地下水污染防治中防滲材料滲透系數(shù)研究

張海黎

（四川欣洋遠(yuǎn)錦環(huán)?？萍加邢薰?，四川 成都 610000）

0 引言

地下水污染防控，首先應(yīng)該進(jìn)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(yīng)采取合理防滲措施，阻斷污染物進(jìn)入地下水環(huán)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、配合防水涂料共同構(gòu)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(gòu)筑物等防滲。此外，對于現(xiàn)有硬化地面的防滲改造，剛性防滲更具優(yōu)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(gòu)筑防滲層；二是在防滲混凝土表面刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料或噴涂環(huán)氧樹脂或聚脲等構(gòu)成防滲層。這些防滲材料多以抗?jié)B壓力表征防滲性能，而相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中，常以滲透系數(shù)作為防滲層設(shè)計依據(jù)。因此，有必要進(jìn)行抗?jié)B壓力與滲透系數(shù)對比關(guān)系的研究。

1 防滲技術(shù)要求

對于未頒布相關(guān)防滲標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)，《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ 610—2016）給出了不同防滲分區(qū)的防滲技術(shù)要求，規(guī)定了等效黏土防滲層的最小厚度及最大滲透系數(shù)。該規(guī)定提出的防滲要求本質(zhì)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(qū)防滲技術(shù)要求

由表1 可知，對于重點防滲區(qū)，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(qū)，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?jié)B（防滲）混凝土

抗?jié)B混凝土通過提高混凝土的密實度，改善孔隙結(jié)構(gòu)，以減少滲透通道、提高抗?jié)B性。提高混凝土抗?jié)B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?jié)B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(nèi)產(chǎn)生微氣泡，截斷毛細(xì)管通道，改變孔隙結(jié)構(gòu)，從而隔斷滲流、提高混凝土的抗?jié)B性能［1］。

采用混凝土構(gòu)筑防滲層時，混凝土抗?jié)B等級不能小于P6。防滲混凝土抗?jié)B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?！端せ炷翆嶒炓?guī)程》（SL 352—2020）規(guī)定，混凝土抗?jié)B等級是以28 d齡期的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)晶型防水涂料

混凝土防滲處理，一般采用水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料進(jìn)行施工，即將水泥基滲透結(jié)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(jié)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(xué)物質(zhì)制成的粉狀材料，經(jīng)與水拌和后調(diào)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(xué)物質(zhì)通過滲流和離子濃度梯度或是混凝土自身的正常毛細(xì)管道進(jìn)入混凝土，與游離的硅酸根離子反應(yīng)形成鈣礬石的晶體，填充混凝土細(xì)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(xué)物質(zhì)可隨水在縫隙中滲透遷移，當(dāng)混凝土中產(chǎn)生新的細(xì)微縫隙時，一旦有水滲入，又可促使未水化水泥產(chǎn)生新的晶體把縫隙堵住。從而賦予混凝土自修復(fù)能力和可靠的永久性防水抗?jié)B作用［4］。

《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》（GB 18445—2012）規(guī)定，帶防水涂層試件的抗?jié)B壓力不小于1 MPa。試驗采用抗?jié)B壓力0.4+-00..01MPa、28 d 齡期的基準(zhǔn)砂漿抗?jié)B試件，防水涂料用量1.5 kg/m2，涂層厚度約1 mm?？?jié)B試驗按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）中規(guī)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(xiàn)滲水時的壓力減去0.1 MPa作為該組試件的抗?jié)B壓力。

2.3 環(huán)氧樹脂防水涂料

環(huán)氧樹脂防水涂料是一種以環(huán)氧樹脂為主要組分，與固化劑反應(yīng)后生成的具有防水功能的雙組分反應(yīng)型涂料。環(huán)氧樹脂防滲處理，一般選用高滲透環(huán)氧樹脂防水涂料，該材料是一種低分子量材料（約占質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%）與高分子量材料（約占質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%）的共混物。噴涂施工完成后，低分子量的物質(zhì)可沿混凝土表面的毛細(xì)孔、微裂隙和微裂紋從外向內(nèi)滲入混凝土內(nèi)一定深度并固結(jié)，有充填和封閉空隙的作用；高分子量的物質(zhì)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(huán)氧樹脂防水涂料》（JC/T 2217—2014）規(guī)定，環(huán)氧樹脂涂層抗?jié)B壓力不小于1.0 MPa。試驗采用抗?jié)B壓力0.4+0.0MPa、28 d 齡期的基準(zhǔn)砂漿抗?jié)B試-0.1件。用毛刷分3~5 次涂布于基準(zhǔn)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(jìn)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(xiàn)滲水時的壓力減去0.1 MPa作為該組試件的抗?jié)B壓力。涂層抗?jié)B壓力=涂層試件抗?jié)B壓力-基準(zhǔn)砂漿試件抗?jié)B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(yīng)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(yōu)點。同時，還具有環(huán)保、快速固化、對濕氣不敏感等施工優(yōu)勢［6］。噴涂聚脲材料采用專用噴涂設(shè)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(guī)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(shù)研究

3.1 抗?jié)B試驗原理分析

抗?jié)B試驗過程中，試件中的水流動符合達(dá)西定律，基準(zhǔn)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(shù)，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?jié)B壓力測試原理示意圖如圖1所示。

圖1 試件抗?jié)B壓力測試原理示意圖

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

聯(lián)立（1）（2）兩式可得式（3）。

假設(shè)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(shù)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(jié)晶及環(huán)氧樹脂材料，涂層抗?jié)B壓力=涂層試件抗?jié)B壓力-基準(zhǔn)砂漿試件抗?jié)B壓力。按式（6）求得的滲透系數(shù)為假想的涂層厚度等于試件厚度時的滲透系數(shù)，涂層實際滲透系數(shù)需根據(jù)滲流時間一致原理進(jìn)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(shù)；K2為涂層實際滲透系數(shù)。

3.2 抗?jié)B壓力與滲透系數(shù)換算

滲透系數(shù)是材料防滲性能的直接表達(dá)，在地下水污染防治相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上，多以滲透系數(shù)作為防滲材料的選擇依據(jù)。根據(jù)式（6）、式（7）對防滲材料滲透系數(shù)進(jìn)行換算，可以得到其滲透系數(shù)，具體如表2所示。

表2 常見防滲材料滲透性系數(shù)換算結(jié)果一覽表

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

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ 610—016）中分區(qū)防滲要求，防滲混凝土、水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料、環(huán)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(qū)防滲中不同防滲材料最小厚度要求

表3 給出了在規(guī)定防滲技術(shù)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(shè)計時，還必須根據(jù)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(shè)計時，常常是防滲混凝土和防水涂料類結(jié)合使用，以同時滿足防滲層強度和防水要求。在防滲設(shè)計時，混凝土強度等級不宜低于C30、抗?jié)B等級不應(yīng)低于P8；根據(jù)防滲對象的不同，對于重點防滲區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)厚度一般不應(yīng)小于200～250 mm，水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料、環(huán)氧樹脂涂料等厚度不應(yīng)小于1.0 mm，噴涂聚服防水涂料厚度不應(yīng)小于1.5 mm；對于一般防滲區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)厚度一般不應(yīng)小于150～50 mm［8］。

4 結(jié)語

通過對防滲混凝土、水泥基滲透結(jié)晶型、環(huán)氧樹脂及聚脲等防水涂料的抗?jié)B能力與滲透系數(shù)關(guān)系的研究，建立了抗?jié)B壓力與滲透系數(shù)的換算方法。換算結(jié)果表明，防滲混凝土的滲透系數(shù)基本都在10-9cm/s 級別，水泥基滲透結(jié)晶型、環(huán)氧樹脂及聚脲等防水涂料的滲透系數(shù)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(shù)和較好的防滲效果。