黏土礦物耐靜水壓測試方法試驗研究

肖宇鷹，李 瑩，孫孝誠，龔 關

(湖北省地質實驗研究所，湖北武漢 430034)

黏土礦物耐靜水壓測試方法試驗研究

肖宇鷹，李 瑩，孫孝誠，龔 關

(湖北省地質實驗研究所，湖北武漢 430034)

首次提出直接測定黏土礦物耐靜水壓的檢測方法。采用該方法可以直接檢測出黏土礦物原料耐靜水壓的性能指標，通過對膨潤土、累托石、凹凸棒石、海泡石等不同黏土礦物進行測試，初步確定了黏土礦物耐靜水壓測試的基本參數。

耐靜水壓;黏土礦物;測試方法

0 引言

黏土礦物是一種重要的防滲堵漏材料，近年來應用日益廣泛的防水毯其主要組成材料就是黏土。目前應用較多的膨潤土防水毯已經制定了國家標準［1］，對膨潤土防水毯基本性能指標及其測試方法作了規定。耐靜水壓作為衡量防水材料防滲堵漏能力的重要性能指標之一，雖有多種測試方法，但都是針對防水毯產品，尚未見到直接檢測黏土礦物耐靜水壓方法的報導。本研究提出的測試方法是直接對黏土礦物原料耐靜水壓性能進行檢測，快速檢驗與鑒別出防水材料用黏土礦物的耐滲性。

1 實驗

1.1 實驗目的意義

本檢測方法是直接對各種黏土礦物原料進行防滲透性能的評價。與膨脹指數、濾失量等防水性能測試方法相比，具有更強的實用性和直觀性。實驗研究表明，具有相同膨脹指數的膨潤土其耐靜水壓有時會有明顯的差異，因此判定一種黏土礦物的防水性能不能僅僅看膨脹指數、濾失量等指標，還需要結合耐靜水壓指標進行綜合評定。

1.2 試驗裝置、材料及工具

(1)本試驗裝置由加壓系統和滲透測量系統兩部分組成，整體裝置見圖1。

(2)試樣筒及內部結構。試樣筒系采用濾失量儀，內置試樣、透水石、水、濾紙等，見圖2。

1.3 實驗步驟

(1)氣路連接 將儲氣鋼瓶與測試支架上的小儲

圖1 整體裝置示意圖Fig.1 Sketch map of holistic equipment

圖2 試驗筒內部結構示意圖Fig.2 Sketch map of inner structure for test equipment

氣罐用耐壓橡膠管聯接。打開鋼瓶的開關閥門，調節調壓閥，調至一定壓力，觀察整個線路及各接口處有無漏氣現象。若有漏氣則需關閉儲氣鋼瓶上的調壓閥。對漏氣處進行調試與封堵，直至無漏氣現象，然后關閉儲氣鋼瓶的開關閥及二個調壓閥。

(2)生料帶纏繞透水石 為防止透水石邊緣滲漏曾采用蠟封法及涂抹高真空硅脂，但效果并不理想。實驗證明用生料帶密封透水石邊緣是較好的方法，可保證在0.4 MPa壓力下不滲透。透水石的直徑應與試樣筒的內徑相近或略小于試驗筒0.5 mm，然后用生料帶沿透水石邊緣纏繞，直至其直徑略大于試樣筒0.1～0.3 mm。

(3)試料筒接頭上的氣孔用膠紙封堵，將約100～110 mL水注入試樣筒的儲水器內。注水水面接近隔板，但不應高出隔板，以免與透水石接觸產生毛細現象。

(4)安裝透水石 將用生料帶纏好的透水石壓入試樣筒內，直至透水石平面與隔板平面平行接觸，勿傾斜，以免試驗過程中產生不正常的漏水。

(5)在透水石上面平鋪一張濾紙，濾紙直徑應等于或略小于試樣筒的內徑。濾紙與透水石之間或撬地應密切的接觸，不得留有空隙。

(6)裝填試樣 試驗裝置裝樣容積為22～26 mL(V=S×h=44 ×0.5=22.0 mL)，由于生料帶及透水石厚度的影響，實際裝樣量為20 mL左右。試樣為預先測定緊實密度下20 mL時的重量。以后進行重復性試驗時，同一試樣應按同一重量進行。

裝填試樣應先裝入1/3左右的樣品，沿試樣筒壁先行壓實，然后倒入余下樣品，并用三腳規壓平，以避免容器內裝樣薄厚不均。

(7)在試樣上平鋪一張濾紙，勿擾動試樣，再在濾紙上壓入用生料帶纏繞的透水石。

(8)將密封圈放入試樣筒的密封溝槽內，壓入鎖緊蓋。翻轉試樣筒去掉試樣筒氣孔上的膠紙，將試樣筒旋入試樣支架分壓室的接口上，在出水孔下方放入量筒，并開始計時。

(9)測量 ①在未加壓力的情況下，計時達60 min，觀察并記錄試樣筒的透水情況。若無透水則記錄為“0”，并繼續進行②的試驗;若有透水則需記錄透水量。表明該試樣不具耐靜水壓的能力，不能作為防滲堵漏材料使用。

②打開儲氣鋼瓶的開關閥門，并依此調整儲氣鋼瓶的分壓閥及試驗支架小儲氣罐上的調壓閥至0.05 MPa，并靜置維持壓力30 min，觀察并記錄該狀態下的透水量。

如果試樣仍不透水則繼續逐級升壓至0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，各壓力下維持30 min，記錄各壓力下的透水量。

如試樣在0.05 MPa壓力下已透水，則記錄靜水壓力與透水量。

2 結果與討論

2.1 試驗樣品的制備

試樣的緊實密度與樣品的粒度密切相關。本方法采用樣品粒度在100～200目，過細則緊實密度低，樣品裝填量＜0.4 g/cm2，達不到防水毯的基本要求，粒度過粗則樣品的代表性不足。因為實驗容器裝入樣品的容量有限，僅為20 mL，所以應選用合適粒度的樣品。

2.2 幾種黏土耐靜水壓及相關性能的測試結果

幾種黏土耐靜水壓及相關性能的測試結果見表1。

表1 黏土礦物耐靜水壓及相關性能測試結果Table 1 Test result of water pressure resistance and related performance for clay minerals

2.3 測量誤差及重現性

由測試結果表可見，樣品的耐靜水壓重復試驗誤差可達到0.05 MPa以內，凹凸棒石黏土及海泡石黏土的耐靜水壓在0.05～0.10 MPa，改性膨潤土耐靜水壓既有0.05 ～0.10 MPa 區間也有 ＞0.4 MPa，而改性累托石黏土的耐靜水壓幾次試驗結果均＞0.4 MPa。

2.4 測量范圍

根據JG/T193-2006鈉基膨潤土防水毯規定，對于GCL-NP的耐靜水壓，只要滿足0.4 MPa，維持一小時無滲漏即可滿足質量要求。因此，對于防水毯用黏土礦物原料，暫定測量范圍為0～0.4 MPa。

2.5 幾點說明

2.5.1 常壓下保持60 min

根據不同礦物原料的多次試驗，發現只有在靜態常壓下保持60 min，原料才能保證全部潤濕和較充分膨脹。我們曾經做過保持30 min，結果發現試樣斷面上還有干燥的黏土顆粒，故試驗設定常壓下保持60 min。若試驗防水層未被破壞，才應繼續進行施壓試驗。

2.5.2 固定體積裝樣

由于試樣筒，儲水容器透水石等均是由固定高(厚)度及體積，所以裝入試樣的體積也須固定。這樣密封圈與鎖緊蓋才能起到密封的作用。

試樣筒內徑為75 mm，截面積為44.18 cm2。當裝樣高度為5～6 mm時，裝樣體積分別為22.09 mL與26.51 mL。試驗結果表明，樣品粒度在100～200目，緊實體積為20 mL時，樣品量約為22 g，單位體積的裝填重量為0.5 g/cm3。因此本試驗采用緊實體積為20 mL的樣品重量作為每次試驗的加樣量。

如果試樣的比重(密度)相近，本法對不同樣品的可比性較高。因為裝入相同體積樣品的重量也基本相同或者相差不大。一般黏土礦物的比重為2.6 g/cm3左右。

2.5.3 樣品粒度

試樣的粒度一般應控制在100～200目，若過細，裝入相同體積的樣品質量相差較大，難以相互比較。如凹凸棒石黏土粉碎至325目，緊實密度為0.68 g/cm2密實狀態下20 mL的質量僅為13.7 g。故樣品粉碎粒度應控制在100～200目較為適宜。

2.5.4 透水量

實驗中發現，防滲透性能好的試樣的透水量為0 mL，只有在靜水壓達到一定值后，透水才開始，并且在幾秒至幾分鐘內儲水容器中的水便會全部失盡。防滲性能差的黏土，一般在常壓下或較小的靜水壓下便會失盡。但也有時試驗會始終在滴水，甚至隨時間的延長越滴越少。樣品自身形成的防水層并未破壞。因此目前透水量只是作為試驗參考值。

3 結語

(1)本文首次提出了黏土礦物原料耐靜水壓的測試方法，該方法無需制備防水毯產品直接對黏土礦物進行測定，有利于防水材料用黏土礦物的快速檢驗與鑒別。

(2)檢測方法模擬工程實際使用情況，將黏土制成一定厚度的防水層［2］，利用氣體壓力代替水壓，改變黏土防水層上方的壓力，迫使水通過防水層，抗靜水壓越高則樣品的防滲效果也就越好。本方法裝置用氣體壓力代替水壓是一個重大改進。

(3)采用本方法對膨潤土、累托石、凹凸棒石、海泡石等不同類型的黏土礦物進行了耐靜水壓性能指標的測試。

(4)通過試驗提出了黏土礦物耐靜水壓性能測試的條件控制參數主要為試樣的粒度、緊實密度及裝樣方式，參照相關標準要求提出黏土礦物耐靜水壓的測量范圍為0 ～0.4 MPa。

［1］ JG/T 193—2006，鈉基膨潤土防水毯［S］.

［2］ 鞠建英.膨潤土防水毯特性及質量控制［J］.中國非金屬礦工業導刊，2013(1):15 －17.

(責任編輯:陳文寶)

Experimental Investigation on Test Method of Water Pressure Resistance of Clay Minerals

XIAO Yuying，LI Ying，SUN Xiaocheng，GONG Guan
(Hubei Institute of Geological Experiment，Wuhan，Hubei430034)

The paper proposed the test method of how to detect water pressure resistance of clay minerals directly for the first time.It can be detected for the performance index of water pressure resistance of clay minerals directly by this method.Through the test of different clay minerals，such as bentonite，rectorite，attapulgite，sepiolite，etc.It was determined that basic parameters of water pressure resistance test for clay minerals preliminarily.

water pressure resistance;clay minerals;test method

P575

A

1671－1211(2014)02－0214－03

2013－08－20;改回日期:2013－08－30

國土資源部公益行業科研專項經費項目 (編號:201111028－4)。

肖宇鷹 (1980－)，女，工程師，材料科學與工程專業，從事非金屬礦物性測試及開發應用研究工作。E－mail:xiaoyy_801018@163.com