CN115959861A - 一种竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污染场地阻隔风险管控领域，具体是一种竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用，其特征在于，包括以下按质量分数计的组分：原位土80‑85％，聚合物改性膨润土5‑10％，添加剂10％，所述聚合物改性膨润土为聚合物对钠化改性膨润土进行改性处理所得；其中，所述添加剂由水泥与粉煤灰按质量比为10:0‑0:10混合而成，本发明竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用，能够抵抗重金属污染物侵蚀，有效提高其化学相容性，保持极好的渗透性能，可以应用于竖向阻隔屏障材料，增强其阻控性能，提高其阻隔效果。
Description
技术领域
本发明涉及污染场地阻隔风险管控领域，具体是一种竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用。
背景技术
目前国际上环保领域的竖向阻隔屏障主要包括以下几类：水泥-润土竖向屏障(cement-bentonite,CB)；土-润土竖向屏障(soil-bentonite,SB)；土-水泥-膨润土竖向屏障(soil-cement-bentonite,SCB)；塑性混凝土竖向屏障(plastic concrete,PC)；深层搅拌水泥土隔离屏障(cement-soil,CS)；土工膜复合隔离屏障；喷射灌浆隔离屏障；板桩隔离屏障。
我国目前，城市污染场地、垃圾填埋场多采用CS泥土灌浆帷幕等传统技术，然而据报道可知，其渗透性能无法满足竖向阻隔防渗要求(＜10-9m/s)。当地下水位水位变动较大时，竖向阻隔屏障会经历大量的干湿循环，可能导致屏障受干湿循环的暴露影响形成开裂，导致强度降低并降低其阻隔性能。并且作为污染场地竖向阻隔屏障时，在高风险复合重金属污染物胁迫下，阻隔屏障将出现阻隔性能劣化，低防渗性能。
钠基膨润土是竖向阻隔屏障中起着阻滞污染物运移、防止污染地下水渗流的作用。我国的膨润土虽然储量丰富，但品质较差，钠基膨润土产量甚少，因此在竖向阻隔工程中常采用钙基膨润土或钠化改性钙基膨润土代替。然而，钙基膨润土膨胀力相对于钠基膨润土较弱，而钠化改性钙基膨润土在富含无机盐及重金属的地下水中，膨润土的扩散双电层压缩较大，导致两者皆无法满足竖向阻隔工程的防渗控污要求。因此，对钙基膨润土或钠化改性钙基膨润土进行改性以提高其膨胀性能及防渗性能显得十分必要。
因此，针对以上现状，迫切需要开发一种竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用，以克服当前实际应用中的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种竖向阻隔屏障材料，其特征在于，包括以下按质量分数计的组分：原位土80-85％，聚合物改性膨润土5-10％，添加剂10％，所述聚合物改性膨润土为聚合物对钠化改性膨润土进行改性处理所得；
其中，所述添加剂由水泥与粉煤灰按质量比为10:0-0:10混合而成。
作为本发明进一步的方案：所述聚合物改性膨润土由聚丙烯酸钠和钠化膨润土混合而成。
作为本发明进一步的方案：所述聚丙烯酸钠密度为1.32g/mL，比重1.23，表观粘度1300mPa·s，粒径小于0.15mm；
所述膨润土母土为200目，自由膨胀率为15mL/2g，液限为183.35％以上。
作为本发明进一步的方案：所述膨润土为国产钠化改性钙基膨润土。
作为本发明进一步的方案：所述聚合物改性膨润土的制备方法如下：
将2g聚丙烯酸钠与98g钠化膨润土混合，以300r/min的速度搅拌5-10min得混合物A；
将混合物A倒入PE瓶中，拧紧瓶盖后，置于反转震荡仪中震荡24h，混合均匀后获得聚合物改性膨润土。
一种如上所述的竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水泥与粉煤灰按质量比为10:0-0:10混合得添加剂，加入原位土中，其中原位土和添加剂的质量比为80:10-85:10，保持300r/min的转速，拌和5-10min，形成复合原位土干粉；
(2)将聚合物改性膨润土和水按质量比1:10混合，并进行恒温搅拌，得到聚合物改性膨润土泥浆；
(3)将步骤(1)所得的复合原位土干粉加入步骤(2)的聚合物改性膨润土泥浆中，以300r/min速度拌和10-30min，即得竖向阻隔屏障材料；
(4)将搅拌后的回填料均匀填入直径50mm、高50mm的刚性模具中，分五层依次填入，每填完一层即手工振动模具，以排除试样中气泡；
将装入模具后的试样采用聚乙烯袋进行封口，以避免水分流失，并置于标准环境下养护至设计龄期。
作为本发明进一步的方案：在步骤(2)中，在30-60℃恒温下，以1000-4000r/min速度搅拌30-60min。
作为本发明进一步的方案：在步骤(3)中，对新鲜回填料进行坍落度试验，选取坍落度为150mm下的含水率来控制试验用水。
作为本发明进一步的方案：在步骤(4)中，所述标准环境的相对湿度95％，温度22℃，所述设计龄期为28天。
一种采用上述所述的竖向阻隔屏障材料的制备方法形成的竖向阻隔屏障，应用于重金属污染物污染场地下的竖向阻隔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)该竖向阻隔屏障材料能够使其在重金属污染物污染地下水作用下极大地提高防渗性能、吸附性能和阻滞运移性能，能够抵抗重金属污染物侵蚀，有效提高其化学相容性，不易被高浓度复合污染溶液侵蚀而导致渗透系数增大，钠化改性膨润土经聚丙烯酸钠改性后，其渗透系数较传统阻隔屏障更低，在高浓度重金属溶液的作用下，使渗透系数始终低于1×10-9m/s，保持极好的渗透性能；
(2)该竖向阻隔屏障对工业副产品或废料的利用可以减低对水泥等材料的使用，从而降低能耗，节省成本，工程应用性较高；
(3)本发明可以应用于竖向阻隔屏障，增强其阻控性能，提高其阻隔效果，且竖向阻隔屏障材料中粉煤灰的使用使得竖向阻隔屏障具有低热传输性，可与其它修复技术(如热脱附)联用；
(4)该竖向阻隔屏障材料的制作工艺简单方便，造价成本低，易于工程推广。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
实施案例中所用的聚丙烯酸钠为AR级，分子量为3000万。
实施例1：
(1)将钠化改性膨润土和聚丙烯酸钠放置在60℃烘箱中烘干，烘干后过200目筛备用；
(2)将聚丙烯酸钠和钠化改性膨润土按质量比为2:98混合，并用电动搅拌器以300r/min转速搅拌5-10min。
(3)将步骤(2)所得的混合物倒入PE瓶中，拧紧瓶盖后，放置于反转震荡仪，震荡24h，混合均匀后获得聚合物改性膨润土；
(4)将步骤(3)所得的聚合物改性膨润土和蒸馏水以质量比1:10混合，在30-60℃恒温下用电动搅拌器以1000-4000r/min的转速，拌和30-60min获得聚合物改性膨润土泥浆；
(5)将水泥与粉煤灰按质量比为10:0混合得添加剂，加入原位土中，其中原位土和添加剂的质量比为80:10，保持200-500r/min的转速，拌和5-10min，形成复合原位土干粉；
(6)将步骤(5)所得的原位土干粉加入步骤(4)所得的聚合物改性膨润土泥浆样中，用电动搅拌器以300r/min转速，拌和10-30min，即得竖向阻隔屏障材料；
对新鲜回填料进行坍落度试验，选取坍落度为150mm下的含水率来控制试验泥浆用量；
(7)将搅拌后的回填料均匀填入直径50mm、高50mm的刚性模具中，分五层依次填入，每填完一层即手工振动模具，以排除试样中气泡；
将装入模具后的试样采用聚乙烯袋进行封口，以避免水分流失，并置于标准环境(相对湿度95％，温度22℃)下养护至设计龄期(28d)。
此实施例所得的阻隔屏障材料中，原位土的质量占比为80％，聚合物改性膨润土的质量占比为10％，添加剂的质量占比为10％。
将此实施例所得的增强型竖向阻隔屏障材料命名为“复合1”。
实施例2：
(1)将钠化改性膨润土和聚丙烯酸钠放置在60℃烘箱中烘干，烘干后过200目筛备用；
(2)将聚丙烯酸钠和钠化改性膨润土按质量比为2:98混合，并用电动搅拌器以300r/min转速搅拌5-10min。
(3)将步骤(2)所得的混合物倒入PE瓶中，拧紧瓶盖后，放置于反转震荡仪，震荡24h，混合均匀后获得聚合物改性膨润土；
(4)将步骤(3)所得的聚合物改性膨润土和蒸馏水以质量比1:10混合，在30-60℃恒温下用电动搅拌器以1000-4000r/min的转速，拌和30-60min获得聚合物改性膨润土泥浆；
(5)将水泥与粉煤灰按质量比为7.5:2混合得添加剂，加入原位土中，其中原位土和添加剂的质量比为80:10，保持300r/min的转速，拌和5-10min，形成复合原位土干粉；
(6)将步骤(5)所得的原位土干粉加入步骤(4)所得的聚合物改性膨润土泥浆样中，用电动搅拌器以300r/min转速，拌和10-30min，即得竖向阻隔屏障材料；
对新鲜回填料进行坍落度试验，选取坍落度为150mm下的含水率来控制试验泥浆用量；
(7)将搅拌后的回填料均匀填入直径50mm、高50mm的刚性模具中，分五层依次填入，每填完一层即手工振动模具，以排除试样中气泡；
将装入模具后的试样采用聚乙烯袋进行封口，以避免水分流失，并置于标准环境(相对湿度95％，温度22℃)下养护至设计龄期(28d)。
此实施例所得的阻隔屏障材料中，原位土的质量占比为80％，聚合物改性膨润土的质量占比为10％，添加剂的质量占比为10％。
将此实施例所得的增强型竖向阻隔屏障材料命名为“复合2”。
实施例3：
(1)将钠化改性膨润土和聚丙烯酸钠放置在60℃烘箱中烘干，烘干后过200目筛备用；
(2)将聚丙烯酸钠和钠化改性膨润土按质量比为2:98混合，并用电动搅拌器以300r/min转速搅拌5-10min。
(3)将步骤(2)所得的混合物倒入PE瓶中，拧紧瓶盖后，放置于反转震荡仪，震荡24h，混合均匀后获得聚合物改性膨润土；
(4)将步骤(3)所得的聚合物改性膨润土和蒸馏水以质量比1:10混合，在30-60℃恒温下用电动搅拌器以1000-4000r/min的转速，拌和30-60min获得聚合物改性膨润土泥浆；
(5)将水泥与粉煤灰按质量比为0:10混合得添加剂，加入原位土中，其中原位土和添加剂的质量比为80:10，保持200-500r/min的转速，拌和5-10min，形成复合原位土干粉；
(6)将步骤(5)所得的原位土干粉加入步骤(4)所得的聚合物改性膨润土泥浆样中，用电动搅拌器以300r/min转速，拌和10-30min，即得竖向阻隔屏障材料；
对新鲜回填料进行坍落度试验，选取坍落度为150mm下的含水率来控制试验泥浆用量；
(7)将搅拌后的回填料均匀填入直径50mm、高50mm的刚性模具中，分五层依次填入，每填完一层即手工振动模具，以排除试样中气泡；
将装入模具后的试样采用聚乙烯袋进行封口，以避免水分流失，并置于标准环境(相对湿度95％，温度22℃)下养护至设计龄期(28d)。
将此实施例所得的增强型竖向阻隔屏障材料命名为“复合3”。
实施例4：
(1)将钠化改性膨润土和聚丙烯酸钠放置在60℃烘箱中烘干，烘干后过200目筛备用；
(2)将聚丙烯酸钠和钠化改性膨润土按质量比为2:98混合，并用电动搅拌器以300r/min转速搅拌5-10min。
(3)将步骤(2)所得的混合物倒入PE瓶中，拧紧瓶盖后，放置于反转震荡仪，震荡24h，混合均匀后获得聚合物改性膨润土；
(4)将步骤(3)所得的聚合物改性膨润土和蒸馏水以质量比1:10混合，在30-60℃恒温下用电动搅拌器以1000-4000r/min的转速，拌和30-60min获得聚合物改性膨润土泥浆；
(5)将水泥与粉煤灰按质量比为10:0混合得添加剂，加入原位土中，其中原位土和添加剂的质量比为85:10，保持200-500r/min的转速，拌和5-10min，形成复合原位土干粉；
(6)将步骤(5)所得的原位土干粉加入步骤(4)所得的聚合物改性膨润土泥浆样中，用电动搅拌器以300r/min转速，拌和10-30min，即得竖向阻隔屏障材料；
对新鲜回填料进行坍落度试验，选取坍落度为150mm下的含水率来控制试验泥浆用量；
(7)将搅拌后的回填料均匀填入直径50mm、高50mm的刚性模具中，分五层依次填入，每填完一层即手工振动模具，以排除试样中气泡；
将装入模具后的试样采用聚乙烯袋进行封口，以避免水分流失，并置于标准环境(相对湿度95％，温度22℃)下养护至设计龄期(28d)。
此实施例所得的阻隔屏障材料中，原位土的质量占比为85％，聚合物改性膨润土的质量占比为5％，添加剂的质量占比为10％。
将此实施例所得的增强型竖向阻隔屏障材料命名为“复合4”。
实施例5：
(1)将钠化改性膨润土和聚丙烯酸钠放置在60℃烘箱中烘干，烘干后过200目筛备用；
(2)将聚丙烯酸钠和钠化改性膨润土按质量比为2:98混合，并用电动搅拌器以300r/min转速搅拌5-10min。
(3)将步骤(2)所得的混合物倒入PE瓶中，拧紧瓶盖后，放置于反转震荡仪，震荡24h，混合均匀后获得聚合物改性膨润土；
(4)将步骤(3)所得的聚合物改性膨润土和蒸馏水以质量比1:10混合，在30-60℃恒温下用电动搅拌器以1000-4000r/min的转速，拌和30-60min获得聚合物改性膨润土泥浆；
(5)将水泥与粉煤灰按质量比为7.5:2.5混合得添加剂，加入原位土中，其中原位土和添加剂的质量比为85:10，保持200-500r/min的转速，拌和5-10min，形成复合原位土干粉；
(6)将步骤(5)所得的原位土干粉加入步骤(4)所得的聚合物改性膨润土泥浆样中，用电动搅拌器以300r/min转速，拌和10-30min，即得竖向阻隔屏障材料；
对新鲜回填料进行坍落度试验，选取坍落度为150mm下的含水率来控制试验泥浆用量；
(7)将搅拌后的回填料均匀填入直径50mm、高50mm的刚性模具中，分五层依次填入，每填完一层即手工振动模具，以排除试样中气泡；
将装入模具后的试样采用聚乙烯袋进行封口，以避免水分流失，并置于标准环境(相对湿度95％，温度22℃)下养护至设计龄期(28d)。
此实施例所得的阻隔屏障材料中，原位土的质量占比为85％，聚合物改性膨润土的质量占比为5％，添加剂的质量占比为10％。
将此实施例所得的增强型竖向阻隔屏障材料命名为“复合5”。
实施例6：
(1)将钠化改性膨润土和聚丙烯酸钠放置在60℃烘箱中烘干，烘干后过200目筛备用；
(2)将聚丙烯酸钠和钠化改性膨润土按质量比为2:98混合，并用电动搅拌器以300r/min转速搅拌5-10min。
(3)将步骤(2)所得的混合物倒入PE瓶中，拧紧瓶盖后，放置于反转震荡仪，震荡24h，混合均匀后获得聚合物改性膨润土；
(4)将步骤(3)所得的聚合物改性膨润土和蒸馏水以质量比1:10混合，在30-60℃恒温下用电动搅拌器以1000-4000r/min的转速，拌和30-60min获得聚合物改性膨润土泥浆；
(5)将水泥与粉煤灰按质量比为0:10混合得添加剂，加入原位土中，其中原位土和添加剂的质量比为85:10，保持300r/min的转速，拌和5-10min，形成复合原位土干粉；
(6)将步骤(5)所得的原位土干粉加入步骤(4)所得的聚合物改性膨润土泥浆样中，用电动搅拌器以200-500r/min转速，拌和10-30min，即得竖向阻隔屏障材料；
对新鲜回填料进行坍落度试验，选取坍落度为150mm下的含水率来控制试验泥浆用量；
(7)将搅拌后的回填料均匀填入直径50mm、高50mm的刚性模具中，分五层依次填入，每填完一层即手工振动模具，以排除试样中气泡；
将装入模具后的试样采用聚乙烯袋进行封口，以避免水分流失，并置于标准环境(相对湿度95％，温度22℃)下养护至设计龄期(28d)。
此实施例所得的阻隔屏障材料中，原位土的质量占比为85％，聚合物改性膨润土的质量占比为5％，添加剂的质量占比为10％。
将此实施例所得的增强型竖向阻隔屏障材料命名为“复合6”。
对照例：
本发明设置对照例，用以直观地对比改性膨润土-水泥-粉煤灰-土竖向阻隔屏障材料与传统膨润土的性能差异。传统竖向阻隔屏障以土-膨润土阻隔屏障为代表，其主体材料为原位土、膨润土。用原位土和膨润土按85％和15％的质量分数相混合，并用电动搅拌器以300r/min的转速拌和5-10min。得到的阻隔屏障材料命名为“对照7”。
性能检测：
对实施例1-6所得的改性膨润土-水泥-粉煤灰-土竖向阻隔屏障材料以及对照例所得的传统竖向阻隔屏障材料对照例“对照7”进行以下性能测试试验。
(1)基本物理性质测试，试验方法参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)、ASTM D4972，试验结果见表1和表2。
(2)液限测试，试验标准参考土工试验方法标准(GBT 2050123-2019)。
(3)柔性壁渗透试验，试验标准参考ASTM D5084规范，试验溶液为50mmol/L的Pb(NO3)2溶液。
表1原位土的物理性质
| 天然含水率(％) | 液限WL(％) | 塑限WP(％) | pH |
| 3.78 | 20.3 | 34.75 | 8.02 |
表2钠化改性膨润土的基本物理化学性质
| 天然含水率(％) | 自由膨胀率ml/2g | 液限WL(％) | 塑限WP(％) | pH |
| 10.68 | 15 | 207.7 | 37.7 | 10.22 |
表3自由膨胀率测试结果
| 聚丙烯酸钠掺量 | 自由膨胀率(ml/2g) |
| 0 | 15 |
| 2％ | 21 |
表4液限测试结果
| 实施例 | 液限(％) |
| 复合1 | 46 |
| 复合2 | 51.2 |
| 复合3 | 50.2 |
| 复合4 | 53.6 |
| 复合5 | 58 |
| 复合6 | 60.3 |
| 对照7 | 43.05 |
表5无侧限抗压强度试验结果
表6柔性壁渗透试验结果
| 实施例 | 渗透系数(m/s) |
| 复合1 | <![CDATA[6.1×10<sup>-11</sup>]]> |
| 复合2 | <![CDATA[3.0×10<sup>-11</sup><!-- 7 -->]]> |
| 复合3 | <![CDATA[5.2×10<sup>-11</sup>]]> |
| 复合4 | <![CDATA[4.2×10<sup>-11</sup>]]> |
| 复合5 | <![CDATA[3.2×10<sup>-11</sup>]]> |
| 复合6 | <![CDATA[4.1×10<sup>-11</sup>]]> |
| 对照7 | <![CDATA[4.2×10<sup>-10</sup>]]> |
以上各实验的结果表明，本发明所提出的改性膨润土-水泥-粉煤灰-土竖向阻隔屏障材料与普通的膨润土材料相比，具有更高的膨胀指数、液限，故改性膨润土-水泥-粉煤灰-土竖向阻隔屏障材料具有良好的水化膨胀性能和物理特性；
柔性壁渗透试验结果表明，本发明所提出的改性膨润土-水泥-粉煤灰-土竖向阻隔屏障材料相对于普通膨润土材料在50mmol/L的Pb(NO3)2溶液下表现出较低的渗透性，可以极大地提升竖向阻隔屏障的防渗控污性能。
需要说明的是，在本发明中，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种竖向阻隔屏障材料，其特征在于，包括以下按质量分数计的组分：原位土80-85％，聚合物改性膨润土5-10％，添加剂10％，所述聚合物改性膨润土为聚合物对钠化改性膨润土进行改性处理所得；
其中，所述添加剂由水泥与粉煤灰按质量比为10:0-0:10混合而成。
2.根据权利要求1所述的竖向阻隔屏障材料，其特征在于，所述聚合物改性膨润土由聚丙烯酸钠和钠化膨润土混合而成。
3.根据权利要求2所述的竖向阻隔屏障材料，其特征在于，所述聚丙烯酸钠密度为1.32g/mL，比重1.23，表观粘度1300mPa·s，粒径小于0.15mm；
所述膨润土母土为200目，自由膨胀率为15mL/2g，液限为183.35％以上。
4.根据权利要求3所述的竖向阻隔屏障材料，其特征在于，所述膨润土为国产钠化改性钙基膨润土。
5.根据权利要求2所述的竖向阻隔屏障材料，其特征在于，所述聚合物改性膨润土的制备方法如下：
将2g聚丙烯酸钠与98g钠化膨润土混合，以300r/min的速度搅拌5-10min得混合物A；
将混合物A倒入PE瓶中，拧紧瓶盖后，置于反转震荡仪中震荡24h，混合均匀后获得聚合物改性膨润土。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水泥与粉煤灰按质量比为10:0-0:10混合得添加剂，加入原位土中，其中原位土和添加剂的质量比为80:10-85:10，保持300r/min的转速，拌和5-10min，形成复合原位土干粉；
(2)将聚合物改性膨润土和水按质量比1:10混合，并进行恒温搅拌，得到聚合物改性膨润土泥浆；
(3)将步骤(1)所得的复合原位土干粉加入步骤(2)的聚合物改性膨润土泥浆中，以300r/min速度拌和10-30min，即得竖向阻隔屏障材料；
(4)将搅拌后的回填料均匀填入直径50mm、高50mm的刚性模具中，分五层依次填入，每填完一层即手工振动模具，以排除试样中气泡；
将装入模具后的试样采用聚乙烯袋进行封口，以避免水分流失，并置于标准环境下养护至设计龄期。
7.根据权利要求6所述的竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，在30-60℃恒温下，以1000-4000r/min速度搅拌30-60min。
8.根据权利要求7所述的竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，对新鲜回填料进行坍落度试验，选取坍落度为150mm下的含水率来控制试验用水。
9.根据权利要求8所述的竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述标准环境的相对湿度95％，温度22℃，所述设计龄期为28天。
10.一种采用权利要求6中所述的竖向阻隔屏障材料的制备方法形成的竖向阻隔屏障，应用于重金属污染物污染场地下的竖向阻隔。
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