地下水污染防治中防滲材料滲透系數研究

張海黎

（四川欣洋遠錦環保科技有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

地下水污染防控，首先應該進行源頭控制，降低地下水污染源跑、冒、滴、漏污染物的排放量。同時，應采取合理防滲措施，阻斷污染物進入地下水環境的路徑。對地下水污染源所處地面采取防滲措施，是隔離污染、防止地下水污染的有效措施。

地面防滲措施總體上可以分為柔性防滲和剛性防滲。柔性防滲材料主要有高密度聚乙烯（HDPE）膜、土工布、鈉基膨潤土防水毯（GCL）等，該措施多用于固廢貯存場、填埋場等。剛性防滲主要以混凝土為結構基礎、配合防水涂料共同構筑防滲層，適用于對防滲層有強度要求的車間、固廢暫存間及污水處理構筑物等防滲。此外，對于現有硬化地面的防滲改造，剛性防滲更具優勢。工程上常采用的剛性防滲措施有兩種：一是采用防滲混凝土構筑防滲層；二是在防滲混凝土表面刷水泥基滲透結晶型防水涂料或噴涂環氧樹脂或聚脲等構成防滲層。這些防滲材料多以抗滲壓力表征防滲性能，而相關環保標準中，常以滲透系數作為防滲層設計依據。因此，有必要進行抗滲壓力與滲透系數對比關系的研究。

1 防滲技術要求

對于未頒布相關防滲標準的行業，《環境影響評價技術導則 地下水環境》（HJ 610—2016）給出了不同防滲分區的防滲技術要求，規定了等效黏土防滲層的最小厚度及最大滲透系數。該規定提出的防滲要求本質上是對污染物透過防滲層所需最小時間的限定如表1所示。

表1 分區防滲技術要求

由表1 可知，對于重點防滲區，污染穿透防滲層的最小時間不得低于6.94×104d 或190 a；對于一般防滲區，污染穿透防滲層的最小時間不得低于1.74×104d或47.7 a。

2 常用防滲材料

2.1 抗滲（防滲）混凝土

抗滲混凝土通過提高混凝土的密實度，改善孔隙結構，以減少滲透通道、提高抗滲性。提高混凝土抗滲性能的常用辦法是摻用外加劑，混凝土中加入減水劑能顯著降低混凝土用水量，使混凝土的抗滲等級成倍增加。此外，混凝土中加入引氣劑（加氣劑）不僅能降低混凝土拌和物的泌水率，同時能夠在混凝土拌和物內產生微氣泡，截斷毛細管通道，改變孔隙結構，從而隔斷滲流、提高混凝土的抗滲性能［1］。

采用混凝土構筑防滲層時，混凝土抗滲等級不能小于P6。防滲混凝土抗滲等級可以劃分為P6、P8、P10、P12 等四個等級［2］，表示逐級加壓至 0.1×（n+1）MPa，6 個試件中表面滲水的試件剛好超過兩個。《水工混凝土實驗規程》（SL 352—2020）規定，混凝土抗滲等級是以28 d齡期的標準試件，采用逐級加壓法測試：從0.1 MPa開始加壓，以后每隔8 h增加0.1 MPa，直至6個試件中表面滲水的試件超過2 h后停止。

2.2 水泥基滲透結晶型防水涂料

混凝土防滲處理，一般采用水泥基滲透結晶型防水涂料進行施工，即將水泥基滲透結晶型防水材料與水按一定比例混合攪拌均勻后，刷涂或噴涂在混凝土表面，形成防滲層。

水泥基滲透結晶型防水涂料，是以硅酸鹽水泥、石英砂為主要成分，摻入一定量活性化學物質制成的粉狀材料，經與水拌和后調配成可刷涂或噴涂在水泥混凝土表面的漿料；亦可用于撒壓未完全凝固的水泥混凝土表面。其防水原理為：防水涂料所含的活性化學物質通過滲流和離子濃度梯度或是混凝土自身的正常毛細管道進入混凝土，與游離的硅酸根離子反應形成鈣礬石的晶體，填充混凝土細小裂縫，從而使混凝土更加密實，提高混凝土自防水能力［3］。此外，該防水涂料中的活性化學物質可隨水在縫隙中滲透遷移，當混凝土中產生新的細微縫隙時，一旦有水滲入，又可促使未水化水泥產生新的晶體把縫隙堵住。從而賦予混凝土自修復能力和可靠的永久性防水抗滲作用［4］。

《水泥基滲透結晶型防水材料》（GB 18445—2012）規定，帶防水涂層試件的抗滲壓力不小于1 MPa。試驗采用抗滲壓力0.4+-00..01MPa、28 d 齡期的基準砂漿抗滲試件，防水涂料用量1.5 kg/m2，涂層厚度約1 mm。抗滲試驗按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）中規定的逐級加壓法，試驗水壓從0.1 MPa開始，以后每隔8 h 增加0.1 MPa，試驗以4 個試件未透水時的最大壓力計算，以3 個試件出現滲水時的壓力減去0.1 MPa作為該組試件的抗滲壓力。

2.3 環氧樹脂防水涂料

環氧樹脂防水涂料是一種以環氧樹脂為主要組分，與固化劑反應后生成的具有防水功能的雙組分反應型涂料。環氧樹脂防滲處理，一般選用高滲透環氧樹脂防水涂料，該材料是一種低分子量材料（約占質量分數80%）與高分子量材料（約占質量分數20%）的共混物。噴涂施工完成后，低分子量的物質可沿混凝土表面的毛細孔、微裂隙和微裂紋從外向內滲入混凝土內一定深度并固結，有充填和封閉空隙的作用；高分子量的物質留置在混凝土壁上，形成一層0.2～0.5 mm厚的樹脂涂層［5］。

《環氧樹脂防水涂料》（JC/T 2217—2014）規定，環氧樹脂涂層抗滲壓力不小于1.0 MPa。試驗采用抗滲壓力0.4+0.0MPa、28 d 齡期的基準砂漿抗滲試-0.1件。用毛刷分3~5 次涂布于基準砂漿試件表面，涂層干燥后總厚度0.2~0.3 mm。按照《無機防水堵漏材料》（GB 23440—2009）中6.5.1.2進行逐級加壓試驗：從0.2 MPa 開始加壓，恒壓2 h 后增壓至0.3 MPa，以后每隔1 h 增加0.1 MPa，直至 1.5 MPa，6 個試件中表面滲水的試件剛好超過兩個，試驗以3 個試件出現滲水時的壓力減去0.1 MPa作為該組試件的抗滲壓力。涂層抗滲壓力=涂層試件抗滲壓力-基準砂漿試件抗滲壓力。

2.4 聚脲防水涂料

聚脲防水涂料是以異氰酸酯類化合物為甲組分、胺類化合物為乙組分，采用噴涂施工工藝使兩組分混合、反應生成的彈性體防水涂料。噴涂聚脲具有拉伸強度高、斷裂伸長率高、撕裂強度高、附著力好等優點。同時，還具有環保、快速固化、對濕氣不敏感等施工優勢［6］。噴涂聚脲材料采用專用噴涂設備施工，固含量為100%、無溶劑、無污染［7］。

《噴涂聚脲防水涂料》（GB/T 23446—2009）規定，噴涂聚脲防水涂料吸水率不大于5%，不透水性為0.4 MPa下2 h不透水，試驗涂膜厚度1.5±0.2 mm。

3 防滲材料的滲透系數研究

3.1 抗滲試驗原理分析

抗滲試驗過程中，試件中的水流動符合達西定律，基準砂漿試件滲流方向距離起端y 處的流量如式（2）。

式中：Ay為滲流方向距離起端y處的斷面面積，cm2；k 為試件的滲透系數，cm/h；H 為加壓壓力，MPa；T 為恒壓時間，h；D 為試件高度，cm。試件抗滲壓力測試原理示意圖如圖1所示。

圖1 試件抗滲壓力測試原理示意圖

假設試件的吸水率為a，則T 時間段內滲入試件內部的水的體積又可以用式（2）表示。

聯立（1）（2）兩式可得式（3）。

假設從開始加壓至水剛好滲流到試件底面的整個時間為T，對上式分離變量后兩端同時積分可得式（4）。

求解積分可得式（5）。

對于采用逐級加壓法試驗，滲透系數公式為式（6）。

式中：Hi為恒壓壓力，MPa；Ti為恒壓時間，h。1 MPa等于10 200 cm水柱高度。

對于水泥基滲透結晶及環氧樹脂材料，涂層抗滲壓力=涂層試件抗滲壓力-基準砂漿試件抗滲壓力。按式（6）求得的滲透系數為假想的涂層厚度等于試件厚度時的滲透系數，涂層實際滲透系數需根據滲流時間一致原理進行折算，公式如式（7）。

式中：H1、H2為分別為試件、涂層厚度，cm；K1為假想的涂層厚度等于試件厚度時的滲透系數；K2為涂層實際滲透系數。

3.2 抗滲壓力與滲透系數換算

滲透系數是材料防滲性能的直接表達，在地下水污染防治相關標準上，多以滲透系數作為防滲材料的選擇依據。根據式（6）、式（7）對防滲材料滲透系數進行換算，可以得到其滲透系數，具體如表2所示。

表2 常見防滲材料滲透性系數換算結果一覽表

由表2 可知，防滲混凝土滲透系數基本都在10-9cm/s級別，水泥基滲透結晶、環氧樹脂及聚脲等防水涂料的滲透系數基本都在10-11cm/s級別。

根據《環境影響評價技術導則 地下水環境》（HJ 610—016）中分區防滲要求，防滲混凝土、水泥基滲透結晶型防水涂料、環氧樹脂及聚脲防水涂料等防滲材料單獨使用時，其最小厚度要求如表3所示。

表3 分區防滲中不同防滲材料最小厚度要求

表3 給出了在規定防滲技術要求下，各種防滲材料單獨使用時的最低厚度要求。在防滲設計時，還必須根據地面載荷及使用情況，考慮防滲層強度要求，以此合理確定最小厚度。通常，在實際防滲設計時，常常是防滲混凝土和防水涂料類結合使用，以同時滿足防滲層強度和防水要求。在防滲設計時，混凝土強度等級不宜低于C30、抗滲等級不應低于P8；根據防滲對象的不同，對于重點防滲區，混凝土結構厚度一般不應小于200～250 mm，水泥基滲透結晶型防水涂料、環氧樹脂涂料等厚度不應小于1.0 mm，噴涂聚服防水涂料厚度不應小于1.5 mm；對于一般防滲區，混凝土結構厚度一般不應小于150～50 mm［8］。

4 結語

通過對防滲混凝土、水泥基滲透結晶型、環氧樹脂及聚脲等防水涂料的抗滲能力與滲透系數關系的研究，建立了抗滲壓力與滲透系數的換算方法。換算結果表明，防滲混凝土的滲透系數基本都在10-9cm/s 級別，水泥基滲透結晶型、環氧樹脂及聚脲等防水涂料的滲透系數基本都在10-11cm/s 級別，這些防滲材料均具有較低的滲透系數和較好的防滲效果。