黏土矿物耐静水压测试方法试验研究

肖宇鹰，李 莹，孙孝诚，龚 关

(湖北省地质实验研究所，湖北武汉 430034)

黏土矿物耐静水压测试方法试验研究

肖宇鹰，李 莹，孙孝诚，龚 关

(湖北省地质实验研究所，湖北武汉 430034)

首次提出直接测定黏土矿物耐静水压的检测方法。采用该方法可以直接检测出黏土矿物原料耐静水压的性能指标，通过对膨润土、累托石、凹凸棒石、海泡石等不同黏土矿物进行测试，初步确定了黏土矿物耐静水压测试的基本参数。

耐静水压;黏土矿物;测试方法

0 引言

黏土矿物是一种重要的防渗堵漏材料，近年来应用日益广泛的防水毯其主要组成材料就是黏土。目前应用较多的膨润土防水毯已经制定了国家标准［1］，对膨润土防水毯基本性能指标及其测试方法作了规定。耐静水压作为衡量防水材料防渗堵漏能力的重要性能指标之一，虽有多种测试方法，但都是针对防水毯产品，尚未见到直接检测黏土矿物耐静水压方法的报导。本研究提出的测试方法是直接对黏土矿物原料耐静水压性能进行检测，快速检验与鉴别出防水材料用黏土矿物的耐渗性。

1 实验

1.1 实验目的意义

本检测方法是直接对各种黏土矿物原料进行防渗透性能的评价。与膨胀指数、滤失量等防水性能测试方法相比，具有更强的实用性和直观性。实验研究表明，具有相同膨胀指数的膨润土其耐静水压有时会有明显的差异，因此判定一种黏土矿物的防水性能不能仅仅看膨胀指数、滤失量等指标，还需要结合耐静水压指标进行综合评定。

1.2 试验装置、材料及工具

(1)本试验装置由加压系统和渗透测量系统两部分组成，整体装置见图1。

(2)试样筒及内部结构。试样筒系采用滤失量仪，内置试样、透水石、水、滤纸等，见图2。

1.3 实验步骤

(1)气路连接 将储气钢瓶与测试支架上的小储

图1 整体装置示意图Fig.1 Sketch map of holistic equipment

图2 试验筒内部结构示意图Fig.2 Sketch map of inner structure for test equipment

气罐用耐压橡胶管联接。打开钢瓶的开关阀门，调节调压阀，调至一定压力，观察整个线路及各接口处有无漏气现象。若有漏气则需关闭储气钢瓶上的调压阀。对漏气处进行调试与封堵，直至无漏气现象，然后关闭储气钢瓶的开关阀及二个调压阀。

(2)生料带缠绕透水石 为防止透水石边缘渗漏曾采用蜡封法及涂抹高真空硅脂，但效果并不理想。实验证明用生料带密封透水石边缘是较好的方法，可保证在0.4 MPa压力下不渗透。透水石的直径应与试样筒的内径相近或略小于试验筒0.5 mm，然后用生料带沿透水石边缘缠绕，直至其直径略大于试样筒0.1～0.3 mm。

(3)试料筒接头上的气孔用胶纸封堵，将约100～110 mL水注入试样筒的储水器内。注水水面接近隔板，但不应高出隔板，以免与透水石接触产生毛细现象。

(4)安装透水石 将用生料带缠好的透水石压入试样筒内，直至透水石平面与隔板平面平行接触，勿倾斜，以免试验过程中产生不正常的漏水。

(5)在透水石上面平铺一张滤纸，滤纸直径应等于或略小于试样筒的内径。滤纸与透水石之间或撬地应密切的接触，不得留有空隙。

(6)装填试样 试验装置装样容积为22～26 mL(V=S×h=44 ×0.5=22.0 mL)，由于生料带及透水石厚度的影响，实际装样量为20 mL左右。试样为预先测定紧实密度下20 mL时的重量。以后进行重复性试验时，同一试样应按同一重量进行。

装填试样应先装入1/3左右的样品，沿试样筒壁先行压实，然后倒入余下样品，并用三脚规压平，以避免容器内装样薄厚不均。

(7)在试样上平铺一张滤纸，勿扰动试样，再在滤纸上压入用生料带缠绕的透水石。

(8)将密封圈放入试样筒的密封沟槽内，压入锁紧盖。翻转试样筒去掉试样筒气孔上的胶纸，将试样筒旋入试样支架分压室的接口上，在出水孔下方放入量筒，并开始计时。

(9)测量 ①在未加压力的情况下，计时达60 min，观察并记录试样筒的透水情况。若无透水则记录为“0”，并继续进行②的试验;若有透水则需记录透水量。表明该试样不具耐静水压的能力，不能作为防渗堵漏材料使用。

②打开储气钢瓶的开关阀门，并依此调整储气钢瓶的分压阀及试验支架小储气罐上的调压阀至0.05 MPa，并静置维持压力30 min，观察并记录该状态下的透水量。

如果试样仍不透水则继续逐级升压至0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，各压力下维持30 min，记录各压力下的透水量。

如试样在0.05 MPa压力下已透水，则记录静水压力与透水量。

2 结果与讨论

2.1 试验样品的制备

试样的紧实密度与样品的粒度密切相关。本方法采用样品粒度在100～200目，过细则紧实密度低，样品装填量＜0.4 g/cm2，达不到防水毯的基本要求，粒度过粗则样品的代表性不足。因为实验容器装入样品的容量有限，仅为20 mL，所以应选用合适粒度的样品。

2.2 几种黏土耐静水压及相关性能的测试结果

几种黏土耐静水压及相关性能的测试结果见表1。

表1 黏土矿物耐静水压及相关性能测试结果Table 1 Test result of water pressure resistance and related performance for clay minerals

2.3 测量误差及重现性

由测试结果表可见，样品的耐静水压重复试验误差可达到0.05 MPa以内，凹凸棒石黏土及海泡石黏土的耐静水压在0.05～0.10 MPa，改性膨润土耐静水压既有0.05 ～0.10 MPa 区间也有 ＞0.4 MPa，而改性累托石黏土的耐静水压几次试验结果均＞0.4 MPa。

2.4 测量范围

根据JG/T193-2006钠基膨润土防水毯规定，对于GCL-NP的耐静水压，只要满足0.4 MPa，维持一小时无渗漏即可满足质量要求。因此，对于防水毯用黏土矿物原料，暂定测量范围为0～0.4 MPa。

2.5 几点说明

2.5.1 常压下保持60 min

根据不同矿物原料的多次试验，发现只有在静态常压下保持60 min，原料才能保证全部润湿和较充分膨胀。我们曾经做过保持30 min，结果发现试样断面上还有干燥的黏土颗粒，故试验设定常压下保持60 min。若试验防水层未被破坏，才应继续进行施压试验。

2.5.2 固定体积装样

由于试样筒，储水容器透水石等均是由固定高(厚)度及体积，所以装入试样的体积也须固定。这样密封圈与锁紧盖才能起到密封的作用。

试样筒内径为75 mm，截面积为44.18 cm2。当装样高度为5～6 mm时，装样体积分别为22.09 mL与26.51 mL。试验结果表明，样品粒度在100～200目，紧实体积为20 mL时，样品量约为22 g，单位体积的装填重量为0.5 g/cm3。因此本试验采用紧实体积为20 mL的样品重量作为每次试验的加样量。

如果试样的比重(密度)相近，本法对不同样品的可比性较高。因为装入相同体积样品的重量也基本相同或者相差不大。一般黏土矿物的比重为2.6 g/cm3左右。

2.5.3 样品粒度

试样的粒度一般应控制在100～200目，若过细，装入相同体积的样品质量相差较大，难以相互比较。如凹凸棒石黏土粉碎至325目，紧实密度为0.68 g/cm2密实状态下20 mL的质量仅为13.7 g。故样品粉碎粒度应控制在100～200目较为适宜。

2.5.4 透水量

实验中发现，防渗透性能好的试样的透水量为0 mL，只有在静水压达到一定值后，透水才开始，并且在几秒至几分钟内储水容器中的水便会全部失尽。防渗性能差的黏土，一般在常压下或较小的静水压下便会失尽。但也有时试验会始终在滴水，甚至随时间的延长越滴越少。样品自身形成的防水层并未破坏。因此目前透水量只是作为试验参考值。

3 结语

(1)本文首次提出了黏土矿物原料耐静水压的测试方法，该方法无需制备防水毯产品直接对黏土矿物进行测定，有利于防水材料用黏土矿物的快速检验与鉴别。

(2)检测方法模拟工程实际使用情况，将黏土制成一定厚度的防水层［2］，利用气体压力代替水压，改变黏土防水层上方的压力，迫使水通过防水层，抗静水压越高则样品的防渗效果也就越好。本方法装置用气体压力代替水压是一个重大改进。

(3)采用本方法对膨润土、累托石、凹凸棒石、海泡石等不同类型的黏土矿物进行了耐静水压性能指标的测试。

(4)通过试验提出了黏土矿物耐静水压性能测试的条件控制参数主要为试样的粒度、紧实密度及装样方式，参照相关标准要求提出黏土矿物耐静水压的测量范围为0 ～0.4 MPa。

［1］ JG/T 193—2006，钠基膨润土防水毯［S］.

［2］ 鞠建英.膨润土防水毯特性及质量控制［J］.中国非金属矿工业导刊，2013(1):15 －17.

(责任编辑:陈文宝)

Experimental Investigation on Test Method of Water Pressure Resistance of Clay Minerals

XIAO Yuying，LI Ying，SUN Xiaocheng，GONG Guan
(Hubei Institute of Geological Experiment，Wuhan，Hubei430034)

The paper proposed the test method of how to detect water pressure resistance of clay minerals directly for the first time.It can be detected for the performance index of water pressure resistance of clay minerals directly by this method.Through the test of different clay minerals，such as bentonite，rectorite，attapulgite，sepiolite，etc.It was determined that basic parameters of water pressure resistance test for clay minerals preliminarily.

water pressure resistance;clay minerals;test method

P575

A

1671－1211(2014)02－0214－03

2013－08－20;改回日期:2013－08－30

国土资源部公益行业科研专项经费项目 (编号:201111028－4)。

肖宇鹰 (1980－)，女，工程师，材料科学与工程专业，从事非金属矿物性测试及开发应用研究工作。E－mail:xiaoyy_801018@163.com