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转载膨润土研究专家对防水毯(GCL)的文章
更新时间:2009-7-28
  

为何必须用天然钠基而不允许用人工钠化膨润土制造防水毯及辅助制品

                     

                    鞠建英

           

            北京市政工程设计研究总院 (北京 100082)

  

   摘要:本文以工程防水失败的实例,阐述地下防水工程必须用天然钠基膨润土而不允许用人工钠化膨润土的理由,并提供了区分天然钠基膨润土和人工钠化膨润土的方法,同时也找出了我国富有丰富天然钠基膨润土的实证。

  关键词天然钠基膨润土  人工钠化膨润土 膨润土防水毯  止水条    止水颗粒

    

1. 前言

    

    据《法制晚报》报道,奥林匹克公园中心区的龙形水系,因水位下降每天补水18万吨。而了解内情者都认为水位下降除自然蒸发外,最主要、最关键的原因是修建时全部采用人工钠化膨润土防水毯而不是天然钠基膨润土防水毯作防渗层,而人工钠化膨润土在修建时检验合格(按JG/T193-2006钠基膨润土防水毯,过半年,最多三年即失效。另据了解内情者称,阿苏卫等垃圾填埋场因修建时也用了人工钠化膨润土防渗,结果很快就渗漏了,严重污染了周围环境,特别是地下水,而花费了原造价10倍多的代价进行修复,现在修覆盖层时仍采用人工钠化膨润土毯防渗,其危害很快又会到来。

    从建设部发布的信息中得知,2008年11月1日开始实施的DB11/581-2008《轨道交通地下工程防水技术规程》中已规定必须使用天然钠基膨润土防水材料,将会促使行标JG/T-193-2006《钠基膨润土防水毯》中人工钠化膨润土相关条款删除,同时会促使相关国标的加紧制订。据了解国标委正在组织将DB11/581-2008上升为国标;正在组织编订《天然钠基膨润土防水毯》国标这起因于以下情况:

    世界卫生组织指出目前只有1%的人口生活在纯淡水的环境之中,我国的情况,尤其是大中城市的情况更为严重。目前我国每年都在建设投资数以万亿元计的大批经济、环保、国防等基建工程。这些工程都要用到防渗材料以解决防水、防污染等问题。特别是主体掩埋地下的地铁、隧道、水设施、垃圾填埋场、污水处理设施、人防和军事工程等项目建设,对防水、防污染物迁移的功能材料的需求巨大,要求十分严格。这些项目大多属生命线工程,一旦防渗材料出问题,直接导致建筑功能丧失,还常同时伴生污染等严重问题,造成重大经济损失和社会危害。如要修复,通常要付出原投资510倍的代价。

    目前我国很多工程使用了不合格的防渗材料,有不少惨痛的教训,更可怕的是还有更多的工程的问题还没有暴露出来,为今后的发展和国家安全埋下了可怕的隐患。

    目前国内外防渗材料有上千种,生产厂家大小有上万个,但真正优质耐久耐老化的防渗材料为数不多。只有天然钠基膨润土,才是国内外公认最好的防渗防污材料。

    迄今已探明的天然钠基膨润土的矿藏储量较多,开采成本高。目前开采的膨润土矿大多属于经风化、蚀变的钙基膨润土,它位于矿的表层或浅层大多是露天开采,代价很低,市场容易购到。这种钙基膨润土的水密性和稳定性很低,不适合制成较薄的毯等制品直接用于防水防渗,除非直接铺几十厘米的防渗层。目前市场上所谓的“钠基膨润土”大多是在这种钙基膨润土中直接加碱,经陈化法,挤压法或悬浮法制成的。有的甚至只是在钙基膨润土中加点碱面就算钠化了,或加点碱面后堆放几天就算陈化了。最复杂的,也只是经过多道或多辊挤压而成。这些加工工艺都无法使碱中的钠离子进入膨润土晶格结构中,最多只附着在表面,经短时间风化或随水流失,重新又变回原来的钙基膨润土,根本无法持久防水防渗。这种人工钠化膨润土根本不能替代天然钠基膨润土。原因是钙基膨润土加进行人工钠化后,会使膨润土含钠量太高,Na离子会压缩双电子层,造成胶体性能受损,水透过来,膨润土防渗层失效。人工钠化膨润土是活性土,根本不是钠基膨润土,在JG/T-193-2006中将人工钠化膨润土与天然钠基膨润土并列是一个极大错误。国标GB50108-2008在编制说明中又提人工钠化土也是很不适当的。而条文中所提的“不应采用钙基膨润土”属无的放矢。因为市场上没有用钙基膨润土防水毯,正确的是“应采用天然钠基膨润土,不应采用人工钠化膨润土”,这应在重印时改正。

    有些厂家为降低产品成本,实现低价中标,在膨润土防水产品中大量使用人工钠化膨润土,有的只在人工钠化膨润土中掺20%左右的天然钠基膨润土,也谎称为天然钠基膨润土。为的是能在送检时按JG/T-193-2006过关,厂家为过关,拼命在送检样上喷碱水,按JG/T-193-2006检测肯定都能合格,结果能不漏吗?

   

    2  膨润土防水材料为什么必须用天然钠基膨润土,而绝不允许用人工钠化膨润土?

    

    2.1 膨润土的矿物学名称叫蒙脱石,属天然纳米材料,万用粘土,是亿万年前火山喷发后火山灰经过高温高压形成的。其深部的天然钠基膨润土具有高度稳定的水密性、保水性、粘结性、耐久性和自我修复能力,做成的膨润土防水毯能在遇水后形成密实不透水的凝胶,其包装的纤维能与主体混凝土结构形成机械结合力,使混凝土、防水层与岩土形成整体,共同抵御各种外力和环境影响。因此,天然钠基膨润土是国内外公认的环保型永久防水材料。而人工钠化膨润土(也有人称其为人工钠基膨润土)则是由处于矿山表浅层受到亿万年风蚀风化的钙基膨润土经人工加碱(Na2CO3)制成,密实性、耐久性很差,遇水能比原体积膨胀很多倍,但寿命很短,很易随水流失,用其做防水材料,会使混凝土主体结构和岩土之间形成孔隙、漏水通道。不可能产生共同作用,使结构防渗能力和抵御外力的能力大大降低。

膨润土是天然的纳米级无机防水材料,因其独有的特性与现有的防水概念不同的许多特征,其优点是:

2.1.1自保水性(Self-Sealing).膨润土因其独有的膨胀力,具有渗透到防水施工就结束后所必然发生的裂纹(≤2mm)内部的能力,和其他防水方法对施工结束后发生的缺陷无能为力相比,能持久发挥其防水性能。

   2.1.2能永久的发挥其防水性能。膨润土因为是天然无机矿物,时间的变化和周边物质的影响对其化学性质的影响小,并不会发生老化和腐蚀现象,因此可以永久地保持其防水防污能力。

   2.1.3施工简单,工期短。只用钉子和垫圈或胶粘就可以施工,施工相对比较简单,和其他防水法相比工期比较短。在防水施工工期上,和沥青防水相比,大约缩短2~3倍的工期。

   2.1.4对人体无害。因施工的简便性和材料的特性,在施工时对人体没有影响。特别是没有加热和粘贴等作业,减少了施工事故的发生。

   2.1.5容易检测和确认。防水施工结束后的检测和确认较容易,可以立即检查出施工不足的地方或者施工上有问题的地方,以及防水材料的损伤等,修补很容易,可以减少防水施工中可能发生的失误。

   2.2 作为膨润土防水毯的辅料,如膨润土止水颗粒,止水条等,也必须用天然钠基膨润土制作。因为这些辅料一般都用于防水毯的转角、接缝、施工缝、穿墙管及桩、柱与底板的交接处,是必然漏水的薄弱环节,辅助材料是起加强作用的,如用人工钠化膨润土做辅助材料,则起的是减弱作用,会扩大渗水路径。

  2.3 单位面积膨润土质量为什么必须≥5kg?

因为膨润土防水毯中起防水防渗作用的是膨润土遇水后所形成的不透水凝胶(膨润土属天然钠米材料,其凝胶粒子之间的孔隙远小于水分子的直径),而无纺布和机织布仅起包装成形作用,有的覆高密聚乙烯薄膜,只在初期起临时挡水作用,防止膨润土提前水化(天然钠基膨润土的水化时间是100h,钙基膨润土仅为24h,最多48h,而人工钠化膨润土仅为几小时),膜在浇主体钢筋混凝土结构后反而影响其与岩土(或初期支护结构及岩土)的共同作用,膜膜很薄,施工过程中很难避免被刺破,加之主体结构混凝土本身的干缩作用,使膜与混凝土之间不可能密贴,会形成漏水通道,会减弱抵御外力的能力。

2.4 天然钠基膨润土的膨胀指数为什么只能≥15~18ml/2g,而不能≥24ml/2g?

因为国内外可用与防水防渗的天然钠基膨润土大多处于80~100m深以下的矿山下层(我国许多膨润土矿80~100m深以下都有大量的天然钠基膨润土矿藏,有的有几十米厚的优质矿层),其综合矿样的膨胀指数大多只有1518ml/2g,比这高的仅是个别矿层和矿点,再通过耗能耗水费时地提纯,也可以达到≥24ml/2g,甚至更高,对于防水防渗和应对混凝土的干缩,15~18ml/2g也足够了。美国和韩国等防渗膨润土的膨胀指数也规定是≥15~16ml/2g。膨胀指数≥24ml/2g是德国一些对膨润土缺乏研究的人误传到我国的。北神树、安定垃圾填埋场等一大批工程按此指标要求,用的也是人工钠化膨润土,建后不久都出现了渗漏问题。而行标JG/T193-2006按这一误传,规定的膨胀指数≥24ml/2g,只有人工钠化膨润土很容易达到和超过,天然钠基膨润土要达标就必须提纯或设法加膨胀剂(对长远的耐久性不利)。人工钠化膨润土想达到更高的膨胀指数只要稍多加碱,这会使混凝土和岩土之间形成较大孔隙,即形成较大漏水通道,防水失败是必然的。而修补的代价是原造价的510倍,国内外均有先例,谁买单?当然是政府,甲方(中国现时。中国实行责任制、索赔制只是时间问题;也包括不懂、不负责的所谓专家乱鉴定、乱评估、乱签字)。

2.5 吸蓝量为什么最好≥30g/100g?

因为膨润土的蒙脱石含量代表膨润土的纯度,蒙脱石的含量是通过测定膨润土吸收亚甲基蓝量来换算的,根据地质部门经验,换算系数大致为0.440.48.即蒙脱石含量M=(B/K)×100%,如取k=0.46,则(30÷0.46)×100%≈ 65%。蒙脱石含量65%说明膨润土中有35%是杂质(成矿过程中混进去的其他物质)。蒙脱石遇水形成不透水凝胶;凝胶中杂质多了,自然会影响其防水防渗能力。实践证明,蒙脱石含量≥65%安全系数并不高。因此,蒙脱石含量达不到65%,最好进行提纯处理。有些国家在防渗材料中并未规定蒙脱石含量是因为这不是天然钠基膨润土(地质矿物学中所称的钠基膨润土)独有的指标。许多钙基膨润土的蒙脱石含量也很高,但膨胀指数低,耐久性差,人工钠化后膨胀指数高,耐久性更差。

2.6渗透系数应≤10-7~10-9cm/s(10-9~10-11m/s)。一般防水材料的孔隙比水分子直径小即可防水,地下水位较浅,且有动水压力、动荷载作用时,防水材料的孔隙应更小,才能防水防渗防污,能做到10-9cm/s,地下水位小于70m深就能做到滴水不漏。一般渗透系数视地下构筑物处于地下水位以下的深度而定。目前的检测设备10-8cm/s就很难检测到水了。

   2.7膨润土防水毯中的机织布和无纺布,主要的功能类似包装材料,其强度不需太高。因此只要毯之间的搭接长度达到15~30cm时,对一般不均匀沉降有适应能力。

  3. 如何区分是天然钠基膨润土还是人工钠化(90%的膨润防水毯厂家错误地称钠基)膨润土?

   

    由于天然钠基膨润土主要组成矿物蒙脱石层间的钠离子在漫长的地质年代中自然固定在晶层之中,水化钠离子是造成蒙脱石具有膨胀性和凝胶性性能的关键;而人工钠化膨润土用添加纯碱的方式强行置换,这样进入蒙脱石层间的钠离子不是牢固或仅停留在表面的,同时被碱(碳酸钠)置换出来存在于膨润土中形成的碳酸钙也是具有活性的,在一定条件下(如有水、CO2存在或PH<7.8),这些电荷量大的钙离子又会逐渐进入蒙脱石层间,赶出钠离子,使钠化失效,再次恢复钙基膨润土,则膨胀和胶体性能就大幅回落。

    人工钠化膨润土在加碱钠化后,其使用的领域如铸造型砂粘结剂、冶金球团粘结剂、钻井泥浆等是完全适用的,因所要求的时效很短。但近年来随着土木、水利、建筑防渗漏防水工程的大量涌现,需要性能稳定、耐久性好的天然钠基膨润土日趋紧迫。而人工钠化膨润土由于稳定性差用其生产的防水材料,虽在出厂时能列为达标产品,但一年后钠化失效,防渗功能大幅下降,故会在一些垃圾填埋场、景观水体、地铁、地下工程造成事故或留下可怕隐患。

    无数工程实践证明:用碱简单人工钠化的膨润土,无法控制钙离子返回蒙脱石层间,因此此类人工钠化膨润土,性能不稳定,耐用性差,是不能制作防水毯的。故在《钠基膨润土防水毯》行业标准中列入人工钠化膨润土是错误的。

    膨润土防水毯及其辅助防水制品不是一次性商品,其耐久性和稳定性是其质量的关键。但这份标准中的“物理力学性能指标”(如膨胀指数等)的测试方法,体现不出它的耐久性和稳定性。为此可能出现在出厂时送检时皆为合格的产品,但在与地下水接触一年(最短半年)后,此防水毯膨胀指数和渗透系数皆不能达标的情况。使用单位可用下列“区分人工钠化膨润土和天然钠基膨润土的试验方法”来加以鉴别。严防人工钠化膨润土制品冒充天然钠基膨润土制品进入防渗工程的工地。

   方法一 将膨润土试样用蒸馏水进行不少于4次的漂洗,直至水溶液PH中性。然后测定漂洗前后试样的膨胀指数,凡天然钠基膨润土漂后膨胀指数前膨胀指数之比>80%,而人工钠化土则<50%

  方法二 将烘干后的膨润土试样(颗粒状),放进玻璃杯中,在倒入1:1~3的盐酸溶液至颗粒表面1㎝以上观察,天然钠基膨润土无反,或仅有很小细泡,人工钠膨润土反映烈,有太多气泡逸出。值得注意的是倒稀酸溶液时,千万尽量远离自身面部,严防受伤。

  方法三 将膨润土试样用蒸馏水进行不少于4次的漂洗,直至水溶液PH呈中性。将漂洗样烘干后作X衍射测定蒙脱石的特征峰值 d(001),天然钠基土仍显示出Na蒙脱石的特征峰值d(001)约为12.5Å,而人工钠化土则约为15Å。

      

             天然钠基膨润土与天然钙基膨润土的一般鉴别方法           表1

方法

天然钠基膨润土

天然钙基膨润土

观看颜色

(原矿)

90%以颜色较深(深灰、黑灰、蓝灰、绿灰等),除西北干旱地区外,均深埋在80m以下。

90%颜色较浅(白、灰白、浅黄、浅灰、粉红等),除西北干旱地区外,大多地表有露头或埋深很浅。

用舌头舔(原矿)

吸附力特强 有苦涩味道

吸附力不强 无苦涩味道

手拈捏(块状)

比重较重    有一定硬度

比重较清 较软

原矿水溶解后(用手搓)

粘性感强

粘性感弱

原矿浸水

强烈吸水膨胀、软化、不崩塌,呈团块

吸水慢,崩塌成散粒状

磨粉后向水中慢慢投放

分布均匀沉积速度慢分解性好。

分布不均匀沉积速度快分解性差

我国

JC/T592-1995

       

     

 美国

ENa+/ECa2+≥1

ENa+/ECa2+<1

俄罗斯

我国《膨润土地质勘探规范》

同上

同上

注:①CEC—— 蒙脱石(膨润土)阳离子交换总容量ENa+EK+ECa2+EMg2+——氧化钠、钾、钙、镁阳离子交换量。

    方法四 追踪膨润土毯(板)所用膨润土的来源,判断其装的是天然钠基膨润土还是人工钠化膨润土,还是在人工钠化土中只掺加了少量的天然钠基膨润土。目前国内市场上吉林刘房子是地下200m洞采的天然钠基膨润土,新疆夏子街产的也是天然钠基膨润土,而笼统说东北产的、辽宁产的,辽宁建平产的都是人工钠化膨润土(根本不是钠基膨润土)。

    一般的膨润土矿,国土资源部门均有较详细的地质勘探资料,都检测过膨润土的矿物组成、化学成分、物化指标。一般天然钠基膨润土原矿的Na2O 含量都高于1%,钙基膨润土原矿的Na2O含量都小于1,而人工钠基膨润土的Na2O含量比天然钠基膨润土高的多。

    无地质详勘资料的膨润土矿,可到现场取原矿按表1所列方法进行鉴别,或将原矿样送地质检测部门不是建材检测部门进行X射线衍射,进行矿物组成、化学组成、物化指标检测。

    方法五 在天然钠基膨润土和人工钠基膨润土中,同时分别加水后,用手搓,人工钠基膨润土比天然钠基膨润土粘感性和滑感性强。原因是Na2CO3附着在其表面。

4. 为什么说我国不缺少天然钠基膨润土,缺的是开发?

    

    我国的膨润土储量世界第一,我国的天然钠基膨润土储量也是世界第一。

    据地矿部门已勘探的膨润土资源分布面广,资源十分丰富,大型矿床多,属性属型齐全。据统计全国有26个省(自治区)都有矿床,已勘探的资源总量75亿吨以上,其中天然钠基膨润土储量占一半以上,居世界之首。一些书刊文章中说中国缺少天然钠基膨润土(一些厂家也将这一说法作为推行人工钠化膨润土防水毯及其辅料的错误依据),这种说法是不正确的,原因是大多矿点的天然钠基膨润土均在80~100m深以下,采挖难度大,成本高。而钙基膨润土则在地表就有露头,采挖方便,成本很低。这就是目前全国有大小上千个膨润土采挖点,99%采挖的是钙基膨润土,绝大部分是乡镇企业。只有大型企业才有人力物力开挖天然钠基膨润土,这在国外也是一样的。

世界最著名的天然钠基膨润土矿在美国怀俄明州,据说已挖到380米深,几近见底。而格鲁吉亚开采最多的是在前苏联时代。我国的辽宁凌源天然钠基膨润土是日本侵华时就已开挖至140米深,因装备不足已停挖多年。浙江平山天然钠基膨润土矿,因城市建设需要已停挖多年。

吉林刘房子天然钠基膨润土储量大,品质好,利用原有近200米深的采煤巷道可大量开挖,仅一个巷道即可采2000多万吨,以前基本是出口原矿,现在进行深加工,形成大型永久性天然钠基膨润土系列防水产品生产基地。据了解现正在几十平方公里的富矿区进行勘探作业,以求更大发展。

    新疆和丰天然钠基膨润土的储量巨大,随交通条件的改善会受到重视。新疆托克逊膨润土矿区储量1亿多吨,其中钠土占2/3以上;新疆拉伊格来克膨润土矿区储量1亿多吨,其中钠土占多数。

内蒙古兴和膨润土矿区储量1.6亿多吨,其中钠土占2/3。

新疆、内蒙古境内的大型沙漠及戈壁荒滩下也都有大型膨润土矿床,例如内蒙古阿拉善的巴尔布拉格膨润土矿区储量大约3亿多吨,其中优质钠基膨润土占一半以上。

江苏甲山膨润土矿区储量1.5亿多吨,其中钠土占0.6亿多吨。

河北立石膨润土矿区储量1.4亿多吨,其中钠土700多万吨。

广西田东膨润土矿区储量0.2亿多吨,其中钠土占一半以上。

广西宁明膨润土矿区储量远多于田东矿区,钠土储量也占一半以上。

江西广丰膨润土矿区储量达0.2亿多吨,其中钠土占一半以上。

安徽屯溪膨润土矿区储量1亿多吨,其中钠土占一半以上。

辽宁黑山膨润土矿区膨润土储量0.4亿吨,其中钠土占2/3。

辽宁朝阳发现的一个很小的膨润土矿区储量达0.2亿吨,其中钠土占2/3。

山东莱阳膨润土矿区储量上千万吨,其中钠土约占一半。

还可列出许多,而尚未勘探的更多。我国整个东北、华北、西北在远古时都反复、大面积地爆发过火山。因此说,中国钠基膨润土少是缺乏深入了解,或不想大投入,而借此推销人工钠化土,以使不了解国情者上当。实际上,如天然钠基膨润土提纯后运进北京,最多1000元1吨,如5kg/m2,1吨可制200m2毯,每平米毯的防水材料费也仅有5元。从美国本土进口也贵不了多少。

上述资源情况在国土资源部资料馆可以找到更多更有力的证据。

  

 5. 为什么说耐久性及关系到环境和公众安全性的工程材料的性价比很重要?

    

    什么是又好又快?那就是在保证好的前提下尽量快,在保证质量的前提下尽量省。寿命仅几年,甚至仅半年卖价每平米10元的材料和寿命百年卖价每平米50元的材料建设、设计、施工、监理等各方应毫不犹豫地采用后者,缺少这种胸怀,其结果将要付出每平米几百元的代价进行修补,这还不包括环境和公众安全所付出的代价。本文开始提到的实例,以及为保护母亲河所修建的若干垃圾填埋场,很多地下工程防水河湖防渗失效的众多实例都证明不讲质量,仅看价钱的害处。有些资深专家常说的目前防水材料中60%以上不合格,可偏偏这些不合格材料最畅销,最赚钱。这应引起各方警觉,加以杜绝,进而真正用科学发展观重建耐久工程。更应用科学发展观制订国标、行标、地标。否则制订的标准助长劣质材料进行低价竞争,助长堵漏队伍越来越壮大,这是工程技术员的耻辱,国家的耻辱!

顺便说明一点的是钙基膨润土(纯天然,不经人工钠化)做防渗层也可以,只是需铺的厚点或与当地土搅拌夯实,防渗结果也很好。如北京市市政工程设计研究总院十多年前设计的广东南海狮中垃圾卫生填场铺15cm厚钙基膨润土夯实,作防渗层,至今不漏。国外也有许多用钙基膨润土与细砂搅拌夯实作防渗层,既防渗又防干湿,冻融循环。东北、西北膨润土资源丰富,在河湖治理、荒漠化治理工程防渗等都可广泛应用。
考文献

[1]孙静.龙形水系叫渴日补水18万吨.《法制晚报2009.3.22

[2]轨道交通地下工程防水技术规程》(DB11/581-2008).北京市建设委员会,2008

[3]地下工程防水技术规范》(GB50108-2008).北京:中国计划出版社,2009

[4]《膨润土(GB/T20973-2007)北京:中国标准出版社.2007

[5]鞠建英.《膨润土在工程中的开发与应用》.北京:中国建材工业出版社.2003

[6]鞠建英.《实用地下工程防水手册.北京:中国计划出版社2002

[7]袁慰顺等.天然钠基膨润土和人工钠化膨润土的异同.《中国非金属矿工业导刊20084

[8]鞠建英.膨润土防水毯应用若干问题谈《中国建筑防水2006第12期

[9]鞠建英.膨润土——天然钠米材料的防水机理及其在地下工程中的应用.《中国建筑防水2003年第5、6期

[10]鞠建英.膨润土毯(板)质量及其对地下工程防水的影响.《铁道建筑技术2006第5期

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