采用新疆天然钠基膨润土制备高性能防水毯原料的研究

　　膨润土防水毯（GCL）是一种新型的土工合成防水材料，其底层为土工纤维布，上层为无纺布，中间为经过处理的膨润土，因貌似毯状，故称为膨润土防水毯。其主要特性如下：具有土工材料的全部特性，又具有优异的防水（渗）性能；由于膨润土是天然无机环保材料，故不会发生老化反应，其使用寿命可达100年以上；施工简便且不受施工环境温度的限制，0℃以下也可施工；具有自愈性、容易修补；性能价格比高，适用于市政（垃圾填埋）、水利、环保、人工湖及建筑地下防水、防渗工程，用途非常广泛。

　　膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的黏土矿，其性能与蒙脱石类型和含量有关。蒙脱石晶体化学成分复杂，变化大。晶体中的低价阳离子常常置换高价阳离子，使结构层产生多余的负电价。为了保持电中性，在结构层之间除水分子外，存在较大半径的阳离子Na+、Ca2＋等，因此膨润土就被划分为钠基土、钙基土。

　　防水毯中的膨润土遇水后，水分子能够进入膨润土晶格之间，使其晶格膨胀，由于膨润土防水毯在施工时，按要求其上部要覆盖20厘米厚的覆盖层将其压实，所以当其遇水膨胀时，其体积增大25倍以上，使其内部形成负压，即达到了防水的效果。由于膨润土这种优良的特性其广泛用于防水材料、保水材料等领域。

　　用于防水材料的膨润土首选优质钠基土，这是由于钠离子在水中容易分散，钠离子半径大，电荷低，在水中更易分散且分散层数多；钙基土的膨胀速度虽然快，但是其膨胀性能较钠基土差，因此，选择高膨胀性能的天然钠基土是制备防水毯的前提条件。

国内生产企业的现状及存在的主要问题

　　我国的膨润土资源储量大，居世界首位，但优质钠基膨润土不多。通过对吉林刘房子、浙江临安、新疆夏子街、辽宁建平等重要膨润土产地的调研发现，国内生产企业真正用天然钠基土做防水毯原料的并不多，受原料所限，多数企业采用人工钠土。这是造成我国防水毯产品质量不高的主要原因之一。

　　虽然国家尚未颁布GCL产品的国家标准，但目前各国均以ASTM为依据，产品的膨胀指数≥24m1/2g，而国内多数产品膨润土的膨胀指数仅有16～20；达到20以上的产品大多是对膨润土进行人工钠化后的较短时间内的测定值，然而原料采用人工钠化，其吸水性在半年后会逐步降低，甚至还原。北京市市政工程设计研究总院鞠建英认为，GCL只能采用天然钠基膨润土，她认为人工钠土的加工工艺无法使碱中的钠离子进入膨润土晶格结构中去，最多只附着在其表面，使其活性增强，经短时间风化或随水流失后，人工钠基膨润土会很快变回钙基膨润土。

　　防水毯是关系到国计民生的重要产品，在国内外很多隧道工程使用这种产品，关乎国家百年大计。可以想象，一旦产品质量不达标或是半年之后产品性能降低甚至还原而造成遂道大量渗水，那给国家带来的损失是无法估量的。

　　所以，满足国内对该产品原料的需求，研发出符合我国实际的防水毯需要的高效能的膨润土原料具有十分重要的意义。

高性能防水毯原料制备的试验研究

试验说明及原矿性能测试

　　该试验研究选用新疆夏子街膨润土，它位于准葛尔盆地西北边缘，已探明储量为5.4亿吨，其中已探明C＋D级储量在2.6亿吨以上，蕴藏着较为丰富的钠基、钠钙基、钙钠基和钙基膨润土资源，是全国比较大的膨润土矿床。其主要技术性能可与美国怀俄明膨润土媲美。

　　试验选取新疆夏子街三种有代表性的土样，一种是白土、一种是淡砖红色土（简称红土）、一种是类似巧克力的块状土（简称巧克力土）。

　　其中，红土以砖红色为主，少数呈现米黄色，粉砂状致密块状，矿石放水中吸水缓慢，具明显的钠土特征。白土肉色、浅米黄色，粉砂状，细而不易见到明显的杂质，吸水较快。巧克力土颜色为浅肉褐色，颜色均一质细而致密，肉眼一般见不到杂质，呈现阶梯状断口。经过测试，原矿性能指标见表1、表2所示。

表1　　原矿性能测试结果

表2　　阳离子交换分量与总量比值

　　通过表1原矿的胶质价、膨胀容等性能指标可以推测，原矿为钠基膨润土，这一点在表2的数据中得到证实。表2中各样的ENa+量均大于50%，按地质分类均属钠基土。

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　　同时可以看出，新疆钠基膨润土膨胀性能优秀，其中巧克力土性能最佳，原矿已经达到22.0m1/2g，白土和红土相对较差，尽管如此，比很多人工钠土的指标还是优越。

添加MSG产品性能测试

　　为进一步提高产品膨胀性能，达到标准，我公司自行研发了一种防水毯原料专用复合添加剂（MSG），它可以大大提高膨润土原料膨胀性能。试验过程为：称取一定量烘干过200目的MSG材料，将其与几种膨润土原矿充分混合后，测试混合材料的膨胀性能，为说明情况，采用某地钙基膨润土进行对比测试。经过测试，结果见表3。

表3　原矿添加MSG材料膨胀性能测试结果 

　　通过以上对比数据显示，新疆土和MSG复合材料的相容性非常好，红土、白土估计添加2.0%的复合材料膨胀指数即可超过ASTM标准要求的24m1/2g。而巧克力土性能更加优越，添加0.5%就可超过标准。这说明MSG材料对产品性能的提升贡献很大，可以用于防水毯原料之中。

　　通过实验室对原矿的测试以及添加MSG材料试验，我们可以得到以下结论：

　　1.新疆天然钠基膨润土的质量上乘，是国内制作防水毯的最佳原料。

　　2.我公司自行研发的MSG材料与新疆天然钠基膨润土具有很好的相容性，加入这种材料可以大大提升膨润土的性质。并且这种材料不会像人工钠土那样在短时间内老化变性。

　　3.由于添加量很少0.5%～2.0%即可达到ASTM标准，通过成本核准，通过成本核算，加入这种材料的防毯成本每平米增加不到1元，具有重要的推广和应用价值。