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一种水利工程用防渗漏新复合材料制备及应用效果

2025-05-09 59 上传者：管理员

摘要：为提高水利工程的储水效果，试验将偏高岭土作为黏土材料，分别与羟丙基甲基纤维素和田菁胶植物胶复合，制备纤维素/黏土防渗漏材料以及植物胶/黏土防渗漏材料，并研究其性能。结果表明，在防渗漏材料中添羟丙基甲基纤维素和田菁胶植物胶均可以增大其粒径，使其具备防渗漏能力。当以0.6%纤维素和1.0%植物胶分别制备防渗漏材料时，900 h渗水率基本为0.00%,且30 d储存水质良好。其中，pH值分别为7.20、7.28,CODMn分别为3.315、2.744 mg/L,氨氮含量分别为0.352、0.375 mg/L,浑浊度分别为2.241、2.018 NTU。且这些30 d储存水质情况均达到相关国家标准，储存效果优于HDPE土工膜，在水利工程应用中有一定潜在价值。

关键词：
植物胶
渗水率
纤维素
防渗漏材料
黏土
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在各水利工程中,常常使用混凝土材料建造集水池等,经常因混凝土材料开裂而引起坍塌,降低水利工程的安全性和服役寿命[1⁃2]｡因此,针对防止水分渗漏材料的研究成为一个科学热点｡祁诣恒等为提高水闸护坡防渗性能,通过塑性纤维对混凝土材料进行改性,制备一种抗压､抗拉强度､抗渗能力较好的改性混凝土材料[3]｡周荣则以提高石坝面膜防渗结构安全性为目的,通过室内模型试验,研究了不同垫层材料对石坝防渗膜性能的作用效果[4]｡另外,董洋等通过黏土和膨润土,研制了一种防渗密封材料,并对其性能进行研究,在防渗墙工程应用中,该防渗密封材料可以有效阻止底部地下水绕流,防渗性能较好[5]｡黏土类防渗漏材料在各水利工程中应用较多,特别是在我国西北干旱地区[6]｡基于此,本试验使用偏高岭土作为黏土材料,以羟丙基甲基纤维素作为纤维素材料,以田菁胶作为植物胶材料,分别制备掺杂纤维素的黏土防渗漏材料以及掺杂植物胶的黏土防渗漏材料,并研究各防渗漏材料性能和储水效果｡

1、试验部分

1.1材料与设备

主要材料:偏高岭土(工业纯,龙创矿产);田菁胶(AR,思扬生物);羟丙基甲基纤维素(AR,万山新材料);HDPE土工膜(工业纯,信迎新材料)｡

主要设备:JA5003B型电子天平(仪田仪器);QL-N9型激光散射纳米粒度仪(群隆仪器);HTS-576型干燥箱(世测仪器);RS-WTM型多功能水质测定仪(建大仁科)｡

1.2试验方法

1.2.1黏土的预处理

本试验选用的黏土材料为偏高岭土｡对偏高岭土材料依次进行过筛､粉碎,然后,放入烘箱中,在恒温95℃条件下进行烘干处理,备用｡

1.2.2防渗漏材料的制备

以偏高岭土作为黏土材料,通过添加适量纤维素和植物胶,制备适用于水利工程的防渗漏材料｡在本试验中,选用的纤维素和植物胶分别是羟丙基甲基纤维素､田菁胶[7⁃8]｡该防渗漏材料的具体制备步骤如下:

(1)使用电子天平称量一定量预处理完成的黏土,并按照黏土总质量的百分比称量适量纤维素或植物胶;

(2)将黏土和纤维素(或植物胶)混合,将搅拌速率设置为300r/min,搅拌处理时间为1h,即可获得防渗漏材料;

(3)将防渗漏材料装入杯底有均匀小孔的塑料杯中,注意平铺,让塑料杯中的防渗漏材料平整且光滑,自然养护一定时间,即可作为防渗漏材料试样进行后续试验｡

1.3性能测试

1.3.1粒径分布

先使用干燥箱对制备的防渗漏材料进行干燥处理,然后进行研磨处理,获得约200目粒度的防渗漏材料粉末｡之后,再通过激光散射纳米粒度仪测试防渗漏材料,对各防渗漏材料的粒径分布情况进行分析｡

1.3.2防渗漏性能

在常温环境中,将一定量水装入含有防渗漏材料的带孔塑料杯中,每间隔一定时间就使用电子天平称量渗漏出来的水的质量｡根据称量数据计算该防渗漏材料的渗水率,具体公式[9]:

式中:M0为塑料杯中水初始质量,g;M1为容器质量,g;M2为当经过t时间时,容器和渗漏出的水的总质量,g｡

1.3.3储存水质分析

在不同的塑料桶中分别平铺HDPE土工膜以及试验制备的防渗漏材料,再分别倒入自来水2L｡然后,在一个底部未铺任何材料的空塑料桶中倒入2L自来水,作为空白水样,进行对比试验｡使用水质测定仪,对储存一定时间后各塑料桶中的水质变化情况进行测试,分析各材料的储存水质｡

2、结果与分析

2.1纤维素添加量优化

2.1.1粒径分布

为探究纤维素的添加对防渗漏材料的作用效果,试验对纯黏土材料和单独添加1.4%纤维素的防渗漏材料分别进行粒径分布测试,并分析各材料的平均粒径,具体见图1｡

图1粒径分布图

由图1可知,纯黏土材料的颗粒粒径主要分布在25μm左右｡添加1.5%纤维素的防渗漏材料粒径则主要分布在25~50μm｡根据图1中呈现的相关数据计算并分析可知,纯黏土材料的平均粒径为30.24μm,添加1.0%纤维素的防渗漏材料平均粒径则达到32.61μm｡这是因为,在防渗漏材料中,黏土材料可以和纤维素发生相互作用,出现团聚现象｡这在一定程度上可以增大防渗漏材料中颗粒的体积,从而使防渗漏材料中颗粒之间间隙减小｡因此,水分从防渗漏材料中经过的通道变窄､变少,从而起到阻碍水分经过､防渗漏的目的[10⁃11]｡综上,与纯黏土材料相比,在纯黏土材料中添加纤维素所制备的防渗漏材料平均粒径很大,有一定的防渗漏性能｡

2.1.2防渗漏性能

本试验以偏高岭土为黏土材料,以不同羟丙基甲基纤维素添加量制备防渗漏材料｡并对各防渗漏材料进行防渗漏性能测试,分析在900h时各防渗漏材料的渗水率情况,具体见图2｡

图2材料渗水率

由图2可知,与未添加任何纤维素的纯黏土材料相比,各添加有纤维素的防渗漏材料900h时的渗水率明显下降｡当未添加任何纤维素时,纯黏土材料的渗水率最大,达到45.68%｡从图2还可以看到,当纤维素添加量为0.2%和0.4%时,防渗漏材料的900h渗水率较小｡当在纯黏土材料中添加0.2%纤维素时,防渗漏材料防水率迅速降低到9.46%,降低幅度为79.29%｡当在纯黏土材料中添加0.4%纤维素时,防渗漏材料防水率也较低,为13.23%｡这与纯黏土材料相比,降低幅度达到71.04%｡当纤维素添加量达到0.6%及以上时,防渗漏材料在900h时的渗水率基本为0.00%,防渗漏性能较好｡这些试验现象的原理是,纯黏土材料颗粒之间存在较多的空隙,整体比较疏松｡因此,纯黏土材料中有较多的水分经过通道,所以,渗水率较大,防渗漏能力较弱｡当在纯黏土材料中添加适量纤维素时,纤维素材料可以与黏土材料相互作用,使防渗漏材料整体变得更加致密｡因此,在防渗漏材料基体中,各颗粒之间的粘附性更好,间隙减小｡所以,防渗漏材料中的孔洞､空隙等数量减小,水分经过的通道减少,材料拥有阻碍水分经过的能力,具备一定防渗漏能力[12⁃14]｡总之,当纤维素添加量在0.6%及以上时,防渗漏材料的防渗漏效果较好｡综上,在防渗漏材料中,纤维素添加量应为0.8%｡

2.2植物胶添加量优化

2.2.1粒径分布

试验以田菁胶作为植物胶,研究纯黏土材料和添加0.4%植物胶的防渗漏材料粒径分布情况,并分析各材料的平均粒径,具体见图3｡

图3粒径分布图

由图3可知,纯黏土材料和添加0.4%植物胶的防渗漏材料粒径均主要分布在25μm左右｡其中,在25~100μm,添加0.4%植物胶的防渗漏材料粒径累计分布明显多余纯黏土材料｡基于图3中相关数据,计算并分析得到纯黏土材料的平均粒径为30.24μm,添加0.4%植物胶的防渗漏材料平均粒径则高达33.15μm｡这种变化与在防渗漏材料中添加纤维素时相比,差别不大｡当在防渗漏材料中添加适量植物胶时,植物胶可以和纤维素发生相互作用,产生团聚,从而使防渗漏材料中的颗粒粒径增大｡因此,防渗漏材料中颗粒之间间隙减小,水分经过的通道被阻碍[15⁃16]｡所以,材料防渗漏性能提高｡综上,在防渗漏材料中添加植物胶,可以增大其粒径,增强其防渗漏的能力｡

2.2.2防渗漏性能

为了探究在防渗漏材料中植物胶添加量的作用效果,试验以不同植物胶添加量制备防渗漏材料,进行900h的防渗漏试验,测试结果见图4｡

图4材料渗水率

由图4可知,随着防渗漏材料中植物胶添加量的增多,渗水率基本呈现不断减小的趋势｡当未添加任何植物胶材料时,纯黏土材料在900h时的渗水率最大,达到45.68%｡当添加0.2%植物胶时,防渗漏材料渗水率迅速较低,为11.25%｡当防渗漏材料中植物胶添加量为0.8%时,渗水率减小到3.51%｡可以看到,当防渗漏材料中的植物胶添加量达到1.0%时,渗水率基本为0.00%,防渗漏效果较好｡这些变化说明,植物胶的添加,可以显著提高防渗漏材料的防渗漏能力｡并且,这种提升效果随着植物胶添加量的增多更加明显｡这些现象都是由于添加植物胶使防渗漏材料粒径增大引起的[17⁃18]｡总之,在试验中,当添加植物胶1.0%时,防渗漏材料的防渗漏能力较佳｡

2.3储存水质分析

试验分别以0.6%纤维素添加量和1.0%植物胶添加量制备不同的防渗漏材料,并与市售HDPE土工膜､空白水样进行对比试验,研究储存30d时的水质情况｡具体测试结果见表1｡

表1储存水质测定结果

由表1可知,在储存水质的酸碱性方面,各防渗漏材料和空白水样的pH值基本无较大差别｡在存储水质的CODMn方面,0.6%纤维素防渗漏材料和空白水样相差不大,1.0%植物胶防渗漏材料低于空白水样｡而HDPE土工膜的CODMn则达到15.064mg/L｡这不符合GB5749—2006中生活饮用水的相关标准要求[19⁃20]｡另外,在储存水质的氨氮含量方面,0.6%纤维素防渗漏材料和1.0%植物胶防渗漏材料储存水质的氨氮含量均低于空白水样,而HDPE土工膜的储存水质氨氮含量则较高,不能满足相关要求｡并且,在浑浊度方面,0.6%纤维素防渗漏材料和1.0%植物胶防渗漏材料储存水质的浑浊度均能达到相关标准要求｡而HDPE土工膜的储存水质浑浊度则较高｡总之,试验制备的0.6%纤维素防渗漏材料和1.0%植物胶防渗漏材料有着较好的防渗漏能力,且对存储水质的作用效果较小,水质情况较好,可以符合相关标准要求｡

3、结语

(1)纤维素和植物胶的添加均可以增大防渗漏材料粒径,提高其防渗漏性能｡纯黏土材料､纤维素/黏土防渗漏材料和植物胶/黏土防渗漏材料的平均粒径分别是30.24､32.61和33.15μm;

(2)纤维素最佳添加量应为0.6%及以上,而植物胶最佳添加量为1.0%｡此时,各防渗漏材料在900h时的渗水率基本为0.00%,防渗漏性能较好;

(3)0.6%纤维素防渗漏材料和1.0%植物胶防渗漏材料对储存水质不会产生较大影响,30d储存水质情况较好｡

参考文献:

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[2]李军传.碾压混凝土重力坝的4种防渗结构设计与渗流分析[J].粘接,2023,50(8):95⁃98.

[3]祁诣恒,周煜程,崔晓远.水闸下游护坡坡顶防渗材料性能研究[J].工程技术研究,2023,8(14):108⁃110.

[4]周荣.响水河水库堆石坝不同垫层材料对防渗膜性能影响试验研究[J].水利技术监督,2023(4):186⁃188,232.

[5]董洋,张文,李大伟,等.柔性垂直防渗技术膨润土⁃黏土密封材料防渗性能研究[J].环境工程技术学报,2022,12(3):824⁃833.

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