CN114409355A - 一种低水胶比竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低水胶比竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用。按质量分数计包括以下组分：钠化改性膨润土33%‑67%，其余部分为粒化高炉矿渣微粉、活性氧化镁和六偏磷酸钠；其中，粒化高炉矿渣微粉：活性氧化镁的质量比为4‑11：1，六偏磷酸钠添加量为钠化改性膨润土干质量的0.5‑4%倍。在保证防渗性能不下降的前提下，本低水胶比竖向阻隔屏障材料将水胶比从4以上降至1.8‑2.5，能够在高压力的三轴、双轴、高压旋喷法下返浆量处于比较低的状态，且能提供一定强度。低返浆量可使阻隔材料顺利、充分的与原位土混合，保证了竖向阻隔屏障的功能得到充分发挥；制备方法简单明了，对生产施工设备、场地要求低，应用市场广。

Description

一种低水胶比竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种低水胶比竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用，属于污染场地阻隔控制技术领域。

背景技术

水土安全事故频发的主要原因有两方面：一方面，经济结构和产业布局的调整，大批工业企业关停并搬离城区，遗留下大片工业污染场地；另一方面，随着城市工业化进程不断推进，密集的生产生活方式产生了大量的工业废物和生活垃圾等固体废弃物。上述工业污染场地和固体废弃物及其处置场所都是现存或潜在的地下环境集中污染源，严重威胁着公众健康和周边地下环境安全。

作为处理环境污染的技术之一，阻隔屏障二十世纪四五十年代的欧洲和美国泥浆挖掘技术不断发展，膨润土泥浆被用于沟渠护壁，并逐渐发展成两种不同的防渗阻截技术。20世纪 60年代末，水泥-膨润土垂直阻截墙技术在欧洲得到发展并广泛应用于坝体、坝基及电厂的地下防渗设施。我国于本世纪初将该技术引进至国内，现在国内有关于膨润土系竖向阻隔屏障主要为土-膨润土阻隔屏障；水泥-膨润土阻隔屏障；土-水泥-膨润土阻隔屏障；氧化镁激发矿渣-膨润土等新型竖向阻隔屏障等。

但是这些竖向阻隔屏障在施工过程中存在因为膨润土超高的吸水能力而导致膨润土系的竖向阻隔屏障泥浆样制备过程中需要使用较高的水胶比的问题，这将导致三个实质性的弊端：一是较高的水胶比将严重限制材料性能，降低刚性或半刚性阻隔墙的强度。膨润土系竖向阻隔屏障如果要获得更低的渗透系数，则需要添加更高比例的膨润土，而膨润土掺量越高，则拌合需要的水胶比则更高，传统膨润土泥浆样所需水胶比更是达到4以上。而水胶比越高，其强度则往往越低，因此存在渗透系数与强度不能同时达到要求的情况；二是因为成本问题，国内竖向阻隔屏障施工一般采用三轴搅拌或者高压旋喷工法，在施工过程中，较高的水胶比将导致较大的返浆量，这不仅严重造成了材料的浪费及污染场地，更严重的是，这将导致竖向阻隔屏障的材料不能足量地充分地与原位土拌合，严重影响阻隔性能；三是高水胶比将导致墙体较高的含水率，在施工完成后，墙体水分的蒸发将导致墙体开裂，进而形成渗透的优势通道，导致阻隔墙的功能受到严重影响甚至失效。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种低水胶比竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用，可以实现：（1）同时兼顾强度和渗透系数，在保证渗透系数低于1*10*^-9m/s的同时满足无侧限抗压强度大于100kPa；（2）水胶比可降至1.8-2.5,施工过程中产生较低的返浆量；（3）降低竖向阻隔屏障含水率，可以抗开裂；（4）所用材料中包含大量的工业副产物，有效降低施工过程中材料的浪费与污染，响应碳中和。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案：

一种低水胶比竖向阻隔屏障材料，按质量分数计包括以下组分：钠化改性膨润土50%，粒化高炉矿渣微粉、活性氧化镁和六偏磷酸钠共占比50%；其中，粒化高炉矿渣微粉：活性氧化镁的质量比为4-11：1，六偏磷酸钠的添加量为钠化改性膨润土干质量的0.5-4%倍。

作为改进的是，所述的六偏磷酸钠为工业级六偏磷酸钠，白色结晶，纯六偏磷酸钠含量≥40%，非活性硫酸盐≤7.5%，pH为5.8-7.3，水不溶物≤0.05%。

作为改进的是，所述材料水胶比根据粒化高炉矿渣微粉、活性氧化镁和六偏磷酸钠的配比确定，水胶比范围为1.8-2.5。

上述低水胶比竖向阻隔屏障材料的制备方法，包括下列步骤：

步骤1），将六偏磷酸钠溶解于蒸馏水中，搅拌保证六偏磷酸钠充分溶解，得六偏磷酸钠溶液；

步骤2），将钠化改性膨润土、粒化高炉矿渣微粉、活性氧化镁按干质量比为100:91.7:8.3—100:80:20混合均匀获得干粉，记为MSB干粉；

步骤3），根据材料配比选用水胶比，将MSB干粉加入步骤1）中六偏磷酸钠溶液，MSB干粉继续搅拌，得改性MSB泥浆样，即为低水胶比竖向阻隔材料。

六偏磷酸钠提前溶解后搅拌MSB干粉与将六偏磷酸钠和MSB干粉混合后搅拌的传统拌合方式相比，水胶比能够降低20%以上。

进一步的，步骤1）中所述搅拌速度为710 -2880r/min，搅拌时长1-2分钟。

进一步的，步骤3）搅拌时间为10-15min，搅拌速度为710-2880r/min。

上述任一种低水胶比竖向阻隔屏障材料在竖向阻隔屏障中的应用，所述低水胶比竖向阻隔屏障材料与原位土拌和并养护后，形成竖向阻隔屏障。

作为改进的是，所述的低水胶比竖向阻隔屏障材料可应用于临空或临建筑物复杂污染场地下的竖向阻隔。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种低水胶比竖向阻隔屏障材料及其制备方法与应用，在满足施工和易性的同时，水胶比可从传统膨润土系材料所需的4以上降至1.8-2.5，具体优势：

一、本低水胶比竖向阻隔屏障材料，具备良好兼顾强度与低渗透系数的能力。本低水胶比竖向阻隔屏障材料满足渗透系数低于1*10^-9m/s的前提下，由于水胶比的降低，因而可提供更高的强度；

二、本低水胶比竖向阻隔屏障材料，能够在2-4MPa压力下的三轴施工法、或者20—40MPa压力下的高压旋喷法下，返浆量可从传统膨润土系材料的50%以上降至20%，阻隔材料能够充分的与原位土混合，保证竖向阻隔屏障的完整性；

三、本低水胶比竖向阻隔屏障材料，具备良好的抗开裂的能力。通过降低竖向阻隔屏障材料的水胶比，墙体含水率降低20%，降低了开裂的可能性，增强了材料在使用期间的防渗性能并提高了竖向阻隔屏障的服役年限；

四、本低水胶比竖向阻隔屏障材料，属于绿色和资源再利用材料，其中主体材料无论是在生产还是使用过程中，都属于无毒无害状态，属于绿色材料；粒化高炉矿渣微粉属于工业副产品/废料，且具备固碳减碳功能，属于环境友好型低碳材料；

五、本低水胶比竖向阻隔屏障材料，制备方法简单明了，对生产施工设备、场地要求低，易推广与应用。

具体实施方式

以下实施例与工程案例仅用于进一步说明本发明，并不以任何方式限制发明的保护范围。

实施例

步骤1）称量钠化改性膨润土干质量2%的六偏磷酸钠并加入蒸馏水中，并使用电动搅拌器进行搅拌，转速设定为710r/min，充分搅拌使得六偏磷酸钠完全溶解；

步骤2）将钠化改性膨润土（产自潍坊远程膨润土有限公司，自由膨胀量为16ml/2g）、粒化高炉矿渣微粉、活性氧化镁按干质量比为10:9:1混合，设定电动搅拌机转速为300r/min，充分搅拌均匀，获得干粉，将这种干粉称之为MSB干粉；

步骤3）在分别制得六偏磷酸钠溶液与MSB干粉之后，设定电动搅拌机转速为710r/min，水胶比为2.5，一边持续搅拌六偏磷酸钠溶液一边加入MSB干粉，待MSB干粉完全加入后，继续搅拌；

步骤4）根据搅拌过程中观察到浆液的粘度状态，适量添加水，搅拌时间为10min，获得改性MSB泥浆样，即为低水胶比竖向阻隔材料；本次得出的材料命名为“低水”。

对比例

为直观对比传统型竖向阻隔屏障和本发明的低水胶比竖向阻隔屏障的各项指标，更清晰地明确低水胶比竖向阻隔屏障的优点，故设立传统土-膨润土竖向阻隔屏障材料作为对比组，组成材料为钠化改性膨润土（产自镇江牧丰膨润土厂，自由膨胀量为16ml/2g），并同测定流动度。

对照组的钠化改性膨润土泥浆竖向阻隔材料制备步骤如下：

步骤1）设定电动搅拌机转速为710r/min，水胶比为4，一边持续搅拌蒸馏水一边加入钠化改性膨润土，待钠化改性膨润土完全加入后，继续搅拌；

步骤2）根据搅拌过程中观察到浆液的粘度状态，适量添加水，搅拌时间为10min，得到传统膨润土泥浆竖向阻隔材料；本次得出的材料命名为“传统”。

性能测试

流动度试验参考GB/T8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》中的第12条水泥净浆流动度试验进行改进，试验仪器为：a.电动搅拌机；b.截锥圆模，上口直径36 mm，下口直径 60 mm，高度为 60 mm，内壁光滑无接缝的金属制品；c.玻璃板；d.秒表；e.刚直尺；f.刮刀；g.药物天平，分度值0.1g。

进一步的，流动度试验步骤如下：

步骤1）将玻璃板放置在水平位置，用湿布抹擦玻璃板、截锥圆模、搅拌器及搅拌锅，使其表面湿而不带水渍。将截锥圆模放在玻璃板的中央,并用湿布覆盖待用；

步骤2）将拌好的泥浆样迅速注入截锥圆模内，用刮刀刮平；

步骤3）将截锥圆模按垂直方向提起，同时开启秒表计时，任水泥净浆在玻璃板上流动，至30s，用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径取平均值作为水泥净浆流动度。

渗透系数测试采用滤失实验进行测试。其中，根据我国《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》和《污染场地修复技术目录(第一批)》提出了竖向阻隔墙的渗透系数需要小于1*10^-9m/s要求。

以下从水胶比、流动度、28天龄期无侧限抗压强度、渗透系数四个方面进行对比，以此看出低水胶比竖向阻隔材料的优势。从表1可以看出，在较低的水胶比下，“低水”取得了更高的流动度和更低的渗透系数，同时在28天龄期具备一定的强度。

表1 各材料室内测试结果

应用实例

山东广饶县某地块，该地块被举报在 2013-2014 年填埋了来源不明的工业废油渣。地块南北长140m，东西长 45~65m，面积约 7338m²，地块表面平坦，上部覆盖一层回填土和建筑垃圾，植被茂盛。该地块内工业废油渣与回填土混合后形成工业固废。

地块地层条件为：在 25m 深度范围内，地块周边第四系地层自上至下由杂填土、粉质粘土、粉土、粉细砂、粉质粘土、粉细砂、粉质粘土、粉细砂、粉土等组成。地块内上部回填有建筑垃圾和杂填土等。

表2 各土层渗透系数表

低水胶比竖向阻隔屏障施工步骤：

步骤1）在一搅搅拌池中按照实施例配置低水胶比竖向阻隔材料；

步骤2）将一搅搅拌池中MSB泥浆样泵入二搅搅拌池中，继续搅拌待用，防止泥浆样固液分离；

步骤3）空压机压力设定为20MPa，将二搅搅拌池中的MSB泥浆泵入高压旋喷机，开始施工，一搅搅拌池重复步骤1）过程。

工程对照例：

为直观对比传统型竖向阻隔屏障和本发明的低水胶比竖向阻隔屏障的各项指标，更清晰地明确低水胶比竖向阻隔屏障的优点，故设立传统土-膨润土竖向阻隔屏障的对照案例。

江苏镇江某化肥厂，2018年，中央第四环境保护督察组接到举报，该厂存在环境污染问题，根据调查处理结果，该厂于当年6月陆续关停所有生产线，并与2019年起拆除所有生产设备，地块退役。

该地块地层条件为：在 44m 深度范围内，地块土层可以分为4大层，自上而下包括：杂填土、素填土、粉土、粘土夹粉质黏土、粉质黏土、强风化花岗岩。水位较高，稳定水位埋深为0.96—5.58m。

传统土-膨润土竖向阻隔墙施工步骤：

步骤1）在一搅加按对比例材料配比配置膨润土泥浆；

步骤2）将一搅搅拌池中泥浆样泵入二搅搅拌池中，继续搅拌待用，防止泥浆样固液分离；

步骤3）空压机压力设定为20MPa，将制备好的泥浆样送至高压旋喷桩机，开始施工，一搅搅拌池重复步骤1）过程。

为量化对比两种材料，将从返浆量、渗透系数、无侧限抗压强度、成墙完整性四个方面进行考量。

其中，返浆量=返浆体积/泵入浆液体积。

本渗透系数测试方法采用改进滤失实验进行测试。其中，根据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》和《污染场地修复技术目录(第一批)》的要求，竖向阻隔墙的渗透系数需要小于1*10^-9m/s。

强度测试采用实施案例养护28天龄期无侧限抗压强度测试。其中，对照例为柔性墙，无法测定无侧限抗压强度。

表3 两种材料工程数据对比

综上所述，本发明低水胶比竖向阻隔屏障材料，能够在2-4MPa压力下的三轴施工法、或者20—40Mpa压力下的高压旋喷法下，返浆量可从传统膨润土系材料的50%以上降至20%，阻隔材料能够充分的与原位土混合，保证竖向阻隔屏障的完整性，属于绿色和资源再利用材料，其中主体材料无论是在生产还是使用过程中，都属于无毒无害状态，属于绿色材料；粒化高炉矿渣微粉属于工业副产品/废料，且具备固碳减碳功能，属于环境友好型低碳材料，制备方法简单明了，对生产施工设备、场地要求低，易推广与应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种低水胶比竖向阻隔屏障材料，其特征在于，按质量分数计包括以下组分：钠化改性膨润土50%，粒化高炉矿渣微粉、活性氧化镁和六偏磷酸钠共占比50%；其中，粒化高炉矿渣微粉：活性氧化镁的质量比为4-11：1，六偏磷酸钠的添加量为钠化改性膨润土干质量的0.5-4%倍。

2.根据权利要求1所述的一种低水胶比竖向阻隔屏障材料，其特征在于，所述的六偏磷酸钠为工业级六偏磷酸钠，白色结晶，纯六偏磷酸钠含量≥40%，非活性硫酸盐≤7.5%，pH为5.8-7.3，水不溶物≤0.05%。

3.根据权利要求1所述的低水胶比竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于：所述材料水胶比根据粒化高炉矿渣微粉、活性氧化镁和六偏磷酸钠的配比确定，水胶比范围为1.8-2.5。

4.基于权利要求1所述的一种低水胶比竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1），将六偏磷酸钠溶解于蒸馏水中，搅拌保证六偏磷酸钠充分溶解，得六偏磷酸钠溶液；

步骤2），将钠化改性膨润土、粒化高炉矿渣微粉、活性氧化镁按干质量比为100:91.7:8.3—100:80:20混合均匀获得干粉，记为MSB干粉；

步骤3），根据材料配比选用水胶比，将MSB干粉加入步骤1）中六偏磷酸钠溶液， MSB干粉继续搅拌，得改性MSB泥浆样，即为低水胶比竖向阻隔材料。

5.根据权利要求4所述的低水胶比竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述搅拌速度为710-2880r/min，搅拌时长1-2分钟。

6.根据权利要求4所述的低水胶比竖向阻隔屏障材料的制备方法，其特征在于：步骤3）搅拌时间为10-15min，搅拌速度为710 -2880r/min。

7.基于权利要求1-6中任一种低水胶比竖向阻隔屏障材料在竖向阻隔屏障中的应用，其特征在于，所述低水胶比竖向阻隔屏障材料与原位土拌和并养护后，形成竖向阻隔屏障。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的低水胶比竖向阻隔屏障材料可应用于临空或临建筑物复杂污染场地下的竖向阻隔。