2)中是将所述粘土在101~105℃条件下烘干6~8h至恒重,研磨,过0.2mm筛。
优选的,步骤(3)中所述膨润土为钠基膨润土。
优选的,步骤(3)中所述膨润土泥浆是按所述膨润土和水重量比为1~1.5:10进行混合搅拌得到。
优选的,步骤(3)中所述膨润土泥浆是利用搅拌器对所述膨润土和水进行搅拌混合得到,转速为1000~3000r/min,搅拌时间为10~20min。
优选的,步骤(3)中所述高分子有机聚合物为聚丙烯酰胺。
优选的,步骤(3)中所述高分子有机聚合物溶液是按所述高分子有机聚合物和水重量比为1~2:100进行混合搅拌得到。
优选的,步骤(3)中所述高分子有机聚合物溶液是利用搅拌器对所述高分子有机聚合物和水进行搅拌混合得到,转速为1500~3000r/min,搅拌时间为1~2h。
优选的,步骤(4)中所述恒温水浴锅的水温为50~70℃;所述搅拌的搅拌器转速为1500~3000r/min,搅拌时间为6~8h;所述离心的离心机转速为5000~10000r/min,离心时间为8~60min。
优选的,步骤(4)中所述烘干的烘箱温度为101~105℃,烘干时间为6~8h;所述研磨后再过0.2mm筛。
优选的,步骤(5)中所述水为自来水或山泉水,pH为4.0~11.0。
相较于现有技术,本发明的有益效果在于:
1、天然粘土难以满足工程防渗要求(≤1×10-7cm/s),且在施工和运行过程中,由于种种原因都会导致其结构破坏,本发明提供的粘土基防渗复合材料,通过在粘土中添加适当比例的改性膨润土,使改性膨润土对粘土进行改性,提高粘土的防渗能力和吸附污染物的能力;同时,高分子有机聚合物的加入,可使高分子有机聚合物与粘土颗粒有效接触,在粘土粒子间形成“自由”聚合物网络,充分发挥其抗拉能力,能够有效地提高粘土团聚体的稳定性,提高粘土的稳定性和抗剪强度,增强粘土作为防渗基体的应力及冻融强度等;
单纯用膨润土对粘土进行改性能达到降低渗透系数的目的,膨润土在粘土中有插层作用,但是其在地下环境中稳定性不够;直接用高分子有机聚合物对粘土进行改性,达不到降低渗透系数的目的。综合考虑,用两种物质同时对粘土作用,既能达到插层作用又能通过高分子有机物达到聚合稳定作用。
2、本发明提供的粘土基防渗复合材料以粘土为基础,具有良好的胶粘性及可塑性,在实际应用例如在止水帷幕底部用作密封剂时,可以很好的充填HDPE膜与槽底介质之间的工程空隙,有效地将HDPE膜与槽底介质连接形成联合体,从而将HDPE膜锚固在槽底,进一步提高了防渗性能。
3、本发明提供的粘土基防渗复合材料以粘土为基础,成本低廉,且高分子有机聚合物的加入又进一步降低了膨润土的用量,进一步降低了成本。同时,本发明提供的制备方法简单易操作,对生产设备无特殊要求。
4、本发明所用原料属清洁友好型材料,不会对环境带来二次污染。
附图说明
图1为本发明中HDPE土工膜-防渗复合材料垂直防渗墙结构示意图。
附图标记说明:①导墙、②回填粘土、③HDPE土工膜、④原始土层、⑤本发明的粘土基防渗复合材料、⑥地下相对不透水层。
图2为本发明试验例2中粘土基防渗复合材料的渗透系数随着膨润土添加量改变的变化关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1
本实施例的粘土基防渗复合材料由如下原料制成:95kg粘土、5kg钠基膨润土(膨润土)和0.05kg聚丙烯酰胺(高分子有机聚合物)。通过以下方法制备:
(1)按本实施例的重量称取粘土、膨润土和高分子有机聚合物,备用;
(2)将粘土在105℃条件下烘干8h至恒重,研磨,过0.2mm筛,备用;
(3)将膨润土与水按重量比1.5:10进行混合,用搅拌器搅拌,搅拌器的转速为1500r/min,搅拌时间为15min,得到膨润土泥浆;将高分子有机聚合物与水按重量比1:100进行混合,用搅拌器搅拌,搅拌器的转速为1500r/min,搅拌时间为1h,得到高分子有机聚合物溶液;将所述高分子有机聚合物溶液加入到所述膨润土泥浆中,边加边搅拌,得到混合浆液a;
(4)将步骤(3)得到的所述混合浆液a置于恒温水浴锅中,恒温水浴锅的水温为70℃,并用搅拌器搅拌,搅拌器的转速为2800r/min,搅拌时间为6h,使高分子有机聚合物在膨润土层间发生纳米插层反应,形成反应后的浆液,对反应后的浆液进行离心处理,离心机转速为5000r/min,离心时间为10min,得到离心出的固相,并对固相烘干,烘箱温度为101℃,烘干时间为6h,烘干后进行研磨,过0.02mm筛,得到改性膨润土;
(5)将步骤(4)得到的所述改性膨润土与步骤(2)得到的所述粘土混合,加水搅拌,使改性膨润土填充粘土的空隙,同时高分子有机聚合物在粘土粒子间形成“自由”聚合物网络,静置,得到粘土基防渗复合材料。
本实施例的粘土基防渗复合材料可在止水帷幕底部用作密封剂,请参见图1,图1中,①为导墙,②为回填粘土,③为HDPE土工膜,④为原始土层,⑤为本发明的粘土基防渗复合材料,⑥为地下相对不透水层。本发明的粘土基防渗复合材料⑤作用于槽底,将HDPE土工膜③和地下相对不透水层⑥紧密粘合在一起,形成密闭的隔水层。
实施例2
本实施例的粘土基防渗复合材料由如下原料制成:92kg粘土、7.92kg钠基膨润土(膨润土)和0.08kg聚丙烯酰胺(高分子有机聚合物)。制备方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例的粘土基防渗复合材料由如下原料制成:90kg粘土、9.9kg钠基膨润土(膨润土)和0.1kg聚丙烯酰胺(高分子有机聚合物)。制备方法与实施例1相同。
实施例4
本实施例的粘土基防渗复合材料由如下原料制成:95kg粘土、5kg钠基膨润土(膨润土)和0.05kg聚丙烯酰胺(高分子有机聚合物)。通过以下方法制备:
(1)按本实施例的重量称取粘土、膨润土和高分子有机聚合物,备用;
(2)将粘土在101℃条件下烘干6h至恒重,研磨,过0.2mm筛,备用;
(3)将膨润土与水按重量比1:10进行混合,用搅拌器搅拌,搅拌器的转速为3000r/min,搅拌时间为10min,得到膨润土泥浆;将高分子有机聚合物与水按重量比2:100进行混合,用搅拌器搅拌,搅拌器的转速为3000r/min,搅拌时间为1h,得到高分子有机聚合物溶液;将所述高分子有机聚合物溶液加入到所述膨润土泥浆中,边加边搅拌,得到混合浆液a;
(4)将步骤(3)得到的所述混合浆液a置于恒温水浴锅中,恒温水浴锅的水温为50℃,并用搅拌器搅拌,搅拌器的转速为1500r/min,搅拌时间为8h,使高分子有机聚合物在膨润土层间发生纳米插层反应,形成反应后的浆液,对反应后的浆液进行离心处理,离心机转速为10000r/min,离心时间为60min,得到离心出的固相,并对固相烘干,烘箱温度为105℃,烘干时间为8h,烘干后进行研磨,过0.02mm筛,得到改性膨润土;
(5)将步骤(4)得到的所述改性膨润土与步骤(2)得到的所述粘土混合,加水搅拌,得到粘土基防渗复合材料。
对比例1
本对比例的粘土材料由如下原料制成:100kg粘土。通过以下方法制备:
(1)称取粘土100kg;
(2)将粘土在101℃条件下烘干6h至恒重,研磨,过0.2mm筛,得到粘土材料。
试验例1
对上述各实施例及对比例制备的材料进行渗透性系数测试。
测定复合土样渗透性系数,试验按照《土工实验方法标准(GB/T 50123-2019)》中的方法进行,测定方法为变水头法,变水头渗透试验适用于粘土、粘性土,可准确、简便地测试出粘性土渗透系数。渗透系数测试结果如表1所示。
表1
通过表1可以看出:不同改性膨润土掺入量的粘土基防渗复合材料均维持较低的渗透系数,低于柔性垂直防渗墙防渗标准(≤1×10-7cm/s),相比纯粘土的渗透系数而言,本发明复合材料的防渗性能大大增强。
试验例2
本试验例中各样品的所用原料及制备方法与实施例1基本相同,区别仅在于:控制膨润土和粘土总重量不变,改变其配比,分别令膨润土占膨润土和粘土总重量的0%、5%(实施例1)、8%、10%、20%、30%、40%、50%。
按照《土工实验方法标准(GB/T 50123-2019)》中的方法,测定各样品的渗透性系数,最终结果如图2所示。
由图2可以看出,本发明的粘土基复合防渗材料的渗透系数随着膨润土用量的增加而快速降低;当膨润土的添加量>最佳添加量(5%)时,防渗复合材料的渗透系数降低速度趋于缓慢下降。此外,在最佳添加量(5%)处,防渗复合材料的渗透系数k能够达到1×10- 7cm/s以下,可以满足工程要求,这种情况下膨润土的添加量得到了优化,既保证了复合防渗材料的工程性能,又做到了节约成本的作用。
Claims (10)
1.一种粘土基防渗复合材料,其特征在于,所述复合材料由包括80~95重量份粘土、5~20重量份膨润土和0.05~0.1重量份高分子有机聚合物在内的原料制成。
2.如权利要求1所述的复合材料,其特征在于,所述复合材料由包括95重量份粘土、5重量份膨润土和0.05重量份高分子有机聚合物在内的原料制成。
3.如权利要求1所述的复合材料,其特征在于:
所述粘土为粉质粘土,且其粒径≤0.075mm的颗粒重量大于所述粘土总重量的20%;
所述膨润土为钠基膨润土,粒径≤0.2mm;
所述高分子有机聚合物为聚丙烯酰胺,分子量为8×106~1.2×107。
4.权利要求1-3任一项所述粘土基防渗复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)按权利要求1或2所述的重量份称取粘土、膨润土和高分子有机聚合物,备用;
(2)将所述粘土进行烘干,研磨,过筛,备用;
(3)将所述膨润土和所述高分子有机聚合物分别与水混合,搅拌得到膨润土泥浆和高分子有机聚合物溶液,然后将所述高分子有机聚合物溶液加入到所述膨润土泥浆中,边加边搅拌,得到混合浆液a;
(4)将步骤(3)得到的所述混合浆液a置于恒温水浴锅中,搅拌,形成反应后的浆液,经离心得到离心出的固相,再经烘干、研磨后得到改性膨润土;
(5)将步骤(4)得到的所述改性膨润土与步骤(2)得到的所述粘土混合,加水搅拌,静置,得到粘土基防渗复合材料。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中是将所述粘土在101~105℃条件下烘干6~8h至恒重,研磨,过0.2mm筛。
6.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述膨润土为钠基膨润土,所述高分子有机聚合物为聚丙烯酰胺。
7.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述膨润土泥浆是按所述膨润土和水重量比为1~1.5:10进行混合搅拌得到,所述高分子有机聚合物溶液是按所述高分子有机聚合物和水重量比为1~2:100进行混合搅拌得到。
8.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述膨润土泥浆是利用搅拌器对所述膨润土和水进行搅拌混合得到,转速为1000~3000r/min,搅拌时间为10~20min;所述高分子有机聚合物溶液是利用搅拌器对所述高分子有机聚合物和水进行搅拌混合得到,转速为1500~3000r/min,搅拌时间为1~2h。
9.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(4)中所述恒温水浴锅的水温为50~70℃;所述搅拌的搅拌器转速为1500~3000r/min,搅拌时间为6~8h;所述离心的离心机转速为5000~10000r/min,离心时间为8~60min;所述烘干的烘箱温度为101~105℃,烘干时间为6~8h;所述研磨后再过0.2mm筛。
10.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(5)中所述水为自来水或山泉水,pH为4.0~11.0。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115872720A (zh) * | 2022-11-30 | 2023-03-31 | 华北有色工程勘察院有限公司 | 一种用于垂直防渗帷幕底部的密封剂及其制备方法 |
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