一種水利工程用防滲漏新復合材料制備及應用效果

關鍵詞：黏土；纖維素；植物膠；防滲漏材料；滲水率中圖分類號：TQ172.4 ；TU57 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）05-0104-04

Abstract：Inorderto improve the water storage efect of water conservancy projects，metakaolin wasusedas a clay materialand compounded with hydroxypropylmethylceluloseand Tianjing vegetable gum to preparecellulose/clayanti-leakage materialsandvegetable gum/clayanti-leakage materials，and their properties were studied.Theresultsshowed that theaddition of hydroxypropyl methylcellloseand vegetable gum totheanti-leakage materialscould increase their particle size and make them have the ability to prevent leakage.When theanti -leakage materials were prepared with 0.6% cellulose and 1.0% vegetable gum，the water seepage rate was basically 0.00% at 900 h，and the water quality was good for30 days.The pH valueswere7.20and7.28，the CODMn were 3.315and2.744 mg/L，the ammonia nitrogen contents were 0.352andO.375mg/L，andtheturbiditywere2.241and2.018NTU，respectively.Moreover，the3O-daystorage water quality reached the relevant national standards，and the storage efect was beter than that of HDPE geomembrane， which has certain potential value in the application of water conservancy engineering.

Key words ： clay ；cellulose ； plant gum ；anti leakage materials ； permeability rate

在各水利工程中，常常使用混凝土材料建造集水池等，經常因混凝土材料開裂而引起坍塌，降低水利工程的安全性和服役壽命[12]。因此，針對防止水分滲漏材料的研究成為一個科學熱點。祁詣恒等為提高水閘護坡防滲性能，通過塑性纖維對混凝土材料進行改性，制備一種抗壓、抗拉強度、抗滲能力較好的改性混凝土材料[3]。周榮則以提高石壩面膜防滲結構安全性為目的，通過室內模型試驗，研究了不同墊層材料對石壩防滲膜性能的作用效果[4]另外，董洋等通過黏土和膨潤土，研制了一種防滲密封材料，并對其性能進行研究，在防滲墻工程應用中，該防滲密封材料可以有效阻止底部地下水繞流，防滲性能較好[5]。黏土類防滲漏材料在各水利工程中應用較多，特別是在我國西北干旱地區[6。基于此，本試驗使用偏高嶺土作為黏土材料，以羥丙基甲基纖維素作為纖維素材料，以田菁膠作為植物膠材料，分別制備摻雜纖維素的黏土防滲漏材料以及摻雜植物膠的黏土防滲漏材料，并研究各防滲漏材料性能和儲水效果。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：偏高嶺土（工業純，龍創礦產）；田菁膠（AR，思揚生物）；羥丙基甲基纖維素（AR，萬山新材料）；HDPE土工膜（工業純，信迎新材料）。

主要設備：JA5003B型電子天平（儀田儀器）；QL-N9型激光散射納米粒度儀（群隆儀器）；HTS-576型干燥箱（世測儀器）；RS-WTM型多功能水質測定儀（建大仁科）。

1.2 試驗方法

1.2.1 黏土的預處理

本試驗選用的黏土材料為偏高嶺土。對偏高嶺土材料依次進行過篩、粉碎，然后，放入烘箱中，在恒溫95℃條件下進行烘干處理，備用。

1.2.2 防滲漏材料的制備

以偏高嶺土作為黏土材料，通過添加適量纖維素和植物膠，制備適用于水利工程的防滲漏材料。在本試驗中，選用的纖維素和植物膠分別是羥丙基甲基纖維素、田菁膠[7-8]。該防滲漏材料的具體制備步驟如下：

（1）使用電子天平稱量一定量預處理完成的黏土，并按照黏土總質量的百分比稱量適量纖維素或植物膠；

（2）將黏土和纖維素（或植物膠）混合，將攪拌速率設置為300r/min，攪拌處理時間為 ，即可獲得防滲漏材料；

（3）將防滲漏材料裝人杯底有均勻小孔的塑料杯中，注意平鋪，讓塑料杯中的防滲漏材料平整且光滑，自然養護一定時間，即可作為防滲漏材料試樣進行后續試驗。

1.3 性能測試

1.3.1 粒徑分布

先使用干燥箱對制備的防滲漏材料進行干燥處理，然后進行研磨處理，獲得約200目粒度的防滲漏材料粉末。之后，再通過激光散射納米粒度儀測試防滲漏材料，對各防滲漏材料的粒徑分布情況進行分析。

1.3.2 防滲漏性能

在常溫環境中，將一定量水裝人含有防滲漏材料的帶孔塑料杯中，每間隔一定時間就使用電子天平稱量滲漏出來的水的質量。根據稱量數據計算該防滲漏材料的滲水率，具體公式 ：

式中： 為塑料杯中水初始質量，g； 為容器質量，g； 為當經過 時間時，容器和滲漏出的水的

總質量，g。

1.3.3 儲存水質分析

在不同的塑料桶中分別平鋪HDPE土工膜以及試驗制備的防滲漏材料，再分別倒入自來水2L。然后，在一個底部未鋪任何材料的空塑料桶中倒入2 L 自來水，作為空白水樣，進行對比試驗。使用水質測定儀，對儲存一定時間后各塑料桶中的水質變化情況進行測試，分析各材料的儲存水質。

2 結果與分析

2.1 纖維素添加量優化

2.1.1 粒徑分布

為探究纖維素的添加對防滲漏材料的作用效果，試驗對純黏土材料和單獨添加1.4%纖維素的防滲漏材料分別進行粒徑分布測試，并分析各材料的平均粒徑，具體見圖1。

由圖1可知，純黏土材料的顆粒粒徑主要分布在 25μm左右。添加 1.5% 纖維素的防滲漏材料粒徑則主要分布在 25～50μm 。根據圖1中呈現的相關數據計算并分析可知，純黏土材料的平均粒徑為30.24μm ，添加 1.0% 纖維素的防滲漏材料平均粒徑則達到 32.61μm 。這是因為，在防滲漏材料中，黏土材料可以和纖維素發生相互作用，出現團聚現象。這在一定程度上可以增大防滲漏材料中顆粒的體積，從而使防滲漏材料中顆粒之間間隙減小。因此，水分從防滲漏材料中經過的通道變窄、變少，從而起到阻礙水分經過、防滲漏的目的[10-I1]。綜上，與純黏土材料相比，在純黏土材料中添加纖維素所制備的防滲漏材料平均粒徑很大，有一定的防滲漏性能。

2.1.2 防滲漏性能

本試驗以偏高嶺土為黏土材料，以不同羥丙基甲基纖維素添加量制備防滲漏材料。并對各防滲漏材料進行防滲漏性能測試，分析在900h時各防滲漏材料的滲水率情況，具體見圖2。

由圖2可知，與未添加任何纖維素的純黏土材料相比，各添加有纖維素的防滲漏材料900h時的滲水率明顯下降。當未添加任何纖維素時，純黏土材料的滲水率最大，達到45.68%。從圖2還可以看到，當纖維素添加量為0.2%和0.4%時，防滲漏材料的900h滲水率較小。當在純黏土材料中添加0.2%纖維素時，防滲漏材料防水率迅速降低到9.46%，降低幅度為79.29%。當在純黏土材料中添加0.4%纖維素時，防滲漏材料防水率也較低，為13.23%。這與純黏土材料相比，降低幅度達到71.04%。當纖維素添加量達到0.6%及以上時，防滲漏材料在900h時的滲水率基本為0.00%，防滲漏性能較好。這些試驗現象的原理是，純黏土材料顆粒之間存在較多的空隙，整體比較疏松。因此，純黏土材料中有較多的水分經過通道，所以，滲水率較大，防滲漏能力較弱。當在純黏土材料中添加適量纖維素時，纖維素材料可以與黏土材料相互作用，使防滲漏材料整體變得更加致密。因此，在防滲漏材料基體中，各顆粒之間的粘附性更好，間隙減小。所以，防滲漏材料中的孔洞、空隙等數量減小，水分經過的通道減少，材料擁有阻礙水分經過的能力，具備一定防滲漏能力[1214]。總之，當纖維素添加量在0.6%及以上時，防滲漏材料的防滲漏效果較好。綜上，在防滲漏材料中，纖維素添加量應為0.8%。

2.2 植物膠添加量優化

2.2.1 粒徑分布

試驗以田菁膠作為植物膠，研究純黏土材料和添加 0.4% 植物膠的防滲漏材料粒徑分布情況，并分析各材料的平均粒徑，具體見圖3。

由圖3可知，純黏土材料和添加 0.4% 植物膠的防滲漏材料粒徑均主要分布在 25μm左右。其中，在 25～100μm ，添加 0.4% 植物膠的防滲漏材料粒徑累計分布明顯多余純黏土材料。基于圖3中相關數據，計算并分析得到純黏土材料的平均粒徑為30.24μm ，添加 0.4% 植物膠的防滲漏材料平均粒徑則高達 33.15μm 。這種變化與在防滲漏材料中添加纖維素時相比，差別不大。當在防滲漏材料中添加適量植物膠時，植物膠可以和纖維素發生相互作用，產生團聚，從而使防滲漏材料中的顆粒粒徑增大。因此，防滲漏材料中顆粒之間間隙減小，水分經過的通道被阻礙[15-16]。所以，材料防滲漏性能提高。綜上，在防滲漏材料中添加植物膠，可以增大其粒徑，增強其防滲漏的能力。

2.2.2 防滲漏性能

為了探究在防滲漏材料中植物膠添加量的作用效果，試驗以不同植物膠添加量制備防滲漏材料，進行 900h 的防滲漏試驗，測試結果見圖4。

由圖4可知，隨著防滲漏材料中植物膠添加量的增多，滲水率基本呈現不斷減小的趨勢。當未添加任何植物膠材料時，純黏土材料在 900h 時的滲水率最大，達到 45.68% 。當添加 0.2% 植物膠時，防滲漏材料滲水率迅速較低，為11.25%。當防滲漏材料中植物膠添加量為 0.8% 時，滲水率減小到3.51%。可以看到，當防滲漏材料中的植物膠添加量達到 1.0% 時，滲水率基本為 0.00% ，防滲漏效果較好。這些變化說明，植物膠的添加，可以顯著提高防滲漏材料的防滲漏能力。并且，這種提升效果隨著植物膠添加量的增多更加明顯。這些現象都是由于添加植物膠使防滲漏材料粒徑增大引起的[17-18]總之，在試驗中，當添加植物膠1.0%時，防滲漏材料的防滲漏能力較佳。

2.3 儲存水質分析

試驗分別以 0.6% 纖維素添加量和 1.0% 植物膠添加量制備不同的防滲漏材料，并與市售HDPE土工膜、空白水樣進行對比試驗，研究儲存30d時的水質情況。具體測試結果見表1。

由表1可知，在儲存水質的酸堿性方面，各防滲漏材料和空白水樣的 pH值基本無較大差別。在存儲水質的 方面 ，0.6% 纖維素防滲漏材料和空白水樣相差不大， 1.0% 植物膠防滲漏材料低于空白水樣。而HDPE土工膜的 則達到15.064mg/L。這不符合GB5749—2006中生活飲用水的相關標準要求[19-20]。另外，在儲存水質的氨氮含量方面，0.6%纖維素防滲漏材料和 1.0% 植物膠防滲漏材料儲存水質的氨氮含量均低于空白水樣，而HDPE土工膜的儲存水質氨氮含量則較高，不能滿足相關要求。并且，在渾濁度方面，0.6%纖維素防滲漏材料和1.0%植物膠防滲漏材料儲存水質的渾濁度均能達到相關標準要求。而HDPE土工膜的儲存水質渾濁度則較高。總之，試驗制備的0.6%纖維素防滲漏材料和 1.0% 植物膠防滲漏材料有著較好的防滲漏能力，且對存儲水質的作用效果較小，水質情況較好，可以符合相關標準要求。

3結語

（1）纖維素和植物膠的添加均可以增大防滲漏材料粒徑，提高其防滲漏性能。純黏土材料、纖維素/黏土防滲漏材料和植物膠/黏土防滲漏材料的平均粒徑分別是30.24、32.61和33.15μm；（2）纖維素最佳添加量應為0.6%及以上，而植物膠最佳添加量為1.0%。此時，各防滲漏材料在900h時的滲水率基本為0.00%，防滲漏性能較好；（3）0.6%纖維素防滲漏材料和 1.0% 植物膠防滲漏材料對儲存水質不會產生較大影響，30d儲存水質情況較好。

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（責任編輯：蘇幔）