膨润土防水毯特性及质量控制

鞠建英

（北京市市政工程设计研究总院，北京 100082）

近年来国内许多城市为改善城市景观、提高人居环境质量，常常采用引水、调水的方法修建各式各样的景观水系、垃圾填埋场及地铁等地下工程。但许多工程由于防渗没有做好，不但没有达到预期的目的，还带来了更大的经济损失和环境污染。究其原因，很大程度上是没有进行耐久性选择和没有做好防渗材料应用过程的质量控制。

笔者与市政、城建、水利等行业相关专家经过多年对防渗材料的研究及对实际工程案例进行的分析比对，认为天然钠基膨润土防水毯是一种生态环保性很好的永久性防渗材料，而人工钠化(即所谓的钠基)膨润土防水毯在防渗工程应用中存在缺陷。

1 我国天然钠基膨润土的分布与应用概况

天然钠基膨润土防水毯的主要构成材料是天然钠基膨润土，处于矿山深部的天然钠基膨润土具有高度稳定的水密性、保水性、粘结性、耐久性和自我修复能力，是国内外公认的环保型永久防水材料。膨润土矿的浅层部分大多为天然的钙基膨润土，它的膨胀、防渗性能差，用人工钠化膨润土制成的膨润土防水毯寿命仅半年，最多三年。

我国的膨润土储量世界第一，全国26个省(区)已探明的资源总量达百亿吨以上，其中天然钠基膨润土储量占一半以上，居世界之首。

迄今已探明的天然钠基膨润土矿藏储量很大，但由于开采成本较高，目前市场上常用的膨润土矿大多属于经风化、蚀变的钙基膨润土，它位于矿的表层或浅层，大多是露天开采，代价很低，市场容易购到。这种钙基膨润土的水密性和稳定性很低，不适合制成较薄的防水毯直接用于防水防渗，但可直接用钙基膨润土(不能用人工钠化膨润土)铺设50cm以上经夯实作为防渗层，或将其大比例地与当地土拌匀夯实得更厚作防渗层。其防渗等级由设计确定，比例、厚度需经试验确定。

很多企业为使产品达到《钠基膨润土防水毯标准》JG/T 193-2006中的材料指标要求，采用了将钙基膨润土进行人工钠化的简单方法，达到短时间的高膨胀指数和低渗透性，无法持久防水防渗。原因是钙基膨润土加碱进行人工钠化后，会使膨润土含钠量太高，多余Na离子会压缩双电子层，造成无机凝胶体性能受损，水透过来，膨润土防渗层失效。人工钠化膨润土主要用于时效要求短的铁球团、铸造、钻井泥浆等。

吉林刘房子天然钠基膨润土储量大，品质好，利用原有200多m深的采煤巷道可大量开挖，仅一个巷道即可采2000多万t，以前基本是出口原矿，由国外企业加工成防渗产品在香港、东南亚、日本、韩国等地应用，并返销中国。现在企业自已进行深加工，并形成了大型永久性天然钠基膨润土系列防水产品生产基地。

天然钠基膨润土其综合矿样的膨胀指数大多只有15～18mL/2g，包括已挖到380m深的美国怀俄明的天然钠基膨润土矿。个别矿层和矿点通过提纯可以达到≥24mL/2g，对于防水防渗和应对混凝土的干缩，15～18mL/2g则足够了。美国、韩国等规定防渗膨润土的膨胀指数≥15～16mL/2g。目前中国市场上供应的大多是人工钠化膨润土防水毯，其防水颗粒大多是用辽宁建平露天开挖的钙基膨润土加4%左右的碱(Na2CO3)制成。潍坊、南京等地也有部分生产。

2 钠基膨润土防水毯的特点及其应用

2.1 天然钠基膨润土防水毯的防渗机理及特点

天然钠基膨润土防水毯是一种新型环保生态复合防渗材料，它由两层土工合成材料夹封优质防渗天然钠基膨润土，通过每平米15～20万针刺纤维束将上中下三层拉紧辊压复合而成的。

天然钠基膨润土粉粒在遇水后形成密实不透水的凝胶体，其包装的土工合成材料能与主体结构形成机械结合力，使基础与防水层形成整体，共同抵御各种外力和环境影响。天然钠基膨润土具有很强的膨胀性能，在实验室条件下，遇水能膨胀15～17倍。钠基膨润土防水毯不会因为干湿和冻融反复循环影响而降低防渗效果,它的自愈性好，能有效地隔绝污水的入侵。

天然钠基膨润土是天然矿物质，遇水反应为物理过程，因此不会污染环境，长期使用其防水性能不会减弱，且性能稳定，遇水膨胀能形成不透水的凝胶层，且能长久地追迹细微空隙。除此之外，天然钠基膨润土防水毯和防水粉(粘)还有以下优点：

(1)自我修复能力。天然钠基膨润土因其独有的膨胀性能，具有渗透到防水施工结束后所必然发生的裂纹内部的能力，与其他防水方法对施工完成以后发生的缺陷无能为力相比，有其独特的优势。

(2)能永久的发挥其防水能力。天然钠基膨润土为天然无机矿物，时间和周围物质对其化学性质的影响很小，并且不会发生老化腐蚀现象，因此可以永久保持其防渗能力。

(3)施工相对比较简单。和其他防渗方法相比工期较短，对施工人员的专业技术要求不高。一般的民工在技术人员指导下就可以完成。

(4)对人体无害。因施工的简便性和材料的环保特性，在施工时对人体没有影响，特别是没有加热和粘贴等作业，减少了施工事故的发生。

(5)容易检测和确认。防渗施工结束后的检测和确定较容易，可以立即检查出施工不足的地方、施工上有问题的地方，以及防渗材料的损伤等，修补也很容易，所以可以减少防渗施工中可能发生的失误。

2.2 天然钠基膨润土防水毯的应用

据2000年统计，世界范围内膨润土占防水材料比例：美国占67%、欧洲占60%、中国仅占1.3%。我国上世纪80年代初首先由国外独资企业将该产品引入国内，后由香港商人将其作为新型防渗材料从国外直接引入到我国市场，初期使用的都是进口材料，防渗效果很好。上世纪末由美国、韩国在中国建厂开始生产钠基膨润土防水毯，当时采用的膨润土也都是国外进口和国内的天然钠基膨润土，市场使用情况良好。

本世纪初国内一些厂家看到防水毯市场较大，也相继建厂开始大量生产，由于天然钠基膨润土的价格偏高(是人工钠化土的5～10倍)，国内大部分厂家都采用人工钠化膨润土做防水毯的主要防渗材料，致使许多工程防渗失效，引起相关行业的设计、施工及技术人员对膨润土防水毯防渗功能的关注。

2.3 人工钠化膨润土防水毯存在的问题

膨润土防水毯及其辅助防水制品不是一次性商品，其耐久性和稳定性是其质量的关键。然而目前在国内市场上大部分企业为降低产品成本，实现低价中标，在膨润土防水产品中大量使用人工钠化膨润土代替天然钠基膨润土，有的只在人工钠化膨润土中掺加20%左右的天然钠基膨润土。而人工钠化膨润土则是由处于矿山表浅层受到亿万年风化侵蚀的钙基膨润土经人工加碱(Na2CO3)制成，密实性、耐久性差，遇水能比原体积膨胀很多倍，但寿命短，很易随水流失，用其做防水材料，会使混凝土主体结构和岩土之间形成孔隙、漏水通道，不可能产生共同作用，使结构防渗能力和抵御外力的能力大大降低。因为大量进入市场的防水毯中的人工钠化膨润土都含有4%左右的Na2CO3，Na2CO3易溶于水，并随水流失带走部分钙基膨润土，使防渗失效。

美国天然钠基膨润土膨胀指数要求为≥16mL/2g，而不是≥24mL/2g。我国颁布的《天然钠基膨润土防渗衬垫》JC/T 2054-2011规定天然钠基膨润土膨胀指数≥22mL/2g是很高的，大多数矿必须提纯才能达到这一要求。另外，天然钠基膨润土的水化时间为100h以上，钙基膨润土为24h以上，人工钠化膨润土仅需几个小时。

3 天然钠基膨润土与人工钠化膨润土的鉴别方法

3.1 感观法

(1)观色法：观看原矿的颜色。天然钠基膨润土颜色较深，90%以上为深灰、黑灰、蓝灰、绿灰。人工钠化膨润土颜色较浅，90%以上为白、灰白、浅黄、浅灰、粉红等。

(2)舌尝法：可用舌头舔原矿。天然钠基膨润土吸附力特强，有苦涩味道。钙基膨润土吸附力不强，无苦涩味道。人工钠化膨润土有灼感(为安全起见最好不用此法)。

(3)手搓法：用水与原矿拌匀后用手指拈搓。天然钠基膨润土粘性感较强，滑感性较弱；人工纳化膨润土粘性感弱，滑性感强。

3.2 简易化学法

(1)稀酸法。将烘干后的毯中膨润土试样(颗粒状)放进玻璃杯中，再倒入1%～3%的盐酸溶液至颗粒表面1cm以上观察，天然钠基膨润土几乎无反应，或仅有很小细泡；人工钠化膨润土反应剧烈，有很多气泡逸出(用9°醋做为试剂较为安全)。

(2)pH值测试法。天然钠基膨润土的pH值≤9；人工钠化膨润土的pH值＞9。

3.3 物理法

(1)追踪产地法。追迹供货厂家所采用的钠基膨润土来源，有无地勘报告，厂家使用的钠基膨润土是否埋于80～100m深层以下的天然钠基膨润土，是否有地质部门的勘测报告。无天然钠基膨润土矿山的膨润土毯生产企业应查购土增值税发票，看其购天然钠基膨润土来源和数量，如有的企业用的是从国外进口的天然钠基膨润土，还应查报关单，进口税单和质检报告单，从进口土的数量上推算出可能生产出毯的数量。一般毯中的含土量应为5kg/m2以上，1t土最多可生产200m2毯，防治防污等级要求高的工程，土含量应>5kg/m2,有的要求6kg/m2以上。进口500t土，生产出的毯应少于10万m2，因用于搭接、贯穿以及局部加强的防渗颗粒(粉)、膏等，也应使用天然钠基膨润土(不允许用短命的人工钠化膨润土)制作。应防止只进口了少量天然钠基膨润土，却生产出很多的钠基膨润土毯。目前我国已开采的钠基膨润土矿只有新疆和吉林刘房子，其他都是露天开采的钙基膨润土，如辽宁建平、张家口、内蒙、山东等地。辽宁建平、山东、江苏、上海、河南、广西等地生产的防水毯绝大部分使用的都是人工钠化膨润土。

(2)X-射线衍射法。将膨润土试样用蒸馏水进行不少于4次的漂洗，直至水溶液pH值呈中性。将漂洗样烘干后做X-射线衍射测定蒙脱石的特征峰值d(001)，天然钠基膨润土仍显示出Na蒙脱石的特征峰值d(001)约为12.5，而人工纳化膨润土则约为15(即Ca蒙脱石的特征峰值)。人工钠化时所加入的4%左右的Na2CO3因溶于水而流失。

(3)膨胀指数测定法。将钠基膨润土与人工钠化膨润土用蒸馏水进行不少4次的漂洗，直到水溶液的pH值为7～8。测定漂洗前后试样的膨胀指数，天然钠基膨润土漂洗后膨胀指数与漂洗前膨胀指数之比≥80%，人工钠化膨润土漂洗后膨胀指数与漂洗前膨胀指数之比≤50%。

(4)施工现场的快速检测。考虑到施工现场检验的方便性与安全性可以采用超市卖的食用的9°米醋作为试剂对于进场材料进行鉴别：将防水毯中的膨润土粉颗粒取出堆成一小堆(20g左右)，浇上少量9°米醋，马上可观察到冒泡多的是人工钠化膨润土，无泡或只有极少量小泡的是天然钠基膨润土。机理是醋酸即乙酸CH3COOH，普通醋乙酸含量仅为3%～4%。9°米醋含乙酸9%，其余91%是水，加入人工钠化膨润土(95%～96%的钙基膨润土加4%～5%的碱)乙酸与碳酸钠反应放出二氧化碳(气泡)。即CH3COOH+H2O+Na2CO3→(CH3COO)Na·H2O+CO2↑。实际工程应用时，除对膨润土防水毯中的土加以鉴别外，还应对起加强作用而配套的防渗颗粒、粉、止水条、浆等按上法鉴别。防止偷换，造成防渗失效。

4 天然钠基膨润土防水毯施工质量控制

4.1 耐久性及环境安全性的工程材料性价比

用于工程建设中防渗材料的性价比，应将耐久性，抗污染性放在首位，若选用寿命仅几年的劣质材料，其结果将要付出几倍的代价进行修补，这还不包括由于防渗工程的失败带来的环境、公众安全和社会影响方面的损失。目前发现的很多防渗失效的工程案例，大多是因为建设方没有把好质量关，同时施工方又为了省钱而选用劣质的防渗材料，也促使了短命的人工钠化膨润土防渗材料大泛滥，由此也造成社会上对于钠基膨润土防水毯的应用产生了怀疑。

4.2 天然钠基膨润土防水毯应用的行业标准编制

为保证防渗工程的质量，目前相关部门正在编制关于天然钠基膨润土防水毯应用的行业标准。住建部也正在针对相关国标GB50108-2008和行标JG/T 193-2006中的膨润土条款进行修订(因这两个标准都有钠基膨润土包括天然钠基膨润土和人工钠化膨润土的条款，致使人工钠化膨润土防水毯以钠基膨润土防水毯充满市场，造成许多防水防渗工程在很短时间失效)。地方标准DB11/581-2008将升为国家标准，其中也规定必须使用天然钠基膨润土防水材料。《天然钠基膨润土防渗衬垫》JC/T 2054-2011标准已于2012年7月1日开始实施。

4.3 防渗效能综合比较

4.3.1 天然钠基膨润土防水毯与粘土的防渗比较

(1)生态效果。膨润土防水毯和粘土防渗都不会影响环境，有利于动植物的生长。但粘土资源缺乏，有些属国家耕地保护范围。

(2)防渗效果对比。1m厚的压实粘土防渗系数≤10-9m/s，6mm厚的天然钠基膨润土防水毯防渗系数≤10-11m/s。

(3)运输成本高。普通运输车辆一车粘土可铺40m2左右的防渗层，一车防水毯可以铺设5000～6000m2防渗层，而在铺粘土层前需挖运出原来的砂土，也要付出人机费。

粘土虽然环保但实际上要找到运距近又符合要求的粘土(渗透系数10-7m/s)很难，夯实要保持最佳含水量很难，需水量也大，工期要求长，并需要大量的品质管理测试等。

(4)膨润土防水毯施工简单，在做好的基础上直接铺设膨润土防水毯，防水毯之间搭接30cm即可。铺设前对防水毯做材料性能指标检测达到标准即可放心使用。 粘粒含量高的粘土防渗层的总厚度要求≥100cm，施工时要分层碾压，碾压时应现场取样，压实度≥95%，含水量应控制在最佳含水量的±2%以内，压实度和含水量的控制应按照击实试验及密度试验等相关标准方法进行。

(5)防渗施工后的检测和确认较容易，可立即检查出施工不足或有问题的地方及材料破损等。即使发生了缺陷，水也无法在夯实地基、GCL、保护层之间流动，只需修补漏水部位就可重新发挥其完美的防渗作用。在施工老过程发现破损只需做简单的追加补强即可。

4.3.2 天然钠基膨润土防水毯与土工膜的性能对比

对比情况详见右表。值得注意的是：因为土工膜本身是高分子聚合体，在应用土工膜防渗时应注意有没有使用的再生橡、塑材料又加入了过量的填充材料，其生产过程中有没有达到聚合所需要的温度、压力、时间，有没有在老化过程中有聚合物单体游离出来造成污染，如聚氯乙烯的氯乙烯单体有巨毒。

4.4 材料质量控制及施工过程规范化管理

材料质量控制只是工程质量控制的一个环节，为了保证工程质量最终达标还需要编制天然钠基膨润土防水毯施工规范图集和在施工过程质量控制标准及验收标准。从而使设计、施工、监理等部门有据可查，有规范可依。

在采用天然钠基膨润土防水毯防渗时，必须遵守以下三点才能发挥其自身的防渗性能。

(1)天然膨润土只有在密闭的空间(有压力)才能防渗。密实度须在85%以上才能使其凝胶发挥密实、防水作用，通常用填土或覆盖保护层来解决。要求的压力一般为1.4～2.0kPa。

(2)天然钠基膨润土只有与水接触后才能发挥持久防渗性能。有水膨润土才会膨胀并形成无机凝胶体，有时也提前让其与纯水接触，提前形成胶体，以阻止更多的水(特别是污水)进入。

天然钠基膨润土防水毯与土工膜性能对比

(3)天然钠基膨润土防水毯应与湖、渠、库底已夯实的垫层紧密相贴。同时应与毯上的保护层，防冲刷层紧密结合，使毯中的膨润土遇水膨胀后填充上下层微孔隙共同形成耐久性整体防渗层。

[1]中华人民共和国工业和信息化部.JC/2054-2011天然钠基膨润土防渗衬垫[S].北京:中国标准出版社,2011.

[2]中华人民共和国建设部.JG/T 193-2006钠基膨润土防水毯[S].北京:中国标准出版社,2006.

[3]全国非金属矿产品及制品标准化技术委员会.GB12518-90膨润土矿地质勘探规范[S].北京:中国标准出版社,1990.

[4]袁慰顺,胡秀荣.天然钠基膨润土和人工钠化膨润土的异同[J].中国非金属矿工业导刊,2008(4):9-11.

[5]鞠建英.实用地下工程防水手册[M].北京:中国计划出版社,2002.

[6]鞠建英.用膨润土工程中的开发与应用[M].北京:中国建材工业出版社,2003.

[7]鞠建英.钠基膨润土防水毯及地下工程防火技术规范有关膨润土条款中的若干问题[J].工程建设标准化,2012(11):16-21.