一种垂直防污屏障用塑性混凝土的制作方法

1.本发明涉及混凝土材料技术领域，具体涉及一种垂直防污屏障用塑性混凝土。


背景技术：

2.20世纪80年代以来，中国工业化和城市化的高速发展产生了大量固体废弃物，填埋是我国当前和今后几十年内处理固体废弃物的必然选择，而填埋处置污染控制是亟须解决的环境问题，因此垂直防污屏障应运而生，其主要作用是防止渗沥液污染周围土壤和地下水。塑性混凝土由于低强度，低弹模，大应变，渗透系数小，具有良好经济性等优点，使其在大坝防渗墙中得以应用，目前使用塑性混凝土建成使用的有册田水库大坝，百文祭大坝，希尼尔大坝，绿茵湖水库大坝，上坝水电站大坝等，而在垂直防污屏障应用方面国内还较少，主要有深圳玉龙坑垃圾填埋场垂直防污屏障等。塑性混凝土作为垂直防污屏障的主体材料，要承受一定的荷载和渗沥液的侵蚀，这就要满足强度要求；为了阻止渗沥液的运移和扩散，避免污染周围土壤及地下水，这就要求塑性混凝土有良好的抗渗性能；同时现场浇筑这样大体积的塑性混凝土，需要有良好的可施工性(拌合物密度和流动度)。因此，选择合适的塑性混凝土配比材料，选用合理的塑性混凝土配合比来制作性能优良的塑性混凝土垂直防污屏障，意义重大。
3.垂直防污屏障用塑性混凝土的密度、流动度是塑性混凝土的基本性能，通过调整水胶比(水与胶凝材料之比；胶凝材料指水泥、高炉矿渣粉等)、骨料集配及掺入量、膨润土掺入量等手段比较容易满足设计要求。而与单纯的水环境不同，垂直防污屏障用塑性混凝土更强调塑性混凝土与污染场地渗沥液的化学相容性，保证一定的强度要求，限制水流的侧向流入与流出，将污染源完全与四周隔离，并在设计的服役年限期间内不劣化，因此不仅要考虑水环境下，塑性混凝土的强度和渗透系数，还要考虑渗沥液对塑性混凝土强度和渗透系数的影响。本专利申请之前的塑性混凝土配合比主要应用于大坝中，考虑的是密度、流动度、可施工性等方面满足设计要求，在强度及渗透系数方面主要考虑水环境的影响，但在垂直防污屏障中，塑性混凝土处在渗沥液环境下，渗沥液的种类有可能会影响塑性混凝土的物理化学性质，所以需要考虑渗沥液与塑性混凝土的化学相容性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种垂直防污屏障用塑性混凝土，使本发明的塑性混凝土垂直防污屏障在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，满足密度、流动度、强度、渗透系数等设计要求。
5.为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，一种垂直防污屏障用塑性混凝土，按质量百分比计，包括：水19.7～23.1％、水泥1.9～2.2％、高炉炉渣粉5.8～6.5％、改性膨润土2.3～2.8％、改性玄武岩纤维0.04％和砂66.36～69.26％。
6.优选的，按质量百分比计，包括：水19.71％、水泥2.22％、高炉炉渣粉6.50％、改性膨润土2.27％、改性玄武岩纤维0.04％和砂69.27％。
7.优选的，所述水泥为硅酸盐水泥，细度为0.08mm。
8.优选的，所述高炉炉渣粉为膨胀矿渣粉，所述膨胀矿渣粉粒径为200目。
9.优选的，所述改性膨润土为改性钠基膨润土，所述改性膨润土的粒径为325目。
10.优选的，所述改性膨润土通过如下改性方法制备：将丙烯酸溶于水，缓慢滴入氢氧化钠中和溶液酸度，冷却后加入热引发剂过硫酸钠；加入膨润土搅拌制浆，土浆中膨润土含量为30～50％，加热土浆至温度高于引发剂热解温度；土浆充分反应后烘干，研磨过筛，得到改性膨润土。
11.优选的，改性玄武岩纤维为表面增加纳米二氧化硅粒子的改性玄武岩纤维，改性玄武岩纤维的密度为1.3g/cm3。
12.优选的，所述改性玄武岩纤维通过如下改性方法制备：将纳米二氧化硅粉体加入到已调节ph为5的乙醇－水的分散液中，超声分散，边搅拌边滴加硅烷偶联剂，在80℃反应12h，离心分离、洗涤、烘干得到改性二氧化硅粉末，最后对玄武岩纤维进行表面涂覆改性二氧化硅粉末，得到改性玄武岩纤维。
13.优选的，所述纳米二氧化硅粉体与所述分散液的质量体积比为1：20；所述硅烷偶联剂与所述分散液的质量体积比为1：50。
14.优选的，所述砂为级配均匀的中砂，其平均粒径d
50
＝0.7mm。
15.本发明的另一个目的是提供一种垂直防污屏障的构建方法，包括，开挖60～200cm宽的沟槽，沟槽开挖至不透水层以下90～250cm，再浇筑如权利要求1～9中任一所述的一种垂直防污屏障用塑性混凝土，待浇筑完成后，顶部与hdpe土工膜连接。
16.优选的，在施工浇筑时先建造导墙。
17.本发明与现有技术相比，本发明具有以下优点：
18.(1)利用膨胀矿渣粉的潜在活性，抵抗硫酸盐的侵蚀，抑制裂纹的产生，改善塑性混凝土的孔结构，使孔径得以细化和均化，提高塑性混凝土在有硫酸根离子渗沥液环境下的强度和抗渗性能；同时膨胀矿渣粉替代水泥，降低了水泥用量，节约了成本。
19.(2)利用钙基膨润土钠化后的改性钠基膨润土，提高其ph，为水泥水化反应提供更加良好的环境，提高渗沥液环境下塑性混凝土的强度；增加交换性阳离子含量，形成具有微孔网格结构，比表面积大的多孔活性物质，改善其化学特性与物理吸附性，提高塑性混凝土在有氢氧根离子、重金属离子渗沥液环境下的抗渗性能。
20.(3)利用表面增加纳米二氧化硅粒子的改性玄武岩纤维，有效提高纤维表面粗糙度，增加有机污染物与载体间的有效接触面积，改性后的玄武岩纤维表面有阳离子的存在，促进有机污染物固定，提高塑性混凝土在有机污染物环境下的抗渗性能；且改性玄武岩纤维可直接在环境中降解，无任何危害，减少对土壤和地下水的污染。
21.(4)利用砂，颗粒级配良好，避免塑性混凝土材料的泌水与离析，使其具有良好的可施工性；中间孔隙可被水泥塞满，充分发挥水泥的作用，使其强度发挥最大效益。
附图说明
22.附图用来提供对本发明的优选的理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
23.图1为本发明实际施工中塑性混凝土垂直防污屏障的构建图；
24.图2为本发明实施例1所述的渗透系数变化曲线图；
25.图3为本发明实施例2所述的渗透系数变化曲线图；
26.图4为本发明实施例3所述的渗透系数变化曲线图；
27.图5为本发明实施例4所述的渗透系数变化曲线图。
具体实施方式
28.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
29.以下实施例所采用的硅酸盐水泥为本领域技术人员熟知的硅酸盐水泥即可，并无特殊的限制。以下实施例所采用的硅酸盐水泥其比重为3.0～3.2，细度0.08mm，筛余≤10％，初凝时间≥45min，终凝时间≤10h，28d抗压强度≥42.5mpa，so3含量≤3.5％，mgo含量≤5.0％，烧失量≤5.0％。
30.膨胀矿渣粉、砂、膨润土、玄武岩纤维均为市售。以下实施例所采用的膨胀矿渣粉其比表面积≥0.26m2/g，碱度≥1.87，cao含量≥39％，sio2含量≥33％，al2o3含量≥15％。
31.以下实施例所采用的砂为级配均匀的中砂，其平均粒径d
50
＝0.7mm，不均匀系数c
u
＝6，曲率系数c
c
＝1.1，最大干密度为1.74g/cm3，最小干密度为1.43g/cm3。
32.改性膨润土通过如下改性方法制备得到：将丙烯酸溶于水，缓慢滴入氢氧化钠中和溶液酸度，冷却后加入热引发剂过硫酸钠；加入膨润土(液限100～200％，水化膨胀率1.5～3.5ml/g)搅拌制浆，土浆中膨润土含量为30～50％，加热土浆至温度高于引发剂热解温度，具体为65℃；土浆充分反应后置于105℃烘箱烘干，研磨过200目筛，制得改性钠基膨润土，其液限≥300％，水化膨胀率≥11ml/g，阳离子交换容量≥80meq/100g。所用的试剂均为市售。
33.改性玄武岩纤维通过如下改性方法制备得到：将粒径为120nm的纳米二氧化硅粉体放置于80℃真空干燥箱中12h，然后加入到已经调节ph为5的乙醇－水的分散液中(1/20g/ml)，超声分散1h，再边搅拌边滴加1/50g/mlγ－甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，在80℃反应12h后，离心分离、乙醇洗涤，反复3次，除掉多余和自聚的γ－甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，进而60℃烘箱烘干得到改性二氧化硅粉末，最后对玄武岩纤维(长度为12mm，半径为39μm，拉伸量为6％)进行表面涂覆改性二氧化硅粉末，进行化学修饰，即通过无机粒子硅羟基与改性剂间的化学反应，改变二氧化硅粒子的表面结构，并采用偶联剂法的方式，制得改性玄武岩纤维，其密度为1.3g/cm3，拉伸量≤6％，模量≥42.8gpa，拉伸强度≥1600mpa。所用的试剂均为市售。
34.在实际施工时，如图1所示，需要先设置导墙，保证塑性混凝土垂直防污屏障的位置、走向和垂直度，根据地勘报告中土层100的分布，利用抓斗式挖掘机或双轮铣沿土层100开挖宽度w为60～200cm的沟槽200，沟槽200开挖至不透水层300以下高度h为90～250cm处，再浇筑本发明专利设计的塑性混凝土400，待浇筑完成后，顶部与hdpe土工膜500连接。
35.实施例1
36.以每立方塑性混凝土计，将400kg水、45kg硅酸盐水泥、132kg膨胀矿渣粉、46kg改性钠基膨润土、0.8kg改性玄武岩纤维、1406kg砂制得塑性混凝土；混凝土的制备方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制。
37.性能测试
38.根据现有规范《土工试验方法标准》(gb/t50123－2019)进行测试。
39.测试结果如图2所示。实测14d无侧限抗压强度达到995kpa，28d无侧限抗压强度达到1596kpa；在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，渗透系数随龄期增加逐渐减小，自第8天开始，渗透系数达到10
－7
cm/s数量级；密度约2030kg/m3，流动度约87mm。
40.采用该配合比制作的塑性混凝土垂直防污屏障，浇筑时密度和流动度满足技术要求，具有良好施工性，在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，强度和渗透系数满足技术要求，且强度还在继续增长。
41.实施例2
42.以每立方塑性混凝土计，将424kg水、41kg硅酸盐水泥、126kg膨胀矿渣粉、46kg改性钠基膨润土、0.8kg改性玄武岩纤维、1330kg砂制得塑性混凝土；混凝土的制备方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制。
43.性能测试
44.根据现有规范《土工试验方法标准》(gb/t50123－2019)进行测试。
45.测试结果如图3所示。实测14d无侧限抗压强度达到833kpa，28d无侧限抗压强度达到1380kpa；在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，渗透系数随龄期增加逐渐减小，自第7天开始，渗透系数达到10
－7
cm/s数量级；密度约1970kg/m3，流动度约93mm。
46.采用该配合比制作的塑性混凝土垂直防污屏障，浇筑时密度和流动度满足技术要求，具有良好施工性，在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，强度和渗透系数满足技术要求，且强度还在继续增长。
47.实施例3
48.以每立方塑性混凝土计，将462kg水、39kg硅酸盐水泥、117kg膨胀矿渣粉、56kg改性钠基膨润土、0.8kg改性玄武岩纤维、1330kg砂制得塑性混凝土；混凝土的制备方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制。
49.性能测试
50.根据现有规范《土工试验方法标准》(gb/t50123－2019)进行测试。
51.测试结果如图4所示。实测14d无侧限抗压强度达到419kpa，28d无侧限抗压强度达到1129kpa；在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，渗透系数随龄期增加逐渐减小，自第15天开始，渗透系数达到10
－7
cm/s数量级；密度约2000kg/m3，流动度约98mm。
52.采用该配合比制作的塑性混凝土垂直防污屏障，浇筑时密度和流动度满足技术要求，具有良好施工性，在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，强度和渗透系数满足技术要求，且强度还在继续增长。
53.实施例4
54.以每立方塑性混凝土计，将430kg水、39kg硅酸盐水泥、117kg膨胀矿渣粉、56kg改性钠基膨润土、0.8kg改性玄武岩纤维、1355kg砂制得塑性混凝土；混凝土的制备方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制。
55.性能测试
56.根据现有规范《土工试验方法标准》(gb/t50123－2019)进行测试。
57.测试结果如图5所示。实测14d无侧限抗压强度达到575kpa，28d无侧限抗压强度达到1629kpa；在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，渗透系数随龄期增加逐渐减小，自第12天开始，渗透系数达到10
－7
cm/s数量级；密度约2000kg/m3，流动度约90mm。
58.采用该配合比制作的塑性混凝土垂直防污屏障，浇筑时密度和流动度满足技术要求，具有良好施工性，在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，强度和渗透系数满足技术要求，且强度还在继续增长。
59.对比例1
60.以每立方塑性混凝土计，将400kg水、45kg硅酸盐水泥、132kg膨胀矿渣粉、46kg未改性的膨润土、0.8kg改性玄武岩纤维、1406kg砂制得塑性混凝土；混凝土的制备方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制。
61.性能测试
62.根据现有规范《土工试验方法标准》(gb/t50123－2019)进行测试。
63.实测14d无侧限抗压强度达到900kpa，28d无侧限抗压强度达到1305kpa；在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，渗透系数随龄期增加而逐渐减小，但渗透系数不能达到10
－7
cm/s数量级；密度约2000kg/m3，流动度约100mm。
64.对比例2
65.以每立方塑性混凝土计，将400kg水、45kg硅酸盐水泥、132kg膨胀矿渣粉、46kg改性钠基膨润土、0.8kg未改性的玄武岩纤维、1406kg砂制得塑性混凝土；混凝土的制备方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制。
66.性能测试
67.根据现有规范《土工试验方法标准》(gb/t50123－2019)进行测试。
68.实测14d无侧限抗压强度达到956kpa，28d无侧限抗压强度达到1397kpa；在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，渗透系数随龄期增加而逐渐减小，自第10天开始，渗透系数达到10
－7
cm/s数量级；密度约2020kg/m3，流动度约90mm。
69.对比例3
70.以每立方塑性混凝土计，将400kg水、177kg硅酸盐水泥、46kg改性钠基膨润土、0.8kg改性玄武岩纤维、1406kg砂制得塑性混凝土；混凝土的制备方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制。
71.性能测试
72.根据现有规范《土工试验方法标准》(gb/t50123－2019)进行测试。
73.实测14d无侧限抗压强度达到1096kpa，28d无侧限抗压强度达到1997kpa；在渗沥液(硫酸根离子、氢氧根离子、重金属离子、有机污染物)环境下，渗透系数随龄期增加而逐渐减小，但渗透系数无法达到10
－7
cm/s数量级；密度约2027kg/m3，流动度约89mm。
74.本发明利用膨胀矿渣粉的潜在活性，抵抗硫酸盐的侵蚀，抑制裂纹的产生，改善塑性混凝土的孔结构，使孔径得以细化和均化，提高塑性混凝土在有硫酸根离子渗沥液环境下的强度和抗渗性能；同时膨胀矿渣粉替代水泥，降低了水泥用量，节约了成本。
75.本发明利用钙基膨润土钠化后的改性钠基膨润土，提高其ph，为水泥水化反应提供更加良好的环境，提高渗沥液环境下塑性混凝土的强度；增加交换性阳离子含量，形成具有微孔网格结构，比表面积大的多孔活性物质，改善其化学特性与物理吸附性，提高塑性混凝土在有氢氧根离子、重金属离子渗沥液环境下的抗渗性能。
76.本发明利用表面增加纳米二氧化硅粒子的改性玄武岩纤维，有效提高纤维表面粗糙度，增加有机污染物与载体间的有效接触面积，改性后的玄武岩纤维表面有阳离子的存在，促进有机污染物固定，提高塑性混凝土在有机污染物环境下的抗渗性能；且改性玄武岩纤维可直接在环境中降解，无任何危害，减少对土壤和地下水的污染。
77.本发明利用砂，颗粒级配良好，避免塑性混凝土材料的泌水与离析，使其具有良好的可施工性；中间孔隙可被水泥塞满，充分发挥水泥的作用，使其强度发挥最大效益。
78.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。