刘玉芹

(中国非金属矿工业有限公司，北京 100035)

1 膨润土用于防渗材料发展历程

膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土，具有良好的吸水膨胀性、吸附性以及粘结性等性能。质量优良的膨润土可吸收自身质量5倍多的水分，吸水后体积膨胀15～25倍，呈凝胶状态，由于限制了水的迁移，具有良好的阻水特性。

1.1 膨润土作为防渗材料历史

在我国，膨润土作为防渗材料的历史悠久，经考古发现，早在春秋战国时期的楚墓、秦墓就曾使用膨润土来防止地下水侵蚀。1972年，在湖南省出土了马王堆汉墓，该墓室的主人—辛追夫人的尸体保存完好，在发掘过程中发现其墓室周围使用了厚度为1～1.3m的白泥膏，白膏泥经鉴定矿物成分为膨润土。

1.2 当前常用的膨润土防渗材料比较

目前，市面上常见的膨润土防渗材料[1]商品有以下几种：胶粘法膨润土防水毯(图1a)；针刺法膨润土防水毯(图1b)；针刺覆膜法防渗衬垫(图1c)；预水化型膨润土防渗衬垫(图1d)，其性能对比见表1。膨润土防渗材料的演变主要是基于材料施工便利以及防渗效果两方面因素的考量而不断演变的。胶粘法膨润土防水毯是采用胶粘剂将膨润土颗粒和聚乙烯板结合，存在结合不紧密易掉粉问题；为改进上述问题，针刺法膨润土防水毯和针刺覆膜法防渗衬垫采用针刺方法将膨润土均匀的固定在土工布之间，膨润土被限定在一定空间内进行吸水膨胀而发挥防渗作用，但仍然存在搭接困难，复杂渗滤环境下无法防渗的问题；预水化型膨润土防渗衬垫是将膨润土和聚合物挤压形成均匀致密的薄层状柔性片层，实现了即时防渗，解决了搭接处理难问题，使膨润土防渗材料的应用领域得以扩展。

2 预水化型膨润土防渗材料制备工艺

2.1 膨润土有效防渗的主要影响因素

图1 几种膨润土防渗材料结构示意图

表1 当前常用的膨润土防渗材料比较

基于对膨润土的结构特性及其防渗技术研究[7-8]，我们认为影响膨润土有效防渗的主要因素包括：①保证膨润土充分吸水膨胀，由于蒙脱石的离子交换特性，环境中有些盐离子、有机大分子、酸、碱离子等会在蒙脱石层间发生离子交换，从而给膨润土膨胀带来影响，导致膨润土的膨胀性能变差而丧失防渗性能；②形成均匀致密防渗片层结构，通常致密防渗层需要在0.5～0.8cm，且厚度均匀，防止厚度不足而使液体通过，防渗层颗粒间应保持紧密排布，不留有缝隙；③保持防渗层压覆力，通过压覆力将膨润土限定在有效空间内，空间过大时颗粒松散流失会导致防渗失效；④材料具有较好的柔韧性，在边坡和不平处施工具备良好的延展性。

2.2 制备工艺

预水化型膨润土防渗材料的制备工艺如下：首先将优选的膨润土，加入一定比例的水，聚合物单体在交联剂和引发剂等作用下，通过挤压、捏和形成致密、均匀的团块；然后通过设备挤出成型一定厚度的防水片层；最后在防水片层上下覆膜后形成最终产品。在上述材料制备过程中，膨润土原料的膨胀性能、交联剂、引发剂的选择及其用量，水的用量、反应温度、反应时间、捏和以及挤出方式、片层厚度等均对产品的性能有影响。

根据实验室和试验研究表明，其最佳工艺条件为：膨润土的膨胀指数必须≥20mL/2g；水分量占膨润土质量的30%～35%，部分水分随聚合物单体、交联剂和引发剂加入；聚合物单体的用量为膨润土质量的6%～10%，交联剂、引发剂用量分别为聚合物单体用量的3%～5%，温度控制在40～50℃，真空捏和反应需要持续进行10～30min，最后通过平板或圆环基础设备进行挤出厚度为0.5～0.8mm的片层，上下覆膜得到最终产品。

3 材料性能评价指标探讨

由于预水化型膨润土防渗材料在国内尚未产业化，目前尚未形成统一的行业标准[9]。经过前期的试验研究及验证，笔者建议应从膨润土原料特性、防渗性能、力学特性、应用特性等指标评价预水化型膨润土防渗材料的防渗性能。

3.1 原料特性及要求

从应用实践并结合我国膨润土资源的特性来看，原料的膨胀指数≥20mL/2g，且必须为天然钠基膨润土。原料的膨胀指数越高，膨润土的纯度相对较高，代表相同质量的膨润土在同样条件下膨胀后其膨胀体积越大，再将其压缩到特定空间内的致密性越高，其防渗性能也会越好。

3.2 防渗特性的评价

以耐静水压和渗透系数两项指标评定膨润土防渗材料的防渗性能。渗透系数越小，表示其防渗性能越好，我们确定的渗透系数指标为≤5.0×10-11m/s；耐静水压越高，其抗渗漏性越好，我们要求材料的耐静水压要在0.4MPa以下稳定1h无渗漏。

3.3 力学特性的评价

通过纵向拉伸强度、纵向断裂延伸率、常温柔性等指标来评定膨润土防渗材料的力学特性。纵向拉伸强度用来表征材料沿正轴纵向单轴拉伸或压缩载荷作用下的极限应力，该指标应≥600 N/100mm。纵向断裂延伸率是指材料在受到应力发生断裂后的伸长率，是预水化型膨润土防水毯不同于其他类型膨润土防水毯的重要指标之一，由于该材料具有良好的延展性，可以有效防止防渗失效，一般情况下该材料的断裂延伸率≥200%。常温柔性也是表征该材料应用力学特性的重要指标，防止材料在运输和较大坡度施工时出现断裂的情况，通常要求其弯折三次无裂纹。

4 《天然钠基膨润土防渗衬垫》标准的修订建议

目前国内建材行业采用的膨润土防渗衬垫标准为JC/T 2054-2011《天然钠基膨润土防渗衬垫》，该标准中尚未将预水化型膨润土防渗材料纳入其中。因此建议对《天然钠基膨润土防渗衬垫》进行适当的修订，将预水化型膨润土防渗材料性能评价指标纳入其中(表2)。

5 应用前景分析

预水化型膨润土防渗材料可以有效解决针刺膨润土防渗材料易失效、搭接困难等问题。在实际应用过程中具有显著的优势，主要体现在以下几方面。

(1)拓宽膨润土防渗材料的应用领域。材料通过预先水化膨胀，可以有效阻止其他杂质离子进入层间而导致防渗失效，不受应用环境中离子的影响，极大地拓宽了应用领域。

(2)实现即时防渗。通过预水化、真空挤出工艺形成稳定的防水片层结构，可以有效保障施工完毕即时防渗。

(3)搭接处理方便。在搭接处理过程中，只需要将片层结构搭接一定的宽度，片层间经过压力后便能够融为一体，实现无缝搭接处理，解决了防渗搭接串水问题。

该防渗材料不仅可以用于建筑结构防水，还可以用于地下室、隧道、地铁、水库等的防渗施工。在环境保护方面，可以用于垃圾填埋场、尾矿处理库、油库、加油站、核电站等防渗施工[10-11]。