节 膨润土的基本知识

一、        膨润土是什么
1、        膨润土和膨润土矿
    膨润土（Bentonite）是火山喷发后的火山灰的沉积物，受到凝灰岩的积累作用或者玻璃岩的热水作用而形成的一种天然无机粘土矿物，是亿万年前天然形成的，学名叫蒙脱石（Montmorillonite）。
    膨润土这一名称是美国地质学家W•C•Knight在1898年命名美国怀俄明州洛基山脉附近Fort Benton出露的粘土岩（页岩）时提出来并开始采用的，是一种以蒙脱石类矿物为主要组成的岩石。世界上最著名的膨润土矿位于美国的南达科他州、怀俄明州以及加拿大和格鲁吉亚等国。
2、        膨润土的化学成分和微观结构
    膨润土的一般结构式为：Nax(H2O)4{(Al2-xMgx)[Si4O10](OH)2}
    膨润土是粒径小于10-9m的无机质。微观结构显示膨润土为层片状结构，每一层又由两层硅氧四面体和铝氧八面体组成。膨润土的晶体结构如图所示：

3、        膨润土的分类
    一般将天然膨润土按化学成分分为钠基和钙基两大类。如上图所示，在膨润土微观结构的层片间存在大量可交换阳离子，当可交换阳离子为钠离子时即为天然钠基膨润土，相应存在天然钙基膨润土。目前我国已探明的膨润土90%以上都是天然钙基膨润土，天然钠基膨润土多埋藏较深，且多和其他矿物伴生，给开采利用带来不便。
二、        膨润土的应用范围
目前，膨润土的主要作用在于：在钢铁工业中作冶金铸造的粘结剂，在化工中作脱色剂和添加剂，在地探中作优质泥浆，在纺织工业中代替淀粉浆纱，在陶瓷工业中作塑化剂，以及地下工程中作减阻剂和防水材料。由于钠基膨润土的理化性能和工艺性质优于钙基膨润土，因此钠基膨润土主要应用于建筑防水材料，而钙基膨润土目前主要应用于铸造业和钻探等方面。
由于膨润土的粒径是纳米级的，而且应用广泛，所以膨润土又被称为天然纳米材料、万用粘土等。

第二节 膨润土防水技术

    随着工业和城市建设的发展，建（构）筑物不断向高、深两个方向发展。地下设施（地下室、地铁、地下工厂、地下油库、地下街道等）不断增多，规模不断扩大。为了防止地下水对这类隐蔽设施的侵蚀，世界各国工程界作出了大量努力。直到20世纪70年代中期，美国、加拿大和日本等国在进行膨润土技术开发时，才发现天然钠基膨润土优异的防水特性，找到了一条对地下建（构）筑物永久的防水途径。
一、膨润土防水的原理
膨润土的基本性能取决于蒙脱石的矿物特性，一般具有良好的粘结性、膨胀性、胶体分散性、悬浮性、吸附性、催化活性、处变性和阳离子交换性能等等。天然钠基膨润土更具有以下特点：
1、        高膨胀性
膨润土的膨胀力特强，其原因是膨润土具有物理化学性强，结合水的能力强等特性，通常在与水接触24H开始水化，膨胀4-5倍，48h水化完成，变成原来颗粒体积的10-15倍甚至30倍的胶凝体。
2、        低渗透性
在一定的局限力的作用下，膨润土水化形成的胶凝体像一堵墙，能阻止其他水分渗入，其渗透系数可减至1×10-9cm/s，接近滴水不漏。
3、        自愈修补功能
在一定的局限力的作用下，膨润土遇水膨胀能够有效地填补搭接缝、钉孔及混凝土的孔隙，形成致密、连续的胶凝体防水层。
      膨润土为片状晶体结构，各个层由非常微小的薄层与水分子层隔开，而钠离子出现在各层的表面，钠离子在薄层表面吸引负离子，水分子与钠离子接触时，水分子就被吸附在薄层上，被吸附在薄层上的水分子又更多地，双倍双倍地吸引另外的一些水分子，众多水分子与众多水分子相连，充满在众多带负电荷的薄层表面，新形成的薄层又排斥其他的薄层，使其迅速离开，引起膨胀，水分子充满了被分离开的薄层之间，表面暴露的部分饱和并和其他的部分分离开，在表面正、负电荷均衡时水化成固有结构，分子吸附混合停止，这种结构可能会被另外的动态交换所打乱、分离，但在交换，混合达到均衡时，又会重新进行组合，从另外一方面也说明干湿循环和冻融循环并不能影响它的防水效果，膨润土经水化表面阳离子成水合状态，吸收2个到4个、6个水分子后，在静态下水不能进来，膨润土变成胶凝体，其耐久性可达几百年。
二、防水膨润土的要求
一般情况下，天然钠基膨润土较钙基膨润土的理化性能及工艺性质优越，主要表现在：吸水速度慢，但吸水率与膨胀倍数大；阳离子交换量高；在水介质中分散性好，胶质价高；加热稳定性好等。所以天然钠基膨润土的使用价值高，用于防渗时应采用天然钠基膨润土。
美国的天然钠基膨润土的pH值为中性，即pH值≈7，实践证明，凡pH>8的膨润土，其抗渗能力递减的很快，有的半年就失效。
钙基膨润土可以通过人工钠化转化为钠基膨润土。但通常人工钠化的结果是PH>8，不具有稳定的防渗性能。
三、膨润土防水产品体系
1、膨润土防水产品的演变
1963年，代膨润土防水材料膨润土防水板面世，并投入工程使用。膨润土防水板（图一）是用带有凹槽（波纹）的牛皮纸板制成，并在凹槽中填满经过精制的钠基膨润土。这种产品一经问世，便在地下工程中大量应用，其中就包括著名的纽约世贸大厦。美国在随后的30年间所新建的地铁主要用膨润土防水板防水，在底板、侧墙和顶板外包覆了膨润土防水板，效益显著。香港应用美国火山牌（Voclay）膨润土防水板的地下室、地铁工程已达几百项，国内随后也有成功应用，如北京展览中心酒店，上海希尔顿酒店，大连富丽华酒店等。
到了上世纪80年代，在膨润土防水板的基础上研制成膨润土防水毯（图二），它是将天然钠基膨润土通过针织固定在两层土工布（一层有纺土工布、一层无纺土工布）之间而成。膨润土防水毯有效克服了膨润土防水板的一些施工缺点，使其在地下结构防水中得到了更广泛的应用。
到了90年代，膨润土防水毯有了最新型号的产品（图三），即在无纺土工布一侧加烫了一层高密度聚乙烯薄膜（HDPE）。适用于施工环境较差（地下水压较大、有化学污染等）、防水要求更高的地下工程。

2、当前较成熟的膨润土防水体系
    美国胶体环境技术公司（American Colloid Environmental Technologies Co., Ltd.）是全球最早开展膨润土防水技术研发和应用的公司之一，在几十年的科研和实践中始终站在行业的前沿。我们即以该公司的产品体系为例，介绍膨润土防水体系。
1）        覆膜膨润土复合防水毯（图四）
由天然钠基膨润土，加上两层土工织物（一层有纺土工布、一层无纺土工布）包裹，以专利针织加固而成，并在无纺土工布一侧加烫了一层高密度聚乙烯薄膜。

           图四  覆膜膨润土复合防水毯剖面
未加烫高密度聚乙烯薄膜的产品有时候也被称为GCL（Geosynthetic Clay Liners）。
防水毯尺寸规格一般有1.2米×5米和5米×40米两种。
2）配套辅助材料：
膨润土防水浆（BENTOSEAL）：天然钠基膨润土和高分子材料合成，浆状膨润土，用于防水增强和防水毯收口等处。
膨润土防水粉（WATERSTOPPAGE）：颗粒状天然钠基膨润土，一般用于防水增强。
膨润土止水条（WATERSTOP-RX）：由天然钠基膨润土和丁基橡胶合成，一般用于现浇混凝土施工缝处。它秉承了天然钠基膨土遇水膨胀的优异特性，能有效地解决施工缝的渗漏问题，且避免了传统PVC橡胶止水带和钢板止水带安装工序繁琐的缺点，达到了理想的止水效果。
3、膨润土防水体系的特点
1）膨润土防水是一种环保型防水技术
由于材料的组成成分膨润土是一种天然黏土矿物，不会对周围环境产生任何污染，所以它是完全的环保材料。
2）良好的防水耐久性
首先，因为膨润土是一种天然黏土矿物，不存在老化问题；其次，它同时也是无机物，不会受到地下任何物质的侵蚀；最后，它遇水膨胀的过程是可逆的，干湿循环不影响它的防水效果。
3）施工简便
a.        无须在混凝土施工基面上做任何前期处理，也可直接安装在夯实的土层上。
b.        可施工于潮湿的混凝土基层，在低温下（如-32℃）亦可正常施工并发挥防水效果。
c.        不需要找平层及保护层。
d.        无须专业防水施工人员从事安装作业。
e.         对于穿墙管线、地下桩头等穿过防水层的部位处理简便。
4）具有自愈修补裂隙的功能
工程施工条件复杂，许多防水材料在施工过程中容易被扎破、穿孔，而失去防水效果；但膨润土防水毯却能适应这种施工条件，这是由于天然钠基膨润土具有独有的高膨胀性，使其能修补细小的裂隙空隙。所以，对于施工过程中，由于意外原因而对材料产生的微小损坏，不会对材料的防水效果产生根本的影响。这也是膨润土防水毯可用钢钉固定的原因。
5）有效防止窜水
膨润土有纺土工布一侧的纤维能够和现浇混凝土有效地结合成一体，再加上膨润土遇水膨胀后形成的致密的胶凝体，从而有效的阻止了可能在防水层和结构主体之间的窜水现象。
6）        能适应混凝土结构的伸缩变形
由于材料是自然搭接，所以材料的延展性及适应混凝土结构伸缩变形的能力，要比粘接和焊接施工的材料好得多。
7）        反贴法施工
所谓“反贴法施工”，是指膨润土防水毯可施工于围护挡土结构上，例如：地下连续墙、钻孔灌注桩、SMW工法桩、土钉墙、木板围护桩和钢板围护桩等，以达到“外防内贴”防水效果。
膨润土防水毯（GCL）介绍说明作用:
GCL是一种介于CCL(现场厚压实粘土防渗衬垫)和高分子材料---土工膜之间的一种防渗衬垫。主要应用于环境工程中的废弃物填埋场、地下水库、地下基础设施建设等工程中，解决密封、隔离、防渗漏问题，效果好，抗破坏性强。
原理
膨润土的矿物学名称为蒙脱石，天然的膨润土按化学成分主要分为钠基和钙基两大类。膨润土具有遇水膨胀的特性，一般钙基膨润土膨胀时，其膨胀仅为自身体积的3倍左右；而钠基膨润土膨胀时，约为自身体积的l5倍左右，能吸收6倍于自身重量的水，这样膨胀的膨润土所形成的高密度胶体具有排斥水的性能。利用这个性能，人们用钠基膨润土来做防水材料。为方便施工和运输，将膨润土锁在两层土工合成材料中间，起保护和加固的作用，使GCL具有一定的整体抗剪强度。

膨润土防水毯的特点
1. 密实性：钠基膨润土在水压状态下形成高密度横隔膜，厚度约3mm时，它的透水性为α?10-11m/sec以下，相当于100倍的30cm厚度粘土的密实度，具有很强的自保水性能。
2. 具有永久的防水性能：因为钠基膨润土系天然无机材料，即使经过很长时间或周围环境发生变化，也不会发生老化或腐蚀现象，因此防水性能持久。
3. 施工简便，工期短：和其他防水材料比较，施工相对比较简单，不需要加热和粘贴。只需用膨润土粉末和钉子、垫圈等进行连接和固定。施工后不需要特别的检查，如果发现防水缺陷也容易维修。GCL是现有防水材料中施工工期最短的。
4. 不受气温影响：在寒冷气候条件下也不会脆断。
5. 防水材料和对象的一体化：钠基膨润土和水反应时，具有13-16倍的膨胀能力，即使混凝土结构物发生震动和沉降，GCL内的膨润土也能修补2mm以内混凝土表面的裂纹。
6. 绿色环保：膨润土为天然无机材料，对人体无害无毒，对环境没有特别的影响，具有良好的环保性能。
GCL优越性
GCL主要用于土木工程、水利工程、环保工程中的防渗或密封，如渠道、水库、水坝的防渗设计，垃圾场的基础、周边、盖顶密封设计，人工河流、湖泊的防漏设计等等。大多可单独使用，也可与压实粘土层或土工膜组合使用。当方案允许选用粘土、沥青、混凝土、土工膜、GCL作密封层时，GCL更具有竞争力。
与压实粘土相比，GCL的优越性主要表现在：体积小，重量轻，施工简便，并且具有较高的抗剪强度。
与土工膜相比，GCL的优越性主要表现在如下几个方面：
（1） GCL柔性好，能较好的适应不均匀沉降；
（2） GCL中的膨润土层吸水后的厚度增加好几倍，并且受外裹土工织物的保护，因此不易被顶破或刺破而失效，对铺设场地条件的要求比土工膜低。采用均匀的覆盖土时，一般要求最大颗粒尺寸不超过32mm。
（3） GCL的连接，尤其是GCL与管道或建筑物周边连接时，比土工膜简便，并且接缝处的密封性也容易得到保证。
（4） GCL比土工膜具有较好的界面摩擦特性。
（5） GCL易于运输和安装，其防渗性能不会因干湿和冻融反复循环而降低，并且可能的漏水点也会因膨润土的迁移而自行愈合。
GCL技术指标
检测项目测试方法技术指标
膨胀系数 ASTM　D　5890 ≥ 24mL/2g
流体损耗 ASTM　D　5891 ≤ 18mL
单位面积膨润土质量 ASTM　D　5993 ≥4.8kg/m2
抗拉强度 ASTM　D　4632 ≥400N
剥离强度 ASTM　D　4632 ≥65N
指示流量 ASTM　D　5887 ≤1 ? 10-8m3/m2/sec
渗透性 ASTM　D　5887 ≤5 ? 10-9cm/sec
浸湿后抗拉强度 ASTM　D　5321 ≥24kPa typical