新技术防渗材料的实验研究

参照前述的PBFC防渗浆材实验研究成果，以羧甲基纤维素钠（简称“Na-CMC”）为改性剂（替代聚乙烯醇）对膨润土进行改性处理，配制出以羧甲基纤维素钠改性的膨润、粉煤灰、水泥为主要成分的一种新型防渗浆材（简称“NBFC浆材”），NBFC浆材抗渗能力与PBFC防渗浆材基本相同，优于现有各类BFC浆材，但其经济成本比PBFC防渗浆材要低，具有更加广阔的应用前景。

1）试验方案

根据前述浆材实验方法，为研究浆材中各组分对浆材固结体无侧限抗压强度在不同养护周期时的影响，结合前期已取得的实验成果对浆材性能影响较大的组分进行正交试验：水泥的掺量取190～220 g/L，膨润土的掺量取190～220 g/L，羧甲基纤维素钠的掺量取0.5～2.0 g/L，碳酸钠的掺量取1.0～2.5 g/L，其余组分对实验影响较小，取固定值：粉煤灰的掺量为160 g/L，减水剂的掺量为3 g/L，采用L16（44）四因素、四水平正交试验法优选浆材配比组合。正交实验结果见表2.17。

表2.17　浆材无侧限抗压强度正交试验表

续表

2）无侧限抗压强度试验数据分析

（1）无侧限抗压强度的极差分析

为了解浆材固结体的无侧限抗压强度随着各组分掺量变化的规律，对表2.17中正交试验数据进行极差分析，得出各组分优水平并对浆材固结体无侧限抗压强度的影响规律。浆材固结体14 d，28 d无侧限抗压强度极差分析见表2.18、表2.19。

表2.18　试样14 d天无侧限抗压强度极差分析

为了更直观地表现浆材固结体无侧限抗压强度与各组分掺量之间的关系，接下来根据极差分析表中数据绘制的各组分在不同时期对浆材固结体无侧限抗压强度的影响曲线如图2.43所示。

表2.19　试样28 d无侧限抗压强度极差分析

由表2.18、表2.19及图2.43分析可知，浆材固结体的无侧限抗压强度在前期随膨润土掺量的增加而增加，但在后期膨润土掺量的增加却会影响浆材固结体的凝结强度，为了获取较佳的浆材前期强度，膨润土掺量选择为200～210 g/L。浆材各组分的掺量控制在以下范围内：水泥210～220 g/L，膨润200～210 g/L，碳酸钠1.5～2.5 g/L，羧甲基纤维素钠1.5～2.0 g/L，浆材具有较适宜的强度。

浆材的无侧限抗压强度在14 d龄期时平均值为0.364 MPa，到达28 d龄期时平均值为0.582 MPa。这是因为浆材的无侧限抗压强度在14 d龄期内主要受膨润土掺量的影响；而到达28 d龄期后，水泥成为影响浆材无侧限抗压强度的主要因素。在14 d龄期内浆材的无侧限抗压强度随着各因素掺量的增加而增大，此时各组分对浆材无侧限抗压强度的影响由大到小排序为：膨润土、水泥、碳酸钠、羧甲基纤维素钠；而到达28 d龄期时，浆材的无侧限抗压强度随膨润土掺量的增加而减小，随着水泥、碳酸钠及羧甲基纤维素钠掺量的增加而增加，此时各组分对浆材无侧限抗压强度的影响由大到小排序为：水泥、膨润土、羧甲基纤维素钠、碳酸钠。因此，水泥取代膨润土成为影响浆材无侧限抗压强度的主要因素。

碳酸钠和羧甲基纤维素钠作为膨润土的改性剂通过对膨润土进行改性影响膨润土的膨胀性，从而影响试样的整体无侧限抗压强度，具有不可忽视的作用。由于正交试验没有考虑其各因素之间的耦合作用，因此要进行因素影响分析需进一步分析各因素与浆材强度之间的关系。

图2.43　各组分对浆材固结体无侧限抗压强度的影响曲线

（2）各因素对浆材无侧限抗压强度的影响分析

分析水泥和膨润土掺量对试样无侧限抗压强度的影响。根据正交试验结果，以210 g/L水泥、200 g/L膨润土、1.5 g/L碳酸钠、1.5 g/L羧甲基纤维素钠，除水外其他材料掺量不变为基准配比，水泥掺量为190～230 g/L，膨润土掺量为180～220 g/L，分别测试不同水泥和膨润土掺量下浆材固结体的无侧限抗压强度，具体比例见表2.20。为了直观地了解浆材固结体的无侧限抗压强度与浆材各组分之间的规律，根据表2.20中的数据绘制不同掺量水泥对试样无侧限抗压强度影响曲线如图2.44所示，不同掺量膨润土对试样无侧限抗压强度影响曲线如图2.45所示。

表2.20　不同掺量水泥和膨润土对试样无侧限抗压强度的影响

续表

图2.44　水泥对试样无侧限抗压强度的影响曲线

图2.45　膨润土对试样无侧限抗压强度的影响曲线

由表2.20和图2.44、图2.45分析可知，试样的无侧限抗压强度在各时期随着水泥掺量的增加而增大，而在28 d养护周期和60 d养护周期时随着膨润土掺量的增加总体呈现减小的趋势。影响试样无侧限抗压强度的主要因素为水泥，水泥掺量从190 g/L增至230 g/L，试样60 d的无侧限抗压从0.625 MPa增至0.915 MPa，增加了0.29 MPa。膨润土掺量从180 g/L增至220 g/L，试样14 d的无侧限抗压强度呈增加趋势，但只增长了0.088 MPa，增长幅度较小，试样60 d的无侧限抗压强度曲线呈现先小幅增长后降低的趋势，曲线走势基本与正交实验相符。

分析碳酸钠和CMC-Na掺量对试样无侧限抗压强度的影响。碳酸钠作为膨润土的钠化剂，羧甲基纤维素钠为膨润土的改性剂，均通过对膨润土产生作用，改变膨润土的吸水性和膨胀系数从而对试样的无侧限抗压强度产生影响。根据正交试验结果，以210 g/L水泥、200 g/L膨润土、1.5 g/L碳酸钠、1.5 g/L羧甲基纤维素钠，除水外其他材料掺量不变为基准配比，控制碳酸钠掺量为1～3 g/L，羧甲基纤维素钠掺量为0.5～2.5 g/L，分别测试不同碳酸钠和羧甲基纤维素钠掺量下试样的无侧限抗压强度，具体比例见表2.21。

表2.21　不同掺量碳酸钠和羧甲基纤维素钠对试样无侧限抗压强度的影响

为了直观地了解浆材固结体的无侧限抗压强度与浆材各组分之间的规律，根据表2.21提供的实验数据，绘制的不同掺量碳酸钠对试样无侧限抗压强度影响曲线如图2.46所示，不同掺量羧甲基纤维素钠对试样无侧限抗压强度影响曲线如图2.47所示。

图2.46　碳酸钠对试样强度的影响曲线

图2.47　CMC-Na对试样强度的影响曲线

由以上研究得出，该试样养护至60 d时，碳酸钠的掺量由1 g/L增至2 g/L，试样的无侧限抗压强度提高了0.019 MPa，而从2 g/L增至3 g/L，试样无侧限抗压强度只提升0.003 MPa，强度几乎没有改变，14 d，28 d曲线规律与之类似。试样的无侧限抗压强度随CMC-Na的增加而逐渐增加，但增长幅度较小。

（3）浆材固结体强度SEM图片分析

为进一步探究NBFC防渗浆材固结体强度形成的原理，取两组样品养护60 d进行烘干、破碎和取样，采用扫描电镜实验得SEM图片，如图2.48所示。在固结体形成强度的过程中，主要是水泥在活性物介质-膨润土的围绕下进行的，水泥与水接触，发生水化反应，其熟料矿物的硅酸三钙、硅酸二钙水化生成不溶于水的水化硅酸钙，形成凝胶体，逐渐构成强度很高的空间网状结构；而铝酸三钙、铁铝酸四钙水化生成的水化铝酸钙与石膏反应，形成钙矾石填充空间网络结构。而粉煤灰中的硅铝玻璃球上部分Si-O，Al-O键也会与极性较强的OH-，Ca2+及剩余石膏反应，水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石，对结构进行增强。粉煤灰也具有微骨料填充效应，能够产生致密势能，减少固结体的孔隙比例，能有效提高固结体的密实性，对固结体整体强度具有显著作用。(www.xing528.com)

图2.48　NBFC防渗浆材试样养护60 d的SEM图片

3）渗透系数试验数据分析

（1）渗透系数的极差分析

为了解浆材固结体的渗透系数随着各组分掺量变化的规律，对表2.17中正交试验数据进行极差分析，寻求各组分的优水平并对影响浆材固结体渗透系数的各组分进行主次排序。浆材固结体14 d和28 d渗透系数极差分析见表2.22、表2.23。

表2.22　试样14 d渗透系数极差分析

续表

表2.23　试样28 d渗透系数极差分析

为了更直观地展现浆材固结体渗透系数与各组分掺量之间的关系，接下来根据极差分析表中数据绘制的各组分在不同时期对浆材固结体渗透系数的影响走势曲线如图2.49所示。

由表2.22、表2.23及图2.49分析可知，浆材固结体的渗透系数在各时期随着水泥、碳酸钠和羧甲基纤维素钠掺量的增加而减小；在14 d时浆材固结体的渗透系数随着膨润土掺量的增加呈现先降低后增加的趋势，存在极小值，说明膨润土的掺量存在一个最佳区间，为210～220 g/L，在28 d时随着膨润土掺量的增加，浆材固结体的渗透系数逐渐减小。14 d时各因素掺量对浆材固结体渗透系数的影响由大到小排序分别为：水泥、羧甲基纤维素钠、膨润土、碳酸钠；28 d时各因素掺量对浆材固结体渗透系数的影响由大到小排序分别为：膨润土、水泥、羧甲基纤维素钠、碳酸钠。在28 d时，膨润土取代水泥成为影响浆材固结体渗透系数的主要因素。

图2.49　各组分对浆材固结体渗透系数的影响曲线

为了获取较低的渗透系数，浆材各组分的掺量应控制在以下范围内：水泥210～220 g/L、膨润210～220 g/L、碳酸钠2.0～2.5 g/L、羧甲基纤维素钠1.5～2.0 g/L。

碳酸钠和羧甲基纤维素钠作为膨润土的改性剂通过对膨润土进行改性影响膨润土的膨胀性，从而影响试样的渗透系数，具有不可忽视的作用。同样由于正交试验没有考虑其各因素之间的耦合作用，需要进行因素影响分析来更进一步分析各因素与浆材渗透系数之间的关系。

（2）各因素对浆材渗透系数的影响分析

首先分析水泥和膨润土掺量对试样渗透系数的影响。根据正交试验结果，以210 g/L水泥、210 g/L膨润土、2.0 g/L碳酸钠、1.5 g/L羧甲基纤维素钠，除水外其他材料掺量不变为基准配比，控制水泥掺量为210～250 g/L，膨润土掺量为200～240 g/L，测试不同水泥和膨润土掺量下试样的渗透系数，具体比例见表2.24。

表2.24　不同水泥和膨润土掺量对试样渗透系数的影响

为了揭示浆材固结体的渗透系数与浆材各组分之间的规律，根据表2.24中数据绘制的不同掺量水泥对试样渗透系数的影响曲线，如图2.50所示，不同掺量膨润土对试样渗透系数的影响曲线，如图2.51所示。

图2.50　水泥对试样渗透系数的影响曲线

图2.51　膨润土对试样渗透系数的影响曲线

由上述分析可知，影响试样14 d凝期渗透系数的主要因素为水泥，水泥掺量从210 g/L增至250 g/L，试样的渗透系数从2.10×10-6 cm/s降到8.30×10-7 cm/s，降低了1.27×10-6cm/s。膨润土掺量从200 g/L增至240 g/L，试样的14 d渗透系数呈先减小后略微增大并趋于平缓的趋势，较之最低点减小了8.80×10-7cm/s，膨润土成为影响试样28 d渗透系数的主要因素，曲线呈现逐渐减小，并趋于平缓的趋势，曲线走势基本与正交实验相符。试样60 d时渗透系数曲线走势与28 d时基本一致，变化幅度较小，曲线趋于平缓。

分析碳酸钠和羧甲基纤维素钠掺量对试样渗透系数的影响。碳酸钠作为膨润土的钠化剂，羧甲基纤维素钠为膨润土的改性剂，均通过对膨润土进行作用，改变膨润土的吸水性和膨胀系数从而对试样的渗透系数产生影响。根据正交实验结果，以210 g/L水泥、210 g/L膨润土、2.0 g/L碳酸钠、1.5 g/L羧甲基纤维素钠，除水外其他材料掺量不变为基准配比，控制碳酸钠掺量为1～3 g/L，羧甲基纤维素钠掺量为0.5～2.5 g/L，分别测试不同碳酸钠和羧甲基纤维素钠掺量下试样的渗透系数，具体比例见表2.25。

表2.25　不同碳酸钠和羧甲基纤维素钠掺量对试样渗透系数的影响

同理，为了揭示浆材固结体的渗透系数与浆材各组分之间的规律，根据表2.25实验数据绘制的不同掺量碳酸钠对试样渗透系数的影响曲线如图2.52所示，不同掺量羧甲基纤维素钠对试样渗透系数的影响曲线如图2.53所示。

图2.52　碳酸钠对试样渗透系数的影响曲线

图2.53　羧甲基纤维素钠对试样渗透系数的影响曲线

由表2.25和图2.52、图2.53分析可知，试样在养护至14 d和28 d，碳酸钠掺量从1.0 g增至2.0 g时，试样的渗透系数有明显减小，随后从2.0 g增至3.0 g，试样的渗透系数曲线较为平缓，几乎无变化。在试样养护的各时期，随着羧甲基纤维素钠掺量的增加，试样的渗透系数均呈现逐渐减小的趋势，但后期减小的趋势越来越平缓，几乎无变化，并且在养护至60 d时，试样的渗透系数减小曲线较之于14 d和28 d时更加平缓，变化幅度较小，总体变化趋势与正交实验相符。

由此可知，碳酸钠的掺量从1.5 g/L增至2.0 g/L时，对浆材固结体的渗透系数影响最为明显，当碳酸钠的掺量过少时，会影响碳酸钠对膨润土的钠化作用。在碳酸钠的掺量达到2.0 g/L后，对膨润土的钠化作用已较为完全，因此，随后增加碳酸钠的掺量对浆材固结的渗透系数影响较小，曲线几乎不再变化。掺入羧甲基纤维素钠的浆材不仅对重金属离子等污染物具有更好的吸附阻滞作用，还会在浆材固结体的表面形成致密的薄膜，进一步降低浆材的渗透系数。

（3）浆材固结体渗透系数SEM图片分析

为进一步探究固结体强度形成的原理，取两组样品养护60 d进行烘干、破碎和取样，采用扫描电镜实验得SEM图片，如图2.54所示。固结体空间骨架结构形成的过程，主要是水泥在活性物介质-膨润土的围绕下进行的，水泥与水接触，发生水化反应，其熟料矿物的硅酸三钙、硅酸二钙水化生成不溶于水的水化硅酸钙，形成凝胶体，逐渐构成密实的空间网状结构；而铝酸三钙、铝酸四钙水化生成的水化铝酸钙与石膏反应，形成钙矾石填充空间网络结构。

图2.54　NBFC防渗浆材试样养护60 d的SEM图片