PBFC防渗浆材可灌性能研究

1）试验研究方案

通过对比试验确定PBFC防渗浆材的L9（34）正交实验因素与水平，优选出该防渗浆材的配方，实验数据见表3.1、表3.2。

表3.1　防渗浆材实验因素与水平

续表

表3.2　防渗浆材L9（34）正交试验安排及其试验结果

在正交试验的基础上，以190 g/L膨润土、180 g/L粉煤灰、200 g/L水泥、2 g/L碳酸钠、2 g/L聚乙烯醇，余之为水为基准配比配制防渗浆材，分别改变水泥和膨润土用量，测试不同配比防渗浆材的渗透系数，这3种试验配比见表3.3。

表3.3　PBFC防渗浆材的单因素试验配比

2）实验数据分析

按照试验方案，对正交试验表中的防渗浆材配比的流动度和可泵期进行测试，试验结果见表3.4。

表3.4　防渗浆材流动度和可泵期正交实验结果

在表3.4中，第9组配比的初始流动度为125 mm，小于流动度的最低要求140 mm，故没有可泵期，计算时按可泵期为0计算。由于第9组的可泵期为0，存在计算误差，故评价防渗浆材的各组分对防渗浆材的可灌性时引入流动度经时损失这一评价指标，在表3.4中，1～8组流动度经时损失采用式（3.1）计算可得，第9组配比的流动度经时损失实测值为15。

浆液流动度的经时损失计算式为：

式中　θ——浆液流动度的经时损失，mm/h；

F0——浆液的初始流动度，mm；

T——浆液的可泵期，h。

采用方差分析法对流动度正交试验结果进行分析，分析结果见表3.5。

表3.5　流动度正交试验分析

计算得：F0.10（2，2）=9.0，F0.05（2，2）=19.0，F0.01（2，2）=99.0。通过F的检验结果表明，水泥和膨润土对流动度的影响不显著，而碳酸钠对流动度的影响是显著的。碳酸钠是影响流动度的主要因素，而水泥和膨润土是影响流动度的次要因素。采用极差分析法对正交试验结果进行分析，分析结果见表3.6至表3.8。

表3.6　防渗浆材组分对浆材可泵期影响结果分析

通过采用极差分析法来分析不同配比的防渗浆材的可泵期、流动度和流动度经时损失可知，碳酸钠和PVA对PBFC防渗浆材的可灌性影响较大。在表3.6中，碳酸钠和PVA对可泵期的影响极差值分别为295 min和195 min，而水泥和膨润土对可泵期的影响极差值分别为85 min和40 min，相比较而言，碳酸钠和PVA作为改性剂和外掺剂，其掺量极小，但碳酸钠和PVA对可泵期的影响远大于水泥和膨润土，由于第9组配比的防渗浆材可泵期不能测出，使得分析结果与实际情况有所差别，分析存在一定误差，需要从其他指标进行深入分析。

表3.7　防渗浆材组分对浆材流动度影响结果分析

从流动度的角度来看，在表3.7中，水泥和膨润土对流动度的影响极差值分别为65 mm和5 mm，碳酸钠和PVA对流动度的影响极差值分别为235 mm和285 mm，故防渗浆材各组分对流动度的影响从大到小依次排列为：PVA＞碳酸钠＞水泥＞膨润土，其中，碳酸钠和PVA对流动度的影响远大于水泥和膨润土。

表3.8　防渗浆材组分对浆材流动度经时损失影响结果分析

从流动度经时损失的角度来看，在表3.8中，水泥、膨润土、碳酸钠和PVA对防渗浆材流动度经时损失的影响极差值分别为15，24，57和54 mm/h，与防渗浆材各组分对流动度经时损失的影响与对可泵期和流动度的影响具有相似性，碳酸钠和PVA对防渗浆材流动度经时损失的影响远大于水泥和膨润土。

从防渗浆材各组分对可泵期、流动度和流动度经时损失的影响分析结果可知，碳酸钠和PVA对防渗浆材可灌性的影响较大，而水泥和膨润土对防渗浆材可灌性的影响相对较小。将表3.5至表3.7的正交试验统计结果绘制成图，如图3.1至图3.3所示。

图3.1　防渗浆材成分对可泵期的影响

图3.2　防渗浆材成分对流动度的影响

图3.3　防渗浆材成分对流动度经时损失的影响(www.xing528.com)

结合表3.1和图3.1可知，随着碳酸钠掺量从1 g/L增至3 g/L，防渗浆材的可泵期从380 min减至85 min；随着PVA掺量从1 g/L增至3 g/L，防渗浆材的可泵期从75 min增至270 min；而随着水泥和膨润土掺量的增加，防渗浆材的可泵期增减趋势并不明显。

同样，结合表3.1和图3.2、图3.3可知，随着碳酸钠掺量的增加，防渗浆材的流动度和流动度经时损失也随之减小；随着PVA掺量的增加，防渗浆材的流动度和流动度经时损失也随之增大；而随着水泥和膨润土掺量的增加，防渗浆材的流动度和流动度经时损失增减趋势不明显。

从图3.1、图3.2分析结果可知，碳酸钠掺量增加会降低防渗浆材的可灌性，但防渗浆材的流动度经时损失也减小，说明碳酸钠的掺入会增强防渗浆材初期的流动度稳定性；而PVA掺量的增加会增强防渗浆材的可灌性，但防渗浆材的流动度经时损失也会增大，说明PVA的掺入会降低防渗浆材初期的流动度稳定性。而水泥和膨润土对防渗浆材的可灌性的影响效果不明显，需要进行下一步的试验分析。

从正交试验结果可知，为保证防渗浆材具有良好的可灌性和初期的流动度稳定性，碳酸钠和PVA掺量宜控制在一定范围内，碳酸钠掺量宜控制在1～2 g/L，PVA掺量宜控制在2～3 g/L。水泥和膨润土掺量的控制范围应进行更深入的试验来确定。

3）水泥和膨润土对防渗浆材可灌性的影响

为探究水泥和膨润土对防渗浆材可灌性的影响，在正交试验的基础上参考表3.3，进行单因素试验，试验结果见表3.9。试验发现当碳酸钠和PVA掺量均为2 g/L时，水泥和膨润土的掺量从180 g/L增至220 g/L，防渗浆材的初始流动度均大于140 mm，满足了施工对防渗浆材的流动度要求，且防渗浆材的可泵期均大于40 min，基本满足了施工现场对防渗浆材运输及浇筑的要求。

在表3.9的基础上，绘制水泥和膨润土掺量对防渗浆材可泵期和流动度的影响曲线，如图3.4至图3.7所示。从图3.4和图3.5可知，当水泥含量的增加，防渗浆材的可泵性和流动性有所降低，但随水泥含量从210 g/L增至220 g/L，防渗浆的可泵期和流动度表现出增加的趋势，这是水泥含量的增加和水灰比的降低，使水泥与水发生水化反应后自由水存量减少，水泥颗粒在水中不易分散。这将导致水泥胶团发生物理凝聚的概率大大增加，使流动度自然减小，但随着水泥用量进一步增加，水泥与水的水化反应不完全，自由水减少的速率减小，从而导致防渗浆材的可泵期和流动度呈现增加的趋势。随着水泥掺量的增加，初始流动度随之减小，达到可泵送的最低流动度的流动度损失也随之减小。同时，随着水泥含量的增加，水泥浆的物理摩擦阻力也会增加，流动度损失也会增加，因此，可泵期也会缩短。

表3.9　不同掺量水泥和膨润土的防渗浆材的可泵期和流动度

续表

图3.4　水泥掺量-可泵期影响曲线

图3.5　水泥掺量-流动度影响曲线

图3.6　膨润土掺量-可泵期影响曲线

图3.7　膨润土掺量-流动度影响曲线

对图3.4和图3.5中实测值曲线进行线性拟合可以得出如下公式：

从式（3.2）、式（3.3）可知，水泥对防渗浆材的可泵期和流动度的影响系数分别为3.05和0.85。从图3.6、图3.7可以看出，随着膨润土掺量的增加，浆材的可泵期和流动度呈下降趋势；随着用水量的增加，颗粒间的自由水分子减少，防渗泥浆的流动性相应降低；随着膨润土掺量的增加，初始流度减小，流度损失减小到可泵送的最低流度时间减少。同时，随着膨润土用量的增加，浆体的物理摩擦阻力增大，流动度损失也会随着时间的增加而增加，因此泵送周期也会减小。同样对图3.6和图3.7中的实测曲线进行线性拟合可得出如下公式：

由式（3.4）、式（3.5）可知，膨润土对防渗浆材的可泵期和流动度的影响系数分别为1.1和0.65。比较水泥和膨润土对防渗浆材的可泵期和流动度的影响系数可知，水泥对防渗浆材的可泵期和流动度的影响比膨润土影响大，即水泥对防渗浆材可灌性的影响比膨润土大。

4）碳酸钠和PVA对防渗浆材可灌性的影响

碳酸钠和聚乙烯醇（PVA）是以溶液的形式掺入膨润土中对膨润土进行钠化改型和改性处理，因而碳酸钠和PVA对防渗浆材的可灌性影响主要是碳酸钠和PVA对膨润土的影响，从而影响了防渗浆材的可灌性。膨润土一般以蒙脱石为主要成分，由于蒙脱石晶体结构由硅氧四面体、铝氧八面体组成，其层间阳离子与结构单元层之间的作用力较弱，这使得膨润土的结构单元层之间距离容易扩大，膨润土的被表面积增大，其吸附能力更强。

碳酸钠改性膨润土的原理主要是基于膨润土的阳离子交换特性。以钙基膨润土为原料制备钠基膨润土，其反应过程为钠离子与可交换钙离子在蒙脱土中的离子交换反应。反应公式如下：

由于Ca2+的交换能力大于Na+，所以反应的平衡向右。为了使反应平衡向左，可增加钠离子的浓度或降低钙离子的浓度。一般情况下钠化很难完全反应，因为钙基膨润土以叠加几何形式悬浮在水中，钙基膨润土与碳酸钠的反应仅发生在膨润土颗粒的表层，且钙离子水化作用容易在膨润土表面形成一层隔膜，从而影响钠化反应进行。

与钙基膨润土相比，钠基膨润土具有吸水慢、吸水率高、膨胀率高等特点。随着碳酸钠含量的增加，钠基膨润土溶液中钠离子浓度增加。反应式（3.6）的平衡向右，即膨润土中有更多的膨润土是钠基膨润土，在制备防渗浆材时膨润土会吸收更多的用水，使得防渗浆材中的自由水的量减小，从而导致防渗浆材的流动度和可泵期减少，即防渗浆材的可灌性降低。

采用聚乙烯醇改性膨润土的原理是通过离子交换与膨润土中的Ca2+和Na+进行离子交换，将有机组分引入膨润土中。改性膨润土由亲水性变为疏水性。另一方面，由于聚乙烯醇中的羟基取代了膨润土层间的可交换阳离子和结合水，因此有机复合膨润土是由共价键和范德华力形成的，从而大大增强了膨润土去除有机物的能力。取一定量的膨润土，然后向膨润土中加入PVA溶液，可以发现膨润土分散悬浮在PVA溶液中，并不呈现吸水膨胀性。为研究碳酸钠和PVA对膨润土的影响，对未掺入碳酸钠和PVA的膨润土（原状膨润土）与已掺入碳酸钠和PVA的膨润土进行电镜扫描。电镜图如图3.8和图3.9所示。

比较图3.8与图3.9可以看出，在掺入了碳酸钠和PVA后，膨润土的颗粒更大，晶层结构空间相较更大，这是由于在掺入碳酸钠后，膨润土的吸水性得到增强，土颗粒在吸水后呈现膨胀特性，且在掺入PVA后，由于离子交换作用，PVA分子与膨润土中的Ca2+与Na+等发生离子交换作用，从而将有机成分引入膨润土中，PVA分子进入膨润土的晶层空间，导致膨润土的晶层空间增大。

图3.8　未掺入碳酸钠和PVA的膨润土

图3.9　已掺入碳酸钠和PVA的膨润土

从微观结构可以看出，一方面，碳酸钠和PVA对膨润土的微观结构的影响较大，这决定了防渗浆材的流动度和可泵期，即防渗浆材的可灌性；另一方面，由于有机高分子材料易在强碱环境下产生絮凝，碳酸钠和PVA还会对防渗浆材的可灌性产生耦合作用。