摘 要

如今，膨润土防水毯已成为一种重要的防水防渗材料，目前主要有针刺法、针刺覆膜法、胶粘法等三种制备方法。由于膨润土中的主要矿物蒙脱石具有良好的膨胀性，其遇水时可吸附自身重量几十倍的水，吸水后体积可增大数十倍。当溶液的pH值与离子种类发生变化时，膨润土便会与其中的离子发生反应，从而使其膨胀系数和粘度大幅降低，达不到防渗要求。

为了拓宽膨润土防水毯的应用领域，提高其防渗性能，保证在任何环境下都可以实现膨胀和防水，本论文采用预水化工艺制备了预水化膨润土防水毯，并确定了最佳防渗效果的工艺条件。

本实验所使用的膨润土蒙脱石含量为65%-75%之间，且为钠基膨润土，在查阅资料和做大量试验对比的基础上，通过制备工艺的不同条件探讨了单因素对防渗实验结果的影响，包括改性、密炼、压力(2Mpa、3Mpa、4Mpa)和保压时间(1min、2min、3min、4min)等因素。最后通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、光学显微镜表征手段对预水化防水毯进行结果分析。

结果表明：经过垃圾渗透液处理过的预水化膨润土防水毯，由原来的钠基膨润土与垃圾渗透液中所含的大量金属离子与蒙脱石发生离子交换，使膨润土的防水防渗性能失效。经改性密炼的预水化防水毯与未改性相比，改性膨润土的层间距有不同程度的扩大，蒙脱石的晶面间距发生了明显的变化，说明了改性剂进入蒙脱石层间域。与未密炼膨润土相比，经密炼的膨润土表面改性剂混合均匀，使防渗效果更好。

关键字：防水毯；膨润土；制备工艺；垃圾渗透液

Abstract

Nowadays, bentonite waterproof blanket has become an important waterproof and impermeable material. At present, there are mainly three preparation methods, such as acupuncture method, acupuncture coating method, adhesive method and so on. Because montmorillonite, the main mineral in bentonite, has good expansibility, it can adsorb dozens of times its own weight of water when it meets water, and the volume can be increased by dozens of times after absorbing water. When the pH value of the solution and the type of ions change, the bentonite will react with the ions, so that its expansion coefficient and viscosity can not meet the requirements of anti-seepage. 
In order to broaden the application field of bentonite waterproof blanket, improve its impermeability and ensure that expansion and waterproofing can be realized in any environment, the prehydrated bentonite waterproof blanket was prepared by prehydration process in this paper. The technological conditions of the best anti-seepage effect were determined. 
The content of bentonite montmorillonite used in this experiment is between 65% and 75%, and it is sodium bentonite. on the basis of consulting the data and doing a large number of experiments, the content of bentonite montmorillonite used in this experiment is between 65% and 75%. Through the different conditions of preparation technology, the influence of single factor on the experimental results of anti-seepage was discussed. Including modification, mixing, pressure (2Mpa, 3Mpa, 4Mpa) and holding time (1min, 2min, 3min, 4min) and other factors. Finally, the results of prehydrated waterproof blanket were analyzed by means of X-ray diffraction (XRD), Fourier infrared spectroscopy (FTIR) and optical microscope. 
The results show that the pre-hydrated bentonite waterproof blanket treated with garbage infiltration solution is exchanged with montmorillonite by a large number of metal ions contained in the original sodium bentonite and garbage infiltration solution, which invalidates the waterproof and impermeable performance of bentonit. The results show that the pre-hydrated bentonite waterproof blanket treated with garbage infiltration solution is exchanged with montmorillonite by a large number of metal ions contained in the original sodium bentonite and garbage infiltration solution.Compared with the unmodified prehydrated waterproof blanket, the interlayer spacing of the modified bentonite was enlarged to varying degrees, and the crystal plane spacing of montmorillonite changed obviously, indicating that the modifier entered the interlayer domain of montmorillonite. Compared with unrefined bentonites, the surface modifiers of refined bentonites are mixed evenly, which makes the anti-seepage effect better.

Keywords:waterproof blanket; bentonite; preparation process; garbagepermeat

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 膨润土的性质与结构 1

1.2.1膨润土性质 1

1.2.2蒙脱石的晶体结构和特征 2

1.3 膨润土的加工 3

1.4 膨润土防渗材料 3

1.4.1膨润土防水毯原理及特点 4

1.4.2膨润土防水毯研究进展 4

第2章 试验研究方法 5

2.1 试验原料及设备 5

2.1.1膨润土的理化性能 5

2.1.2膨润土化学成分 5

2.1.3膨润土的XRD和红外光谱分析 5

2.2 试验设备与药剂 6

2.2.1试验试剂 6

2.2.2垃圾渗透液成分 7

2.2.3主要设备仪器 7

第3章 制备预水化防水毯工艺试验 8

3.1 防水毯的组成结构 8

3.2 预水化防水毯制备 8

3.2.1制备工艺流程 8

3.2.2未改性预水化膨润土防水毯制备 9

3.2.3改性密炼预水化膨润土防水毯制备 11

3.2.4改性未密炼预水化膨润土防水毯制备 12

第4章 膨润土防水毯静水压渗透试验 15

4.1 预水化防水毯静水压实验 15

4.2 改性经开放式密炼机混炼工艺制备的防水毯 15

4.2.1压力为2MPa保压时间对防渗的影响 15

4.2.2压力为3MPa保压时间对防渗的影响 16

4.2.3压力为4MPa保压时间对防渗的影响 16

4.3 改性未经开放式密炼机混炼工艺制备的防水毯 16

4.3.1压力为2MPa保压时间对防渗的影响 16

4.3.2压力为3MPa保压时间对防渗的影响 16

4.3.3压力为4MPa保压时间对防渗的影响 17

4.4 未改性未经开放式密炼机混炼制备的防水毯 17

4.4.1压力为2MPa保压时间对防渗的影响 17

4.4.2压力为3MPa保压时间对防渗的影响 17

4.4.3压力为4MPa保压时间对防渗的影响 18

4.5 本章小结 18

第5章 膨润土防水毯的表征 19

5.1 膨润土防水毯的X射线衍射（XRD）分析 19

5.1.1压力2MPa保压1min未改性未密炼工艺防水毯的XRD分析 19

5.1.2压力2MPa保压1min改性未密炼工艺防水毯的XRD分析 20

5.1.1压力4MPa保压4min改性密炼工艺防水毯的XRD分析 21

5.2 膨润土防水毯的傅里叶红外光谱（FTIR）分析 22

5.2.1压力2MPa保压1min未改性未密炼工艺防水毯的红外光谱分析 23

5.2.2压力2MPa保压1min改性未密炼工艺防水毯的红外光谱分析 24

5.2.1压力4MPa保压4min改性密炼工艺防水毯的红外光谱分析 26

5.3 膨润土防水毯光学显微镜分析 27

5.4 本章小结 29

结 论 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

大约19世纪未在美国怀俄明州福特本顿堡附近发现吸水膨胀的黏土矿，美国地质学家W.C.Knight把它命名为膨润土（bentonite）。20世纪中期，在国际粘土会议中G.E.Grim提出了膨润土的广泛定义：膨润土又称为膨土岩，是以蒙脱石为主要成分的一种黏土岩^[1]。

因膨润土具有较高的膨胀性和较低的渗透性，在20世纪60年代初美国开始研究其防水性能，到70年代将其制成防水板，到90年代将其制成具有防水性能的防水毯^[2]。膨润土防水毯在垃圾填埋场、地铁、机场、环卫、农业养殖大棚、人工湖、水产养殖等领域的防水、防渗工程及水利工程方面被广泛应用^[3]。

为满足实际工程的需要，膨润土防水毯需要具有较好的结构稳定性。膨润土一般为颗粒状，与水混合会降低其抗剪强度，且结构层之间易产生相对滑动。为降低这方面的防渗影响，将膨润土和土工织物制作为一个整体^[4]，增强膨润土防水毯的整体性，使膨润土防水毯的抗拉强度与抗剪强度大幅增强。

1.2 膨润土的性质与结构

1.2.1膨润土性质

膨润土是一种以蒙脱石为主要组分的黏土矿物，其次含有少量高岭石、绿泥石、伊利石等。其大部分性质由所含的主要矿物决定，即与蒙脱石具有类似的性质，如吸附性、膨胀性、悬浮性、黏结性、阳离子交换性、分散性、稳定性和胶体性等物理化学特性[5]。蒙脱石遇水时层间距增大，在自由膨胀的情况下，能吸附相当于自身体积的十几倍以上的水分子。膨润土的膨胀性主要与阳离子交换特性有关[6]。

膨润土类型由它层间域的阳离子种类决定：当阳离子主要是Ca² ，为钙基膨润土；当阳离子主要是Na ，为钠基膨润土；当阳离子主要是有机阳离子，为有机膨润土^[7]。

膨润土的防水防渗性能主要依靠其吸水膨胀性，膨胀性越强防渗效果越好。但是，膨润土的膨胀性受水质的影响较大，在盐水中膨润土分子结构会被盐水中的电解质破坏，分子结构间不能形成连接，从而使膨胀指数和黏度大大降低，防渗能力急剧下降^[8]。因此膨润土中蒙脱石含量越高，其质量也越高。

1.2.2蒙脱石的晶体结构和特征

蒙脱石分子式为(Al，Mg)₂[Si₄O₁₀](OH)₂·nH₂O，由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物，具有较高的吸水收缩才干。晶体结构是由两层硅氧四面体片中间夹一层铝(镁)氧八面体片构成的2: 1型层状硅酸盐。其中硅氧四面体片是由硅氧四面体共角顶连接形成位于同一平面的近似六方网状的硅氧片，如图1-1所示。铝(镁)氧八面体片是由两层相对的硅氧四面体片提供4个氧原子和两个由处于同平面的羟基提供的氧原子所构成的八面体共棱连接形成了八面体片^[1]，而金属阳离子铝(镁)则位于八面体中心，从而形成了铝(镁)氧八面体片，如图1-2所示。当三价阳离子占据2/3八面体空间时形成二八面体片，如图1-3所示。

蒙脱石的基本特征包括晶格置换、电负性和离子交换性。在蒙脱石晶格内广泛存在着异价类质同像置换，由于蒙脱石的晶格置换使其形成晶格静电荷，其晶体表面经常带负电。因蒙脱石晶胞的层状结构中的阳离子与晶胞的作用不稳定，易被其它阳离子交换，故具有良好的离子交换性^[1]。

图1.1 硅氧四面体

图1.2 铝（镁）氧（羟基）八面体

图1.3 蒙脱石的晶体结构

1.3 膨润土的加工

通过各类措施、方法提高膨润土的质量，改变膨润土的物理化学性能或改变膨润土的晶体结构、化学组成等，以扩大膨润土的应用领域来达到膨润土的加工目的。包括膨润土的提纯、改性、改型、纳米化等^[1]。

1）膨润土的提纯
膨润土的提纯一般分为物理提纯和化学提纯。物理提纯即选矿提纯方法，分为水选、风手选和风选3种。其中手选加工流程^[1]为：膨润土原矿→破碎→干燥→手选→粉磨→包装。

2）膨润土改性

膨润土改性是指通过物理、化学及机械等方法进行处理，根据应用的需求有目的地改变膨润土的物理性质和化学性质，以符合在不同技术领域中的应用，从而提高膨润土的性能及使用价值。膨润土常用的改性方法有有机活化、酸活化、热活化和机械力活化等。

1.4 膨润土防渗材料

膨润土防渗材料主要有4种^[9]：①防水板—主要以瓦楞纸板为载体，中间填充特定的膨润土；②防水片材—主要靠粘接剂将特定的膨润土粘接在HDPE类土工膜或土工布上。③防水卷材：将特定的膨润土固定在2层编织布或无纺土工布之间，固定方式包括缝合、针刺或粘合等多种方式，这类材料又通称为膨润土防水毯，是目前各国生产、使用最多，也是发展最快的产品类型；④密封材料：主要包括不定型的膨润土胶泥和定型的膨润土止水条等。这些材料在应用过程中都是配合使用。

1.4.1膨润土防水毯原理及特点

膨润土根据化学成分主要分为钠基和钙基两大类。钙基膨润土膨胀时，其膨胀体积一般为自身体积的3倍左右；钠基膨润土膨胀时，其膨胀体积约为自身体积的l5倍左右，能吸收相当于自身6倍重量的水，所形成的高密度胶体具有疏水的性能^[10]。为了施工和运输方便，将膨润土锁在两层土工材料之间，起加固和保护的作用，让膨润土防水毯具有较好的整体抗剪强度。

膨润土防水毯的特点为：密实性、具有永久的防水性能、施工简便、工期短、不受气温影响、防水材料和对象的一体化、绿色环保^[11]。

1.4.2膨润土防水毯研究进展

如今，膨润土防水毯在防水防渗工程应用已被广泛使用，如尾矿库、垃圾填埋场及地铁隧道等工程。目前，在西方发达国家膨润土防水毯的生产工艺及实际应用已非常先进。在20世纪90年代，我国传入膨润土防水毯，代替了原来的防渗材料^[12]，形成新的施工工艺，使施工工期变短，节约了施工阶段的成本。

全球在地铁隧道工程领域使用膨润土防渗材料已逐渐成为主流趋势，在国外：美国、意大利、日本、法国、澳大利亚、法国、韩国、马来西亚、新加坡等许多地铁项目都广泛使用捷高公司的防水毯^[13]，其中美国在地铁建设^[14]和锌铜尾矿库利用^[15]的应用效果都非常好；在国内：台湾、香港等地方的地铁项目也使用捷高公司的防水毯，近年北京地铁项目开始应用捷高公司防水毯并取得显著的效果；在成都及上海的地铁项目也开始了应用^[16]。

近年国内膨润土防水毯的应用领域逐渐增加，其研究技术也逐渐成熟，尤其在地铁及制备方面都取得较好的进展。张昊针^[17]对北京地铁防水防渗工程，采用膨润土防水毯作为主要材料并取得较好的结果。 刘玉芹、邓桦等^[6]专家发明公开了一种预水化型膨润土防水毯，特别适合应用于建筑、地铁等地下工程的防渗施工，池塘、湖泊、水库的防渗，施工环境为海水或者垃圾填埋场等渗滤液性质复杂条件下的防渗施工，也可以用作在平坦或有坡度的屋面或屋顶材料。

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