PBFC防渗浆材的抗渗性能

1）试验方案

采取正交试验及单因素变量的试验方案，对PBFC防渗浆材的抗渗性能及其影响因素进行准确分析。所确定的PBFC防渗浆材的正交试验因素与水平、试验数据分别见表5.1、表5.2。

表5.1　PBFC防渗浆材的抗渗试验因素与水平

表5.2　PBFC防渗浆材的抗渗试验正交试验表

在以上正交试验配比中，碳酸钠掺量为2 g/L、粉煤灰掺量为180 g/L、水掺量为800 g/L。正交试验采用变水头渗透试验法测防渗浆材固结体养护7 d和28 d渗透系数。

由于碳酸钠与聚乙烯醇在溶液状态下会发生交联反应，过量的碳酸钠会使聚乙烯醇溶液凝胶化，产生白色絮状物，改变聚乙烯醇对膨润土的改性作用，实验得出碳酸钠和聚乙烯醇以1∶1比例添加为最佳。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、800 g/L水为基准配比配制防渗浆材，分别改变水泥、膨润土及PVA（碳酸钠）掺量，采用全自动三轴渗透系统测试不同配比防渗浆材的不同龄期抗压强度及28 d抗剪强度，试验配比见表5.3。

表5.3　PBFC防渗浆材的单因素试验配比

2）正交试验结果分析

按照试验方案，对正交试验表中的不同配比防渗浆材固结体的7 d和28 d渗透系数进行测试，试验结果见表5.4。采用方差分析法，其分析结果见表5.5。

表5.4　防渗浆材渗透正交实验结果

表5.5　28 d渗透系数方差分析

F0.10（2，2）=9.0，F0.05（2，2）=19.0，F0.01（2，2）=99.0。分析表5.5，从F的检验结果表明，水泥和PVA浆材渗透系数的影响不显著，而膨润土对渗透系数的影响是显著的。膨润土是影响渗透系数的主要因素，而水泥和PVA是影响渗透系数的次要因素。

采用极差分析法对浆材渗透系数实验结果进行分析，其分析结果分别见表5.6、表5.7。

表5.6　防渗浆材养护7 d后渗透系数结果分析

表5.7　防渗浆材养护28 d后渗透系数测试结果分析

分析表5.6和表5.7中的数据可知，防渗浆材的渗透系数随水泥掺量的增加而呈现出减小的趋势；随聚乙烯醇掺量的增加而呈现增大趋势。当防渗浆材试样养护时间为7 d时，防渗浆材固结体渗透系数随碳酸钠掺量的增加呈现增大的趋势，各因素对渗透系数影响的主次顺序为：膨润土＞水泥掺量＞PVA＞碳酸钠；当防渗浆材试样养护时间为28 d时，防渗浆材固结体渗透系数随碳酸钠掺量的增加呈现减小的趋势，各因素对渗透系数影响的主次顺序为：PVA＞膨润土＞碳酸钠＞水泥。

3）不同配比的防渗浆材渗透性能试验影响分析

（1）水泥和膨润土对防渗浆材渗透性能的影响

按照实验方案，对不同水泥掺量的PBFC防渗浆材及其不同龄期试块进行渗透系数测试，试验结果见表5.8和表5.9。

表5.8　不同水泥掺量的防渗浆材配比的渗透系数测试结果(www.xing528.com)

表5.9　不同膨润土掺量的防渗浆材配比的渗透系数测试结果

以表5.8、表5.9的实验数据为基础，分别绘制出水泥掺量-渗透系数曲线关系，如图5.1所示；膨润土掺量-渗透系数曲线关系，如图5.2所示。分析可知，随着水泥和膨润土含量的增加，浆材渗透系数呈下降趋势。由徐超等人研究可知，材料的渗透性与临界孔径、临界孔径与材料中的孔连通度和渗透路径的曲折性有关，这是渗透性的本质。在防渗浆材养护过程中，水泥会产生水化并生成凝胶材料，凝胶材料在膨润土颗粒间起胶结和填充作用，水泥掺量越大，生成的凝胶材料就越多，填充作用越显著，防渗浆材的临界孔径越小，渗透系数随之减小。随着膨润土掺量的增加，由于膨润土的膨胀性，使得防渗浆体固结体中的大孔隙减小，微孔隙增多，防渗浆临界孔径进一步减小，连通的孔隙数量也会减小，防渗浆材的渗透系数随之降低。

图5.1　水泥掺量-渗透系数曲线关系

图5.2　膨润土掺量-渗透系数曲线关系

（2）碳酸钠和PVA对防渗浆材渗透性能的影响

按照实验方案，对不同碳酸钠和PVA掺量的PBFC防渗浆材及不同养护龄期试样测试渗透系数，试验结果见表5.10和图5.3所示。

表5.10　不同碳酸钠和PVA掺量的防渗浆材渗透系数测试结果

图5.3　PVA（碳酸钠）掺量-渗透系数曲线关系

由图5.3可知，防渗浆材固结体的渗透系数随PVA和碳酸钠醇掺量的增加而增大。为深入研究PVA和碳酸钠对防渗浆材渗透性的影响，取C1，C2和C3三组样品养护28 d试件进行烘干、破碎、取样，进行扫描电镜测试，获得三组试样的SEM图（放大500倍），如图5.4至图5.6所示。从图5.4可以看出，C1试样内部晶体颗粒紧密，结构致密性较好，大孔隙较少，浆材内部的临界孔径较小，浆材抗渗性较好，而随着碳酸钠和聚乙烯醇比例的增加，从图5.5和图5.6可以看出，C2，C3试样内部晶体颗粒较为分散，结构致密性较差，内部大孔隙数量增多，临界孔径增大，浆材的抗渗性较差。

图5.4　C1试样28 d的SEM图

在碳酸钠和聚乙烯醇比例较小时，盐浓度较低，膨润土吸水膨胀后使浆材内部结构致密，浆材的渗透性较小；在碳酸钠和聚乙烯醇掺量增大时，膨润土的吸水膨胀性增强，晶层结构空间增大，浆材结构内部小孔径数量会较多，防渗浆材内部连通路径数量大大增加，使得防渗浆材的临界孔径增大，导致防渗浆材渗透系数增大。

图5.5　C2试样28 d的SEM图

图5.6　C3试样28 d的SEM图

4）养护时间对防渗浆材渗透性的影响

为研究养护时间对防渗浆材渗透系数的影响，选取A组配比进行不同养护时间的渗透系数测试。不同养护时间条件下防渗浆材固结体渗透系数的变化趋势，如图5.7所示；不同养护时间的防渗浆材的SEM图（A1试样），如图5.8所示。

图5.7　养护时间-渗透系数曲线关系

图5.8　不同养护时间的防渗浆材的SEM图（A1试样）

分析得知，随着养护时间的增长，防渗浆材固结体的渗透系数减小。随着时间增长，浆材中水泥水化和粉煤灰的火山灰反应逐步进行。火山灰反应的产物主要是水合硅酸钙（CSH）和水和铝酸钙（CASH），它们沉积在聚集的黏土颗粒上，从而减少了孔隙尺寸，降低了防渗浆材的临界孔径。此外，膨润土吸水膨胀后可以填充浆料内部的孔隙，进一步降低渗透系数。防渗浆材固结体在养护28 d后的渗透系数基本达到了稳定值。