采用新疆天然鈉基膨潤(rùn)土制備高性能防水毯原料的研究

　　膨潤(rùn)土防水毯（GCL）是一種新型的土工合成防水材料，其底層為土工纖維布，上層為無(wú)紡布，中間為經(jīng)過處理的膨潤(rùn)土，因貌似毯狀，故稱為膨潤(rùn)土防水毯。其主要特性如下：具有土工材料的全部特性，又具有優(yōu)異的防水（滲）性能；由于膨潤(rùn)土是天然無(wú)機(jī)環(huán)保材料，故不會(huì)發(fā)生老化反應(yīng)，其使用壽命可達(dá)100年以上；施工簡(jiǎn)便且不受施工環(huán)境溫度的限制，0℃以下也可施工；具有自愈性、容易修補(bǔ)；性能價(jià)格比高，適用于市政（垃圾填埋）、水利、環(huán)保、人工湖及建筑地下防水、防滲工程，用途非常廣泛。

　　膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要礦物成分的黏土礦，其性能與蒙脫石類型和含量有關(guān)。蒙脫石晶體化學(xué)成分復(fù)雜，變化大。晶體中的低價(jià)陽(yáng)離子常常置換高價(jià)陽(yáng)離子，使結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生多余的負(fù)電價(jià)。為了保持電中性，在結(jié)構(gòu)層之間除水分子外，存在較大半徑的陽(yáng)離子Na+、Ca2＋等，因此膨潤(rùn)土就被劃分為鈉基土、鈣基土。

　　防水毯中的膨潤(rùn)土遇水后，水分子能夠進(jìn)入膨潤(rùn)土晶格之間，使其晶格膨脹，由于膨潤(rùn)土防水毯在施工時(shí)，按要求其上部要覆蓋20厘米厚的覆蓋層將其壓實(shí)，所以當(dāng)其遇水膨脹時(shí)，其體積增大25倍以上，使其內(nèi)部形成負(fù)壓，即達(dá)到了防水的效果。由于膨潤(rùn)土這種優(yōu)良的特性其廣泛用于防水材料、保水材料等領(lǐng)域。

　　用于防水材料的膨潤(rùn)土首選優(yōu)質(zhì)鈉基土，這是由于鈉離子在水中容易分散，鈉離子半徑大，電荷低，在水中更易分散且分散層數(shù)多；鈣基土的膨脹速度雖然快，但是其膨脹性能較鈉基土差，因此，選擇高膨脹性能的天然鈉基土是制備防水毯的前提條件。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀及存在的主要問題

　　我國(guó)的膨潤(rùn)土資源儲(chǔ)量大，居世界首位，但優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土不多。通過對(duì)吉林劉房子、浙江臨安、新疆夏子街、遼寧建平等重要膨潤(rùn)土產(chǎn)地的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)真正用天然鈉基土做防水毯原料的并不多，受原料所限，多數(shù)企業(yè)采用人工鈉土。這是造成我國(guó)防水毯產(chǎn)品質(zhì)量不高的主要原因之一。

　　雖然國(guó)家尚未頒布GCL產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但目前各國(guó)均以ASTM為依據(jù)，產(chǎn)品的膨脹指數(shù)≥24m1/2g，而國(guó)內(nèi)多數(shù)產(chǎn)品膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)僅有16～20；達(dá)到20以上的產(chǎn)品大多是對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行人工鈉化后的較短時(shí)間內(nèi)的測(cè)定值，然而原料采用人工鈉化，其吸水性在半年后會(huì)逐步降低，甚至還原。北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院鞠建英認(rèn)為，GCL只能采用天然鈉基膨潤(rùn)土，她認(rèn)為人工鈉土的加工工藝無(wú)法使堿中的鈉離子進(jìn)入膨潤(rùn)土晶格結(jié)構(gòu)中去，最多只附著在其表面，使其活性增強(qiáng)，經(jīng)短時(shí)間風(fēng)化或隨水流失后，人工鈉基膨潤(rùn)土?xí)芸熳兓剽}基膨潤(rùn)土。

　　防水毯是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)外很多隧道工程使用這種產(chǎn)品，關(guān)乎國(guó)家百年大計(jì)。可以想象，一旦產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或是半年之后產(chǎn)品性能降低甚至還原而造成遂道大量滲水，那給國(guó)家?guī)?lái)的損失是無(wú)法估量的。

　　所以，滿足國(guó)內(nèi)對(duì)該產(chǎn)品原料的需求，研發(fā)出符合我國(guó)實(shí)際的防水毯需要的高效能的膨潤(rùn)土原料具有十分重要的意義。

高性能防水毯原料制備的試驗(yàn)研究

試驗(yàn)說明及原礦性能測(cè)試

　　該試驗(yàn)研究選用新疆夏子街膨潤(rùn)土，它位于準(zhǔn)葛爾盆地西北邊緣，已探明儲(chǔ)量為5.4億噸，其中已探明C＋D級(jí)儲(chǔ)量在2.6億噸以上，蘊(yùn)藏著較為豐富的鈉基、鈉鈣基、鈣鈉基和鈣基膨潤(rùn)土資源，是全國(guó)比較大的膨潤(rùn)土礦床。其主要技術(shù)性能可與美國(guó)懷俄明膨潤(rùn)土媲美。

　　試驗(yàn)選取新疆夏子街三種有代表性的土樣，一種是白土、一種是淡磚紅色土（簡(jiǎn)稱紅土）、一種是類似巧克力的塊狀土（簡(jiǎn)稱巧克力土）。

　　其中，紅土以磚紅色為主，少數(shù)呈現(xiàn)米黃色，粉砂狀致密塊狀，礦石放水中吸水緩慢，具明顯的鈉土特征。白土肉色、淺米黃色，粉砂狀，細(xì)而不易見到明顯的雜質(zhì)，吸水較快。巧克力土顏色為淺肉褐色，顏色均一質(zhì)細(xì)而致密，肉眼一般見不到雜質(zhì)，呈現(xiàn)階梯狀斷口。經(jīng)過測(cè)試，原礦性能指標(biāo)見表1、表2所示。

表1　　原礦性能測(cè)試結(jié)果

表2　　陽(yáng)離子交換分量與總量比值

　　通過表1原礦的膠質(zhì)價(jià)、膨脹容等性能指標(biāo)可以推測(cè)，原礦為鈉基膨潤(rùn)土，這一點(diǎn)在表2的數(shù)據(jù)中得到證實(shí)。表2中各樣的ENa+量均大于50%，按地質(zhì)分類均屬鈉基土。

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　　同時(shí)可以看出，新疆鈉基膨潤(rùn)土膨脹性能優(yōu)秀，其中巧克力土性能最佳，原礦已經(jīng)達(dá)到22.0m1/2g，白土和紅土相對(duì)較差，盡管如此，比很多人工鈉土的指標(biāo)還是優(yōu)越。

添加MSG產(chǎn)品性能測(cè)試

　　為進(jìn)一步提高產(chǎn)品膨脹性能，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，我公司自行研發(fā)了一種防水毯原料專用復(fù)合添加劑（MSG），它可以大大提高膨潤(rùn)土原料膨脹性能。試驗(yàn)過程為：稱取一定量烘干過200目的MSG材料，將其與幾種膨潤(rùn)土原礦充分混合后，測(cè)試混合材料的膨脹性能，為說明情況，采用某地鈣基膨潤(rùn)土進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試，結(jié)果見表3。

表3　原礦添加MSG材料膨脹性能測(cè)試結(jié)果 

　　通過以上對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，新疆土和MSG復(fù)合材料的相容性非常好，紅土、白土估計(jì)添加2.0%的復(fù)合材料膨脹指數(shù)即可超過ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求的24m1/2g。而巧克力土性能更加優(yōu)越，添加0.5%就可超過標(biāo)準(zhǔn)。這說明MSG材料對(duì)產(chǎn)品性能的提升貢獻(xiàn)很大，可以用于防水毯原料之中。

　　通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)原礦的測(cè)試以及添加MSG材料試驗(yàn)，我們可以得到以下結(jié)論：

　　1.新疆天然鈉基膨潤(rùn)土的質(zhì)量上乘，是國(guó)內(nèi)制作防水毯的最佳原料。

　　2.我公司自行研發(fā)的MSG材料與新疆天然鈉基膨潤(rùn)土具有很好的相容性，加入這種材料可以大大提升膨潤(rùn)土的性質(zhì)。并且這種材料不會(huì)像人工鈉土那樣在短時(shí)間內(nèi)老化變性。

　　3.由于添加量很少0.5%～2.0%即可達(dá)到ASTM標(biāo)準(zhǔn)，通過成本核準(zhǔn)，通過成本核算，加入這種材料的防毯成本每平米增加不到1元，具有重要的推廣和應(yīng)用價(jià)值。