CN115417646A - 一种可控的防渗浆液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控的防渗浆液及其制备方法，由按照以下体积百分比配比的组分组成：水泥15～25％、膨润土3～6％、粘土30～40％、粉煤灰15～25％、占水泥质量百分比2～3.5％的粘度时变外掺剂、及余量的水；粘度时变外掺剂包括第一外掺剂、第二外掺剂和第三外掺剂，其质量占所述水泥的质量的百分比分别为：第一外掺剂0.3～0.5％、第二外掺剂0～2.5％、第三外掺剂0.5～1.5％。本发明使用粘度时变外掺剂作为浆液的辅料，实现对浆液流动性、粘度、可泵期、凝结时间的调节与控制，使防渗浆液的各项性能指标达到最优并根据工程条件进行可控调节，制得的防渗浆液适用于尾矿库和垃圾填埋场的防渗工程。
Description
技术领域
本发明涉及地下防渗工程领域，尤其涉及一种可控的防渗浆液及其制备方法。
背景技术
目前，对于尾矿的处理中除少部分用于充填材料及综合利用外，大部分仍采用尾矿库堆存，其对生态环境的最大威胁即为污染物渗漏，这种污染具有潜伏周期长、隐蔽等特点，对地下水和土壤存在严重影响，如酸化、重金属离子超标等，直接威胁到植被生长与人体健康。因此，针对这类城市垃圾的源头防渗也是环境保护的重点问题。
对于尾矿库和垃圾填埋场渗滤液渗漏污染最有效、直接的方式是构建地下防渗结构，将渗滤液和废水控制在一定的渗流范围内，同时构建排水与污水收集处理装置，使其达到污水排放标准。工程实践表明，采用防渗帷幕和帷幕注浆的方式在地下构筑连续的防渗结构是有效阻隔污染物迁移扩散的有效技术方法。注浆材料自研发以来经历了粘土—水泥—化学浆液的发展阶段，水泥浆以其造价低廉、材料来源广、结石体强度高等有点被广泛应用。但是，由于水泥浆的稳定性差、结石率低、长期侵蚀抗渗能力弱及刚性大问题。在长期酸性渗滤侵蚀作用以导致防渗结构的侵蚀损伤，诱发渗滤液的渗漏；此外，在西南山区地质条件复杂，岩体岩溶裂隙和卸荷裂隙发育，防渗注浆过程浆液易沿裂隙漏失和地下水冲蚀；此外地震频发区域，在地应力或外力作用下可能导致防渗结构的开裂，造成渗滤液沿裂隙渗漏。因此，选择分散性低、流动性好、凝结时间可控、渗透系数低、具有吸附阻滞性、具备一定柔性、可调控的低成本防渗浆液，是实现尾矿库和垃圾填埋场渗滤液源头阻断的关键因素。
现有技术状况是，尾矿库的防渗通常采用尾矿坝前设置防渗墙，坝内侧设置防渗铺盖。坝前防渗墙通常采用塑性混凝土，而水平防渗铺盖主要是土工膜和新型防渗毯。现有中国实用新型专利公开号为：CN203145056U，名称为“一种尾矿库防渗用膨润土防水毯”的中国实用新型专利，公开了一种尾矿库防渗用膨润土毯，是一种尾矿库防渗用膨润土防水毯，包括面布、预处理膨润土薄片和底布，预处理膨润土薄片压合在面布与底布之间。该尾矿库防渗用膨润土防水毯采用的预处理膨润土薄片为主要防渗透材料。预处理膨润土薄片中的钠基膨润土系天然钠基膨润土无机材料，遇水时，具有20-28倍的膨胀能力，即使经过很长时间或周围环境发生变化，也不会发生老化或腐蚀现象；同时，如果混凝土结构物发生震动和沉降，该防水毯也能自动修补2mm以内混凝土表面的裂纹，相比HDPE专用复合土工膜其防水性能更为持久。此技术方案的缺点在于，防渗毯只能在尾矿库建设时进行铺设，而对于既有的和运行中渗漏尾矿库或垃圾填埋场该材料不适宜。
另有中国发明专利公开号为CN103951347B，名称为“一种垃圾填埋场防渗浆材及配置方法”的中国专利申请，公开了一种垃圾填埋掺防渗浆材，防渗浆材配方由改性膨润土、水泥、粉煤灰、纯碱和聚羧酸减水剂等组成。该防渗浆材固结体28d渗透系数(0.15～3.5)×10-8cm/s，无侧限抗压强度0.5～2.0MPa，竖向极限应变为3.68％～6.42％，弹性模量100MPa左右；浆液结石体对有机物阻滞率达95％，对Hg、Pb等重金属阻滞率在99.9％以上。此技术方案的缺点在于，该材料的流动性与凝结时间的调节主要依靠固相材料与水的比例和减水剂的加量，难以做到随工程地质与水文地质条件的调节。浆液的粘度时变特性较弱，凝结时间不可控，凝结过程导致其在地下水发育的地层内冲蚀量大，浆液结实率降低，孔隙裂隙的充填率低。
由于尾矿库所处地质环境条件复杂，下部渗流通道形式种类多样、水文地质条件多变，现有技术尚无一种浆液能够同时满足形成地下无接缝连续墙和裂隙灌注多种工艺，以及同时满足浆液流动与凝结时间的可控性、低渗透性、高阻滞率和高耐久性、地应力作用下的塑性形变的需求。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提供了一种适用于尾矿库可控的防渗浆液及其制备方法，该防渗浆液具有渗透系数低、吸附阻滞效率高、具有柔性、凝结时间可控、可注性强、低成本的特点，本发明还提供了该防渗浆液的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种可控的防渗浆液，其由按照以下体积百分比配比的组分组成：水泥15～25％、膨润土3～6％、粘土30～40％、粉煤灰15～25％、占所述水泥质量的质量百分比为2～3.5％的粘度时变外掺剂、及余量的水；所述粘度时变外掺剂包括第一外掺剂、第二外掺剂和第三外掺剂，其质量占所述水泥的质量的百分比分别为：第一外掺剂0.3～0.5％、第二外掺剂0～2.5％、第三外掺剂0.5～1.5％，所述第一外掺剂为纤维素类溶剂，所述第二外掺剂为合成钙硅质早强剂，所述第三外掺剂为酰胺类稳定性调节剂。
在上述实施方式中，纤维素类溶剂、合成钙硅质早强剂和酰胺类稳定性调节剂均为现有技术，在公开号为CN105036628A中国发明专利中，公开了一种粘度时变性浆液及其制备方法，其中提供了所述纤维素类溶剂是羟乙基甲基纤维素，所述合成钙硅质早强剂包括硝酸钙和硅酸钠，所述酰胺类稳定性调节剂包括聚丙烯酰胺和丙烯酸钠。选用粘度时变外掺剂作为浆液的辅料，实现对浆液流动性、粘度、可泵期、凝结时间的调节与控制，使浆液的各项性能指标达到优异水平并根据工程条件进行调节。
根据一些实施方式，所述水泥为普通硅酸盐水泥或复合硅酸水泥；所述水泥的硬度为42.5或42.5R；所述粘土为第四纪粉质粘土，塑性指数为15～16，且液性指数为0.4～0.6；所述粉煤灰为高钙粉煤灰；所述膨润土为蒙脱石矿物的质量百分含量高于55％的钠基膨润土。
根据一些实施方式，该防渗浆液凝结产生的浆液结石体的轴向最大应变为9.87％。
根据一些实施方式，该防渗浆液可泵期为10～180min；其初凝时间在可泵期后为1～15h；其凝结产生的浆液结石体28d渗透系数＜1×10-7cm/s，28d无侧限抗压强度0.5～3MPa，弹性模量≤100MPa，对Hg、As、Pb、Cd和Cr离子的阻滞率≥99.5％。
根据一些实施方式，所述纤维素类溶剂选自羟乙基甲基纤维素，所述合成钙硅质早强剂选自硝酸钙和硅酸钠，所述酰胺类稳定性调节剂选自聚丙烯酰胺和丙烯酸钠。
本申请还提供了所述可控的防渗浆液的制备方法，按照所述防渗浆液的组分配比量取各组分，进行如下步骤：
第一步：用第一部分水将所述第一外掺剂、第二外掺剂和第三外掺剂分别进行溶解，制成第一、第二和第三外掺剂溶液待用；
第二步：将所述膨润土和所述粘土充分混合后加入第二部分水中，搅拌至均匀，得到浆液A待用；
第三步：将所述水泥和所述粉煤灰混合均匀后，加入所述浆液A中，并将剩余水全部加入所述浆液A中，搅拌至均匀状态，得到浆液B；
第四步：将所述第一外掺剂溶液和所述第三外掺剂溶液加入所述浆液B中，搅拌至均匀，得到浆液C；
第五步：将所述第二外掺剂溶液加入所述浆液C中，搅拌均匀，得到所述可控的防渗浆液。
根据一些实施方式，所述第二步中，所述搅拌的时间10～20min。
进一步，所述第三步、第四步和第五步中所述搅拌时间均为3～5min。
在上述实施方式中，足够的搅拌时间是为了确保混合溶液搅拌混合均匀。
根据一些实施方式，所述第一、第二和第三外掺剂溶液在制成8h内使用。
在上述实施方式中，第一、第二和第三外掺剂溶液在制成8h内使用，是为了避免浆液的流动性与凝结时间调节失效。
相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：
1.本发明的防渗浆液将水泥、粘土、粉煤灰作为主料，以膨润土作为辅料，其中，粉煤灰对水泥水化的促进作用，可提高浆液的强度；用粘土取代部分膨润土，粘土矿物对重金离子的吸附阻滞作用，以及粘土材料来源的广泛；同时，选用粘度时变外掺剂作为浆液的辅料，实现对浆液流动性、粘度、可泵期、凝结时间的调节与控制，使浆液的各项性能指标达到较优并根据工程条件进行调节。
2.本发明的防渗浆液可用于无接缝连续的防渗墙构筑，也可用于复杂地质条件下的帷幕灌浆施工，适用于尾矿库防渗的可控浆液以及岩体裂隙、破碎带、溶蚀通道的注浆封堵。
3.本发明的防渗浆液具有起始流动度可调，可泵期可控的特点，这一特点可以降低浆液在裂隙中的漏失与地下水冲蚀；防渗浆液的初凝时间在可泵期后可调，这一性质保证了浆液可塑性与可灌性，可保证两幅防渗墙端面的有效融合，实现无接缝，此外，可调的凝结时变保证了浆液在复杂水文条件下的留存率；浆液结石体28d渗透系数＜1×10-7cm/s，28d无侧限抗压强度0.5～3MPa，弹性模量≤100MPa，可保证防渗结构在地震或外力扰动下与地层保持协调形变，保证防渗结构的完整性；浆液结石体对Hg、As、Pb、Cd和Cr离子的阻滞率较高。
4.本发明的防渗浆液的渗透性随着渗透时间的延长而逐渐降低，最终渗透系数＜1×10-8cm/s；冻融循环耐久性较普通水泥浆液提高4倍。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下实施案例中的原料，如无特殊说明，均为市售普通原料。
其中水泥采用P.O 42.5R的普通硅酸盐水泥，化学成分与物理性质见表1。
表1普通硅酸盐水泥化学成分与物理性质
粘土为第四纪粉质粘土，其物理性质指标见表2；
表2粉质粘土各项性能指标
| 密度/g·cm<sup>-3</sup> | 含水量/％ | 液限/％ | 塑限/％ | 液性指数 | 塑性指数 |
| 2.5 | 28 | 36.33 | 21.2 | 0.44 | 15.13 |
粉煤灰密度为1.8～2.6g/cm3，粒径为0.5～100μm，属粉土范围；膨润土为钠基膨润土；粘度时变外掺剂为自主研发合成，第一外掺剂为改性纤维素类分散剂、第二外掺剂为合成硅钙类早强剂、第三外掺剂为酰胺类稳定调节剂。
实施例1
本实施例的尾矿库防渗浆液组分与含量如下：
S1：称取水1000L,取出其中20L待用，其余加入到搅拌机中待用；
S2:称取钠基膨润土75kg和粉质粘土480kg，将两种材料置于干混机中充分混合，混合时间3min～5min，然后将混合料加入搅拌机中，搅拌10min～20min，形成浆液A待用；
S3：称取水泥270kg和粉煤灰300kg，将两种材料至于干混机中充分混合，混合时间3min～5min，然后将混合料加入到搅拌机内的浆液A中，边搅拌边加入，待完全加入后搅拌5min，浆液状态均匀后，得浆液B；
S4:将称取的第一外掺剂和第三外掺剂各溶于10L水中后依次加入的浆液B中，搅拌2min，形成可控型的防渗浆液。
随后对可控型的防渗浆液的初始流动度、可泵期、初凝时间、弹性模量、28d渗透系数、耐久性进行了测试，具体结果见表3。
实施例2
本实施例的尾矿库防渗浆液组分与含量如下：
S1：称取水1050L，取出其中30L待用，其余加入到搅拌机中待用；
S2：称取钠基膨润土60kg和粉质粘土500kg，将两种材料至于干混机中充分混合，混合时间3min～5min，然后将混合料加入搅拌机中，搅拌10min～20min，形成浆液A待用；
S3：称取水泥300kg和粉煤灰270kg，将两种材料至于干混机中充分混合，混合时间3min～5min，然后将混合料加入到搅拌机内的浆液A中，边搅拌边加入，待完全加入后搅拌3～5min，浆液状态均匀,得到浆液B；
S4:将S1步骤中取出的30L均分为三份，每份10L,将称取的第一外掺剂、第二外掺剂和第三外掺剂分别溶于10L水中，依次加入搅拌机内的浆液B中，搅拌3～5min，得可控的防渗浆液。
然后对可控的防渗浆液的初始流动度、可泵期、初凝时间、弹性模量、28d渗透系数、耐久性进行了测试，具体结果见表3。
实施例3
本实施例的尾矿库防渗浆液组分与含量如下：
S1：称取水1030L，取940L加入搅拌机待用；
S2：将S1步骤中剩余的90L水均分为三份，每份30L，称取第一外掺剂0.81kg，第二外掺剂3.05kg，第三外掺剂1.89kg，分别用30L水溶解形成第一外掺剂溶液、第二外掺剂溶液和第三外掺剂溶液待用；
S3：称取钠基膨润土45kg和粉质粘土525kg，将两种材料至于干混机中充分混合，混合时间3min～5min，然后将混合料边搅拌边加入搅拌机中，搅拌15min～20min，形成浆液A待用；
S4:称取水泥270kg和粉煤灰300kg，将两种材料至于干混机中充分混合，混合时间3min～5min，然后将混合料加入到搅拌机内的浆液A中，边搅拌边加入，并加入剩余水，待完全加入后搅拌5min，得浆液B；
S5：将第一外掺剂溶液、第三外掺剂溶液继续加入搅拌机内的浆液B中搅拌3min,得浆液C；
S6：将第二外掺剂溶液继续加入搅拌机内的浆液C中搅拌3～5min，搅拌均匀状态，得可控的防渗浆液。
然后对可控的防渗浆液的初始流动度、可泵期、初凝时间、弹性模量、28d渗透系数、耐久性进行了测试，具体结果见表3。
实施例4
本实施例的尾矿库防渗浆液组分与含量如下：
S1：称取水1030L，取940L加入搅拌机待用；
S2：将S1步骤中剩余的90L水均分为三份，每份30L，称取粘度时变外掺剂第一外掺剂0.81kg，第二外掺剂5.4kg，第三外掺剂2.43kg，分别用30L水溶解，形成第一外掺剂溶液、第二外掺剂溶液和第三外掺剂溶液待用；
S3：称取钠基膨润土45kg和粉质粘土525kg，将两种材料至于干混机中充分混合，混合时间3min～5min，然后将混合料边搅拌边加入搅拌机中，搅拌15min～20min，形成浆液A待用；
S4：称取水泥270kg和粉煤灰300kg，将两种材料至于干混机中充分混合，混合时间3min～5min，然后将混合料加入到搅拌机内的浆液A中，边搅拌边加入，并加入剩余水，待完全加入后再搅拌5min，得浆液B；
S5：将第一外掺剂、第三外掺剂溶液继续加入搅拌机内的浆液B中搅拌3min,得浆液C；
S6：将第二外掺剂溶液继续加入搅拌机内的浆液C中搅拌3～5min，搅拌均匀状态形成可控的防渗浆液。
然后对可控的防渗浆液的初始流动度、可泵期、初凝时间、弹性模量、28d渗透系数、耐久性进行了测试，具体结果见表3。
表3实施例的防渗浆液配方及性能参数对比
自表3中可以看出浆液的凝结时间随着粘度时变外掺剂加量的变化逐渐缩短，弹性模量发生波动但其值均小于100Mpa；而28d的渗透系数均小于1×10-7cm/s；浆液结石体的污染物阻滞率均大于99.5％。浆液凝结过程可控性与塑性，可确保防渗帷幕间无接缝；浆液结石体良好的柔性和塑性变形特征，可与尾矿库地层保持协调变形，降低防渗结构的脆性破坏。因此，可以根据地质条件与工程的施工条件，按照需求的浆液可泵期和/或凝结时间，灵活调配该防渗浆液，同时该防渗浆液的渗透系数始终满足防渗工程要求。在使用时，为避免浆液的流动性与凝结时间调节失效，第一外掺剂、第二外掺剂和第三外掺剂溶解后在8h内使用。
本发明的防渗浆液具有起始流动度在18～24cm之间可调，可泵期在10～180min可控的特点，这一特点可以降低浆液在裂隙中的漏失与地下水冲蚀；防渗浆液的初凝时间在可泵期后1～15h可调，这一性质保证了浆液可塑性与可灌性，可保证两幅防渗墙端面的有效融合，实现无接缝，此外，可调的凝结时变保证了浆液在复杂水文条件下的留存率；浆液结石体28d渗透系数＜1×10-7cm/s，28d无侧限抗压强度0.5～3MPa，弹性模量≤100MPa，可保证防渗结构在地震或外力扰动下与地层保持协调形变，保证防渗结构的完整性；浆液结石体对Hg、As、Pb、Cd和Cr离子的阻滞率≥99.5％。本发明的防渗浆液的渗透性随着渗透时间的延长而逐渐降低，最终渗透系数＜1×10-8cm/s；冻融循环耐久性与侵蚀耐久性较普通水泥浆液提高4倍。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种可控的防渗浆液，其特征在于，由按照以下体积百分比配比的组分组成：水泥15～25％、膨润土3～6％、粘土30～40％、粉煤灰15～25％、占所述水泥质量的质量百分比为2～3.5％的粘度时变外掺剂、及余量的水；所述粘度时变外掺剂包括第一外掺剂、第二外掺剂和第三外掺剂，其质量占所述水泥的质量的百分比分别为：第一外掺剂0.3～0.5％、第二外掺剂0～2.5％、第三外掺剂0.5～1.5％，所述第一外掺剂为纤维素类溶剂，所述第二外掺剂为合成钙硅质早强剂，所述第三外掺剂为酰胺类稳定性调节剂。
2.根据权利要求1所述的可控的防渗浆液，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥或复合硅酸水泥；所述水泥的硬度为42.5或42.5R；所述粘土为第四纪粉质粘土，塑性指数为15～16，且液性指数为0.4～0.6；所述粉煤灰为高钙粉煤灰；所述膨润土为蒙脱石矿物的质量百分含量高于55％的钠基膨润土。
3.根据权利要求1所述的可控的防渗浆液，其特征在于，该防渗浆液凝结产生的浆液结石体的轴向最大应变为9.87％。
4.根据权利要求1所述的可控的防渗浆液，其特征在于，所述纤维素类溶剂选自羟乙基甲基纤维素，所述合成钙硅质早强剂选自硝酸钙和硅酸钠，所述酰胺类稳定性调节剂选自聚丙烯酰胺和丙烯酸钠。
5.根据权利要求1所述的可控的防渗浆液，其特征在于，该防渗浆液的可泵期为10～180min；其初凝时间在可泵期后为1～15h；其凝结产生的浆液结石体28d渗透系数＜1×10- 7cm/s，28d无侧限抗压强度0.5～3MPa，弹性模量≤100MPa，对Hg、As、Pb、Cd和Cr离子的阻滞率≥99.5％。
6.根据权利要求1～5任一项所述的可控的防渗浆液的制备方法，其特征在于，
按照所述防渗浆液的组分配比量取各组分，进行如下步骤：
第一步：用第一部分水将所述第一外掺剂、第二外掺剂和第三外掺剂分别进行溶解，制成第一、第二和第三外掺剂溶液待用；
第二步：将所述膨润土和所述粘土充分混合后加入第二部分水中，搅拌至均匀，得到浆液A待用；
第三步：将所述水泥和所述粉煤灰混合均匀后，加入所述浆液A中，并将剩余水全部加入所述浆液A中，搅拌至均匀状态，得到浆液B；
第四步：将所述第一外掺剂溶液和所述第三外掺剂溶液加入所述浆液B中，搅拌至均匀，得到浆液C；
第五步：将所述第二外掺剂溶液加入所述浆液C中，搅拌均匀，得到所述可控的防渗浆液。
7.根据权利要求6所述的可控的防渗浆液的制备方法，其特征在于，所述第二步中，所述搅拌的时间为10～20min。
8.根据权利要求6所述的可控的防渗浆液的制备方法，其特征在于，所述第三步、第四步和第五步中，所述搅拌的时间均为3～5min。
9.根据权利要求6所述的可控的防渗浆液的制备方法，其特征在于，所述第一、第二和第三外掺剂溶液在制成8h内使用。
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