一种基于风积成因粉土的防渗材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及于水利水电工程领域，具体涉及一种基于风积成因粉土的防渗材料及其制备方法。


背景技术：

2.心墙作为心墙堆石坝的防渗结构的重要组成部分，直接影响到大坝填筑的总体施工质量和蓄水后的安全运行。心墙防渗土料是心墙堆石坝主要关键材料，对坝体渗透与稳定起控制作用，防渗体裂缝及引起的渗流冲刷是影响坝体安全的重要因素，故对防渗土料的要求很高。由于水库区域地质构造背景复杂，河床覆盖层超深厚，技术难度大。用于心墙堆石坝的土料，除满足防渗性能外，还需具有较好的物理力学性能，以能与坝壳堆石的变形相协调，减小坝壳对心墙的拱效应，改善心墙的应力应变，减少心墙裂缝的发生几率，从而减小心墙裂缝的发生概率。
3.以风积成因形成的土料，物质组成以粉粒为主，产量大，黏粒含量偏低，具有土质纯、渗透系数小等优点，总体上属于非分散性～过渡型土，但力学强度相对较低，并不能直接用作防渗土料使用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于风积成因粉土的防渗材料及其制备方法，解决了风积成因形成的土料难以直接作为防渗土料使用的问题。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.本发明提供一种基于风积成因粉土的防渗材料，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土48份～54份、片麻岩碎石料40份～45份和改性膨润土6份～10份。
7.进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述的基于风积成因粉土的防渗材料，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土50份～52份、片麻岩碎石料42份～44份和改性膨润土7份～8份。
8.进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述的基于风积成因粉土的防渗材料，其特征在于，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土51份、片麻岩碎石料43份和改性膨润土7.5份。
9.进一步地，在本发明较佳的实施例中，在所述风积成因粉土中：小于5mm颗粒含量为99％～100％；小于0.075mm颗粒含量为85％～99％；小于0.005mm颗粒含量为2％～18％；
10.所述风积成因粉土的含水率为8.5％～10％。
11.进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述改性膨润土的制备包括：
12.将粘粒含量为55％～70％的钠基膨润土与水混合配成浓度为1g/ml～1.5g/ml的悬浊液，对悬浊液加热至30℃～35℃后，在搅拌的状态下，按照固液比为1：(3～6)向悬浊液中滴入浓度为0.5mol/l～1mol/l的硫酸溶液，搅拌得到活化液；
13.在搅拌的状态下，按照固液比为1：(5～8)向活化液中滴入浓度为0.5mol/l～
1.5mol/l的聚二甲基硅氧烷后，加入0.1wt％～0.2wt％的磷酸镁铵搅拌均匀，得到改性液；
14.对改性液进行过滤、干燥、粉碎处理后，，加入20wt％的微晶纤维素混合，得到所述改性膨润土。
15.进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述片麻岩碎石料为饱和面干状态，且所述片麻岩碎石料的粒径为50mm～100mm。
16.进一步地，在本发明较佳的实施例中，在所述防渗材料中：小于5mm颗粒含量为30％～50％；小于0.075mm颗粒含量为35％～55％；小于0.005mm颗粒含量为8％～22％；
17.所述防渗材料的含水率为12～14％。
18.本发明提供上述的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法，包括：
19.将片麻岩碎石料和改性膨润土混合，搅拌均匀，得到第一混合料；
20.将第一混合料和风积成因粉土混合，搅拌均匀，得到所述防渗材料。
21.进一步地，在本发明较佳的实施例中，得到第二混合料的搅拌条件为：转速15～25r/min，时间1～3min。
22.进一步地，在本发明较佳的实施例中，得到所述防渗材料的搅拌条件为：转速10～20r/min，时间10～15min。
23.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
24.本发明实施例的基于风积成因粉土的防渗材料，片麻岩碎石料，作为防渗材料的掺砾成分，是防渗材料的支撑骨架，颗粒强度高，以增加抗剪强度和变形模量，减少收缩；采用改性后的膨润土，改性膨润土具有更强的吸附性能和黏结能力，从而提高防渗材料的防渗性能。本发明的基于风积成因粉土的防渗材料，防渗效果优异，力学强度高。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
26.本发明的技术方案为：
27.一种基于风积成因粉土的防渗材料，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土48份～54份、片麻岩碎石料40份～45份和改性膨润土6份～10份。
28.改性膨润土的制备包括：
29.将粘粒含量为55％～70％的钠基膨润土与水混合配成浓度为1g/ml～1.5g/ml的悬浊液，对悬浊液加热至30℃～35℃后，在搅拌的状态下，按照固液比为1：(3～6)向悬浊液中滴入浓度为0.5mol/l～1mol/l的硫酸溶液，搅拌得到活化液；
30.在搅拌的状态下，按照固液比为1：(5～8)向活化液中滴入浓度为0.5mol/l～1.5mol/l的聚二甲基硅氧烷后，加入0.1wt％～0.2wt％的磷酸镁铵搅拌均匀，得到改性液；
31.对改性液进行过滤、干燥、粉碎处理后，，加入20wt％的微晶纤维素混合，得到所述改性膨润土。
32.其中，所述风积成因粉土中：小于5mm颗粒含量为99％～100％；小于0.075mm颗粒含量为85％～99％；小于0.005mm颗粒含量为2％～18％；所述风积成因粉土的含水率为
8.5％～10％。该风积成因粉土，粉粒含量高，黏粒含量低，含水率能达到要求含水率范围。
33.其中，片麻岩碎石料为饱和面干状态，且所述片麻岩碎石料的粒径为50mm～100mm。片麻岩碎石料，作为防渗材料的掺砾成分，是防渗材料的支撑骨架，颗粒强度高，以增加抗剪强度和变形模量，减少收缩。片麻岩碎石料活性较低，经碾压后仍然能维持较高的压实密度及抗剪强度、较低的压缩性。
34.膨润土，作为防渗材料的增黏成分，价格低廉，性质稳定，无毒无害，黏结性强，具有优良的吸湿膨胀性、高吸附性、低渗透性及良好的自封闭性。本发明通过对膨润土先经过硫酸酸化改性，除去分布于其通道中的杂质，如混杂的有机物，使孔道得到疏通，有利吸附质分子的扩散；通过体积较小的h
+
离子置换膨润土层间的k
+
、na
+
、ca
2+
、mg
2+
离子，使孔容积得到增大，并削弱了原来层问的键力，层状晶格裂开，孔道被疏通，吸附性能提高；又通过加入聚二甲基硅氧烷后改善膨润土的分散性，加入磷酸镁铵以增加膨润土的层间距，让膨润土更容易分散成更薄的单晶片，以增加膨润土具有较大的内表面积，增强了其吸附性能和黏结能力，从而提高防渗材料的防渗性能。微晶纤维素结构上具有酯官能团和醚键，可以作为粉土、膨润土和碎石料的连接骨架，紧密连接；且微晶纤维素与微晶纤维素还能以长直链相互连接缠绕，形成牢固的空间网状构架，进而提高防渗材料的力学强度。
35.在所述防渗材料中：小于5mm颗粒含量为30％～50％；小于0.075mm颗粒含量为35％～55％；小于0.005mm颗粒含量为8％～22％；所述防渗材料的含水率为12～14％。
36.本发明实施例的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法，包括：
37.(1)将片麻岩碎石料和改性膨润土混合，以转速15～25r/min，时间1～3min，搅拌均匀，得到第一混合料；
38.(2)将第一混合料和风积成因粉土混合，以转速10～20r/min，时间10～15min，搅拌均匀，得到所述防渗材料。
39.以下为具体实施例
40.需要说明的是，在下面实施例中，在所述风积成因粉土中：小于5mm颗粒含量为99％～100％(平均为99.5％)；小于0.075mm颗粒含量为85％～99％(平均为95％)；小于0.005mm颗粒含量为2％～18％(平均为10％)；
41.所述风积成因粉土的含水率为8.5％～10％(平均为9％)。
42.片麻岩碎石料为饱和面干状态，且所述片麻岩碎石料的粒径为50mm～100mm(平均为75mm)。
43.实施例1：
44.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土48份、片麻岩碎石料40份和改性膨润土6份。
45.其中，改性膨润土的制备包括：
46.将粘粒含量为55％～70％(平均65％)的钠基膨润土与水混合配成浓度为1g/ml的悬浊液，对悬浊液加热至30℃后，在搅拌的状态下，按照固液比为1：3向悬浊液中滴入浓度为0.5mol/l的硫酸溶液，搅拌得到活化液；
47.在搅拌的状态下，按照固液比为1：5向活化液中滴入浓度为0.5mol/l的聚二甲基硅氧烷后，加入0.1wt％的磷酸镁铵搅拌均匀，得到改性液；
48.对改性液进行过滤、干燥、粉碎处理后，，加入20wt％的微晶纤维素混合，得到所述
改性膨润土。
49.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法，包括：
50.(1)将片麻岩碎石料和改性膨润土混合，以转速15r/min，时间1min，搅拌均匀，得到第一混合料；
51.(2)将第一混合料和风积成因粉土混合，以转速10r/min，时间10min，搅拌均匀，得到所述防渗材料。
52.实施例2：
53.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土50份、片麻岩碎石料42份和改性膨润土7份。
54.其中，改性膨润土的制备包括：
55.将粘粒含量为55％～70％(平均65％)的钠基膨润土与水混合配成浓度为1.0g/ml的悬浊液，对悬浊液加热至32℃后，在搅拌的状态下，按照固液比为1：4.5向悬浊液中滴入浓度为0.75mol/l的硫酸溶液，搅拌得到活化液；
56.在搅拌的状态下，按照固液比为1：6向活化液中滴入浓度为1mol/l的聚二甲基硅氧烷后，加入0.15wt％的磷酸镁铵搅拌均匀，得到改性液；
57.对改性液进行过滤、干燥、粉碎处理后，，加入20wt％的微晶纤维素混合，得到所述改性膨润土。
58.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法，包括：
59.(1)将片麻岩碎石料和改性膨润土混合，以转速20r/min，时间2min，搅拌均匀，得到第一混合料；
60.(2)将第一混合料和风积成因粉土混合，以转速15r/min，时间12min，搅拌均匀，得到所述防渗材料。
61.实施例3：
62.实施例的基于风积成因粉土的防渗材料，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土51份、片麻岩碎石料43份和改性膨润土7.5份。
63.其中，改性膨润土的制备包括：
64.将粘粒含量为55％～70％(平均65％)的钠基膨润土与水混合配成浓度为1.5g/ml的悬浊液，对悬浊液加热至35℃后，在搅拌的状态下，按照固液比为1：6向悬浊液中滴入浓度为1mol/l的硫酸溶液，搅拌得到活化液；
65.在搅拌的状态下，按照固液比为1：8向活化液中滴入浓度为1.5mol/l的聚二甲基硅氧烷后，加入0.2wt％的磷酸镁铵搅拌均匀，得到改性液；
66.对改性液进行过滤、干燥、粉碎处理后，，加入20wt％的微晶纤维素混合，得到所述改性膨润土。
67.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法，包括：
68.(1)将片麻岩碎石料和改性膨润土混合，以转速25r/min，时间3min，搅拌均匀，得到第一混合料；
69.(2)将第一混合料和风积成因粉土混合，以转速20r/min，时间15min，搅拌均匀，得到所述防渗材料。
70.实施例4：
71.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土52份、片麻岩碎石料44份和改性膨润土8份。
72.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法以及改性膨润土的制备与实施例1一致。
73.实施例5：
74.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土54份、片麻岩碎石料45份和改性膨润土10份。
75.本实施例的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法以及改性膨润土的制备与实施例2一致。
76.对照例1：
77.本对照例的基于风积成因粉土的防渗材料的组成和制备方法与实施例1一致，区别在于采用未改性的膨润土。
78.1、密度试验
79.对实施例1-5以及对照例1制得到的基于风积成因粉土的防渗材料的密度进行测试，试验方法按《水电水利工程土工试验规程》dl/t5355-2006和《土石筑坝材料碾压试验规程》nb/t35016-2013的规定执行：采用试坑灌水法，将测点位置表面振动碾齿深厚的土挖除，采用直径为50cm的套环，环外缘距试验单元边线不小于0.5m、端线不小于1m，相邻两个试验坑中心间距不小于最大试坑直径的2倍。挖坑深度为填筑层厚度，每个组合布置5个取样试坑，以5个试坑检测结果的平均值作为试验单元的压实干密度值和含水率。
80.2、渗透试验
81.在密度试验结束后，进行现场原位渗透试验，检测位置与现场密度试验测点错开，采用渗透装置(内环内径为22.6cm，高15cm；外环内径为45.2cm，高15cm)，在试验区按预定深度开挖1.5m
×
2.0m的试坑，在坑底再下挖直径等于外环(45.2cm)，深15cm～20cm的贮水坑，整平坑底，在两环底部均匀地铺上粒径为10mm～20mm的防渗材料，厚度为20mm，然后注水进行原位渗透试验。
82.3、压缩试验：
83.对实施例1-5以及对照例1制得到的基于风积成因粉土的防渗材料进行高压大型压缩试验(饱和试验和非饱和试验)，压力0.1-0.2mpa。
84.上述的试验结果见表1。
85.表1
86.87.从上表结果可以看出，防渗材料的含水率可以在制备过程中进行调节以达到要求，但从干密度、渗透系数和压缩系数可以看出，本发明防渗材料表现更加优异，防渗效果更优，力学性能更佳。
88.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于风积成因粉土的防渗材料，其特征在于，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土48份～54份、片麻岩碎石料40份～45份和改性膨润土6份～10份。2.根据权利要求1所述的基于风积成因粉土的防渗材料，其特征在于，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土50份～52份、片麻岩碎石料42份～44份和改性膨润土7份～8份。3.根据权利要求2所述的基于风积成因粉土的防渗材料，其特征在于，主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土51份、片麻岩碎石料43份和改性膨润土7.5份。4.根据权利要求1-3任一项所述的基于风积成因粉土的防渗材料，其特征在于，在所述风积成因粉土中：小于5mm颗粒含量为99％～100％；小于0.075mm颗粒含量为85％～99％；小于0.005mm颗粒含量为2％～18％；所述风积成因粉土的含水率为8.5％～10％。5.根据权利要求1-3任一项所述的基于风积成因粉土的防渗材料，其特征在于，所述改性膨润土的制备包括：将粘粒含量为55％～70％的钠基膨润土与水混合配成浓度为1g/ml～1.5g/ml的悬浊液，对悬浊液加热至30℃～35℃后，在搅拌的状态下，按照固液比为1：(3～6)向悬浊液中滴入浓度为0.5mol/l～1mol/l的硫酸溶液，搅拌得到活化液；在搅拌的状态下，按照固液比为1：(5～8)向活化液中滴入浓度为0.5mol/l～1.5mol/l的聚二甲基硅氧烷后，加入0.1wt％～0.2wt％的磷酸镁铵搅拌均匀，得到改性液；对改性液进行过滤、干燥、粉碎处理后，加入20wt％的微晶纤维素混合，得到所述改性膨润土。6.根据权利要求1-3任一项所述的基于风积成因粉土的防渗材料，其特征在于，所述片麻岩碎石料为饱和面干状态，且所述片麻岩碎石料的粒径为50mm～100mm。7.根据权利要求1-3任一项所述的基于风积成因粉土的防渗材料，其特征在于，在所述防渗材料中：小于5mm颗粒含量为30％～50％；小于0.075mm颗粒含量为35％～55％；小于0.005mm颗粒含量为8％～22％；所述防渗材料的含水率为12～14％。8.一种根据权利要求1-7任一项所述的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法，其特征在于，包括：将片麻岩碎石料和改性膨润土混合，搅拌均匀，得到第一混合料；将第一混合料和风积成因粉土混合，搅拌均匀，得到所述防渗材料。9.根据权利要求4所述的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法，其特征在于，得到第一混合料的搅拌条件为：转速15～25r/min，时间1～3min。10.根据权利要求4所述的基于风积成因粉土的防渗材料的制备方法，其特征在于，得到所述防渗材料的搅拌条件为：转速10～20r/min，时间10～15min。

技术总结
本发明公开了一种基于风积成因粉土的防渗材料及其制备方法，属于水利水电工程领域。其主要包括以下重量份的原料：风积成因粉土48份～54份、片麻岩碎石料40份～45份和改性膨润土6份～10份。本发明实施例的基于风积成因粉土的防渗材料，片麻岩碎石料，作为防渗材料的掺砾成分，是防渗材料的支撑骨架，颗粒强度高，以增加抗剪强度和变形模量，减少收缩；采用改性后的膨润土，改性膨润土具有更强的吸附性能和黏结能力，从而提高防渗材料的防渗性能。本发明的基于风积成因粉土的防渗材料，防渗效果优异，力学强度高。力学强度高。


技术研发人员：车维斌 赵云飞 熊亮 崔全有 江万红 薛凯 刘玲 车金龙
受保护的技术使用者：中国水利水电第五工程局有限公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/9/22