地下水污染防治中防渗材料渗透系数研究

张海黎

（四川欣洋远锦环保科技有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

地下水污染防控，首先应该进行源头控制，降低地下水污染源跑、冒、滴、漏污染物的排放量。同时，应采取合理防渗措施，阻断污染物进入地下水环境的路径。对地下水污染源所处地面采取防渗措施，是隔离污染、防止地下水污染的有效措施。

地面防渗措施总体上可以分为柔性防渗和刚性防渗。柔性防渗材料主要有高密度聚乙烯（HDPE）膜、土工布、钠基膨润土防水毯（GCL）等，该措施多用于固废贮存场、填埋场等。刚性防渗主要以混凝土为结构基础、配合防水涂料共同构筑防渗层，适用于对防渗层有强度要求的车间、固废暂存间及污水处理构筑物等防渗。此外，对于现有硬化地面的防渗改造，刚性防渗更具优势。工程上常采用的刚性防渗措施有两种：一是采用防渗混凝土构筑防渗层；二是在防渗混凝土表面刷水泥基渗透结晶型防水涂料或喷涂环氧树脂或聚脲等构成防渗层。这些防渗材料多以抗渗压力表征防渗性能，而相关环保标准中，常以渗透系数作为防渗层设计依据。因此，有必要进行抗渗压力与渗透系数对比关系的研究。

1 防渗技术要求

对于未颁布相关防渗标准的行业，《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ 610—2016）给出了不同防渗分区的防渗技术要求，规定了等效黏土防渗层的最小厚度及最大渗透系数。该规定提出的防渗要求本质上是对污染物透过防渗层所需最小时间的限定如表1所示。

表1 分区防渗技术要求

由表1 可知，对于重点防渗区，污染穿透防渗层的最小时间不得低于6.94×104d 或190 a；对于一般防渗区，污染穿透防渗层的最小时间不得低于1.74×104d或47.7 a。

2 常用防渗材料

2.1 抗渗（防渗）混凝土

抗渗混凝土通过提高混凝土的密实度，改善孔隙结构，以减少渗透通道、提高抗渗性。提高混凝土抗渗性能的常用办法是掺用外加剂，混凝土中加入减水剂能显著降低混凝土用水量，使混凝土的抗渗等级成倍增加。此外，混凝土中加入引气剂（加气剂）不仅能降低混凝土拌和物的泌水率，同时能够在混凝土拌和物内产生微气泡，截断毛细管通道，改变孔隙结构，从而隔断渗流、提高混凝土的抗渗性能［1］。

采用混凝土构筑防渗层时，混凝土抗渗等级不能小于P6。防渗混凝土抗渗等级可以划分为P6、P8、P10、P12 等四个等级［2］，表示逐级加压至 0.1×（n+1）MPa，6 个试件中表面渗水的试件刚好超过两个。《水工混凝土实验规程》（SL 352—2020）规定，混凝土抗渗等级是以28 d龄期的标准试件，采用逐级加压法测试：从0.1 MPa开始加压，以后每隔8 h增加0.1 MPa，直至6个试件中表面渗水的试件超过2 h后停止。

2.2 水泥基渗透结晶型防水涂料

混凝土防渗处理，一般采用水泥基渗透结晶型防水涂料进行施工，即将水泥基渗透结晶型防水材料与水按一定比例混合搅拌均匀后，刷涂或喷涂在混凝土表面，形成防渗层。

水泥基渗透结晶型防水涂料，是以硅酸盐水泥、石英砂为主要成分，掺入一定量活性化学物质制成的粉状材料，经与水拌和后调配成可刷涂或喷涂在水泥混凝土表面的浆料；亦可用于撒压未完全凝固的水泥混凝土表面。其防水原理为：防水涂料所含的活性化学物质通过渗流和离子浓度梯度或是混凝土自身的正常毛细管道进入混凝土，与游离的硅酸根离子反应形成钙矾石的晶体，填充混凝土细小裂缝，从而使混凝土更加密实，提高混凝土自防水能力［3］。此外，该防水涂料中的活性化学物质可随水在缝隙中渗透迁移，当混凝土中产生新的细微缝隙时，一旦有水渗入，又可促使未水化水泥产生新的晶体把缝隙堵住。从而赋予混凝土自修复能力和可靠的永久性防水抗渗作用［4］。

《水泥基渗透结晶型防水材料》（GB 18445—2012）规定，带防水涂层试件的抗渗压力不小于1 MPa。试验采用抗渗压力0.4+-00..01MPa、28 d 龄期的基准砂浆抗渗试件，防水涂料用量1.5 kg/m2，涂层厚度约1 mm。抗渗试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）中规定的逐级加压法，试验水压从0.1 MPa开始，以后每隔8 h 增加0.1 MPa，试验以4 个试件未透水时的最大压力计算，以3 个试件出现渗水时的压力减去0.1 MPa作为该组试件的抗渗压力。

2.3 环氧树脂防水涂料

环氧树脂防水涂料是一种以环氧树脂为主要组分，与固化剂反应后生成的具有防水功能的双组分反应型涂料。环氧树脂防渗处理，一般选用高渗透环氧树脂防水涂料，该材料是一种低分子量材料（约占质量分数80%）与高分子量材料（约占质量分数20%）的共混物。喷涂施工完成后，低分子量的物质可沿混凝土表面的毛细孔、微裂隙和微裂纹从外向内渗入混凝土内一定深度并固结，有充填和封闭空隙的作用；高分子量的物质留置在混凝土壁上，形成一层0.2～0.5 mm厚的树脂涂层［5］。

《环氧树脂防水涂料》（JC/T 2217—2014）规定，环氧树脂涂层抗渗压力不小于1.0 MPa。试验采用抗渗压力0.4+0.0MPa、28 d 龄期的基准砂浆抗渗试-0.1件。用毛刷分3~5 次涂布于基准砂浆试件表面，涂层干燥后总厚度0.2~0.3 mm。按照《无机防水堵漏材料》（GB 23440—2009）中6.5.1.2进行逐级加压试验：从0.2 MPa 开始加压，恒压2 h 后增压至0.3 MPa，以后每隔1 h 增加0.1 MPa，直至 1.5 MPa，6 个试件中表面渗水的试件刚好超过两个，试验以3 个试件出现渗水时的压力减去0.1 MPa作为该组试件的抗渗压力。涂层抗渗压力=涂层试件抗渗压力-基准砂浆试件抗渗压力。

2.4 聚脲防水涂料

聚脲防水涂料是以异氰酸酯类化合物为甲组分、胺类化合物为乙组分，采用喷涂施工工艺使两组分混合、反应生成的弹性体防水涂料。喷涂聚脲具有拉伸强度高、断裂伸长率高、撕裂强度高、附着力好等优点。同时，还具有环保、快速固化、对湿气不敏感等施工优势［6］。喷涂聚脲材料采用专用喷涂设备施工，固含量为100%、无溶剂、无污染［7］。

《喷涂聚脲防水涂料》（GB/T 23446—2009）规定，喷涂聚脲防水涂料吸水率不大于5%，不透水性为0.4 MPa下2 h不透水，试验涂膜厚度1.5±0.2 mm。

3 防渗材料的渗透系数研究

3.1 抗渗试验原理分析

抗渗试验过程中，试件中的水流动符合达西定律，基准砂浆试件渗流方向距离起端y 处的流量如式（2）。

式中：Ay为渗流方向距离起端y处的断面面积，cm2；k 为试件的渗透系数，cm/h；H 为加压压力，MPa；T 为恒压时间，h；D 为试件高度，cm。试件抗渗压力测试原理示意图如图1所示。

图1 试件抗渗压力测试原理示意图

假设试件的吸水率为a，则T 时间段内渗入试件内部的水的体积又可以用式（2）表示。

联立（1）（2）两式可得式（3）。

假设从开始加压至水刚好渗流到试件底面的整个时间为T，对上式分离变量后两端同时积分可得式（4）。

求解积分可得式（5）。

对于采用逐级加压法试验，渗透系数公式为式（6）。

式中：Hi为恒压压力，MPa；Ti为恒压时间，h。1 MPa等于10 200 cm水柱高度。

对于水泥基渗透结晶及环氧树脂材料，涂层抗渗压力=涂层试件抗渗压力-基准砂浆试件抗渗压力。按式（6）求得的渗透系数为假想的涂层厚度等于试件厚度时的渗透系数，涂层实际渗透系数需根据渗流时间一致原理进行折算，公式如式（7）。

式中：H1、H2为分别为试件、涂层厚度，cm；K1为假想的涂层厚度等于试件厚度时的渗透系数；K2为涂层实际渗透系数。

3.2 抗渗压力与渗透系数换算

渗透系数是材料防渗性能的直接表达，在地下水污染防治相关标准上，多以渗透系数作为防渗材料的选择依据。根据式（6）、式（7）对防渗材料渗透系数进行换算，可以得到其渗透系数，具体如表2所示。

表2 常见防渗材料渗透性系数换算结果一览表

由表2 可知，防渗混凝土渗透系数基本都在10-9cm/s级别，水泥基渗透结晶、环氧树脂及聚脲等防水涂料的渗透系数基本都在10-11cm/s级别。

根据《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ 610—016）中分区防渗要求，防渗混凝土、水泥基渗透结晶型防水涂料、环氧树脂及聚脲防水涂料等防渗材料单独使用时，其最小厚度要求如表3所示。

表3 分区防渗中不同防渗材料最小厚度要求

表3 给出了在规定防渗技术要求下，各种防渗材料单独使用时的最低厚度要求。在防渗设计时，还必须根据地面载荷及使用情况，考虑防渗层强度要求，以此合理确定最小厚度。通常，在实际防渗设计时，常常是防渗混凝土和防水涂料类结合使用，以同时满足防渗层强度和防水要求。在防渗设计时，混凝土强度等级不宜低于C30、抗渗等级不应低于P8；根据防渗对象的不同，对于重点防渗区，混凝土结构厚度一般不应小于200～250 mm，水泥基渗透结晶型防水涂料、环氧树脂涂料等厚度不应小于1.0 mm，喷涂聚服防水涂料厚度不应小于1.5 mm；对于一般防渗区，混凝土结构厚度一般不应小于150～50 mm［8］。

4 结语

通过对防渗混凝土、水泥基渗透结晶型、环氧树脂及聚脲等防水涂料的抗渗能力与渗透系数关系的研究，建立了抗渗压力与渗透系数的换算方法。换算结果表明，防渗混凝土的渗透系数基本都在10-9cm/s 级别，水泥基渗透结晶型、环氧树脂及聚脲等防水涂料的渗透系数基本都在10-11cm/s 级别，这些防渗材料均具有较低的渗透系数和较好的防渗效果。