固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫及制备方法
本发明属于防渗材料制备，具体涉及一种固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫及制备方法。
背景技术：
1、膨润土防水毯材料（gcl）以其优异的防渗特性、环境友好特性和造价经济特性在国内进行了大范围的应用，并逐步替代了原有的天然粘土防渗结构形式。但随着其应用场景和使用范围的不断扩大，其在应用过程中出现的问题也逐渐显露，其中最为突出的是尾矿填埋场内的结构稳定性问题。
2、当前防渗技术处理方案是以hdpe膜为主要面层防渗的防渗系统，hdpe膜对于防渗基础要求较高，一般需使用天然粘土进行回填找坡后在进行防渗衬垫的设置，工程实际中出于结构安全性的考虑，尾矿库的边坡坡度控制一般为1:3左右，该种方案粘土消耗量大、施工周期长、工程造价高同时也使尾矿库库容大大降低。提高边坡坡度会使用于尾矿填埋场防渗系统的粘土层、防渗衬垫附着力难以发挥、摩擦强度较低，同时铺设于陡边坡之上粘土层、防渗衬垫受到上部沉降、蠕变等作用会受到较大的剪切力，进而引发结构稳定性破坏、引起防渗系统失效。
3、对近20年全球范围内的15例大型垃圾填埋场失稳案例分析中发现，仅有4例为填埋场内部垃圾体的圆弧滑动破坏，其余11例均为填埋场内部垃圾体沿衬垫系统平移而发生的结构破坏，且11例案例之中的衬垫结构形式均应用了土工合成材料。因此，gcl等土工合成材料衬垫的剪切性能是垃圾填埋场等防渗工程结构稳定性的重要影响因素之一。研究表明，在较大荷载作用条件下，最危险滑动破坏面极有可能出现在gcl内部界面即填充膨润土之中。同时，通过gcl剪切强度实验研究发现，gcl剪切强度随含水量增加而逐步下降，完全水化后剪切强度远远低于干燥状态。通过对gcl的整体剪切试验发现，在较高法向荷载作用之下复合防渗衬垫材料的最危险滑动面极有可能出现在内部界面，其中膨润土内部抗剪强度指标十分重要。同时防渗衬垫在实际服役过程是一个上覆荷载和内部含水量逐步提升的过程，因此剪切强度逐步降低是一个必然趋势，对项目整体结构稳定性造成一定安全隐患。
技术实现思路
1、本发明实施例的目的是提供一种固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫及制备方法，其通过应用“级配砂+高性能膨润土+改性砂”结构，减少柔性材料的用量的同时引入部分疏水性砂加强结构稳定性，并增强高法向荷载作用下衬垫材料饱和状态下抗剪强度；采用补强剂增强初期粘聚力，含水量10%左右即可达最大粘聚力80%左右，定向增强低法向荷载作用下衬垫材料抗剪强度，从而可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
3、本发明实施例提供了一种固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫，按重量份计，包括级配砂74-79份、聚合物改性膨润土5-10份、改性砂11-18份以及补强剂0.2份，聚合物由丙烯酰胺、丙烯酸及氢氧化钠制得，其中，所述丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为1:12-13，所述丙烯酸和氢氧化钠的质量比为1:0.38-0.42，所述补强剂采用聚环氧乙烷、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、可分散性乳胶粉中的1-2种，所述改性砂由以下方法制备：
4、将粒径为0.075-0.25mm的级配砂预热至240-260℃，保持1-3min后将熔融状态的酚醛树脂、环氧树脂和脲醛树脂中的一至两种加入级配砂中进行充分混拌均匀，并加入乌托洛品溶液和硬脂酸钙，待温度降低至室温后破碎得到所述改性砂。
5、可选的，按重量份计，包括级配砂79份、聚合物改性膨润土5份、改性砂16份以及补强剂0.2份。
6、可选的，按重量份计，包括级配砂76份、聚合物改性膨润土6份、改性砂18份以及补强剂0.2份。
7、可选的，按重量份计，包括级配砂79份、聚合物改性膨润土6份、改性砂15份以及补强剂0.2份。
8、可选的，所述级配砂中添加占所述级配砂重量0.5%-2%的酚醛树脂、环氧树脂和脲醛树脂中的一至两种。
9、本发明还提供了一种所述的固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫的制备方法，包括如下步骤：
10、步骤一，称取钠基膨润土和甲基丙烯酰，置于容器中，加适量水搅拌均匀，得到泥浆混合物a；
11、步骤二，称取丙烯酸和氢氧化钠于容器中，将氢氧化钠用水溶解并充分冷却至室温得到氢氧化钠溶液；
12、步骤三，将丙烯酸溶液同泥浆混合物a进行混合，并逐渐加入氢氧化钠溶液，加入过程始终保持容器温度变化小于10℃并不断搅拌，直至温度不再上升，得到泥浆混合物b；
13、步骤四，将过硫酸钾加入至泥浆混合物b之中，并置于70-80℃环境中保持2小时，干燥破碎后即获得级配砂-聚合物改性膨润土材料；
14、步骤五，将级配砂预热至240-260℃，保持1-3min后将熔融状态的酚醛树脂、环氧树脂和脲醛树脂中的一至两种加入级配砂中进行充分混拌均匀，并加入乌托洛品溶液和硬脂酸钙，待温度降低至室温后破碎获得改性砂；其中，制备改性砂的级配砂粒径为0.075-0.25mm；
15、步骤六，按重量份计，称取级配砂74-79份、聚合物改性膨润土5-10份、改性砂11-18份、补强树脂0.2份以及水12份；
16、步骤七，将称取的材料全部置于混拌容器之中，充分搅拌均匀，得到级配砂-聚合物改性膨润土-改性砂复合材料；
17、步骤八，以级配砂-聚合物改性膨润土-改性砂为原材料制备复合防渗衬垫。
18、可选的，步骤六中，按重量份计，称取级配砂79份、聚合物改性膨润土5份、改性砂16份、补强树脂0.2份以及水12份。
19、可选的，步骤六中，按重量份计，称取级配砂76份、聚合物改性膨润土6份、改性砂18份、补强树脂0.2份以及水12份。
20、可选的，步骤六中，按重量份计，称取级配砂79份、聚合物改性膨润土6份、改性砂15份、补强树脂0.2份以及水12份。
21、本发明相较于现有技术具有如下有益效果：
22、1、针对gcl材料完全水化后峰值剪切强度大幅度下降的问题，本发明通过应用“级配砂+高性能膨润土+改性砂”结构，减少柔性材料的用量的同时引入部分疏水性砂加强结构稳定性，并增强高法向荷载作用下衬垫材料饱和状态下抗剪强度。
23、2、针对gcl材料内部界面粘聚力发挥是一个缓慢的过程，其大小随含水量增大而增大，且吸水过程相对较长、完全水化时间久（一般需1-2d才能全部完成），不利于低荷载作用下结构抗剪强度的发挥这一问题，本发明优选补强剂增强初期粘聚力，含水量10%左右即可达最大粘聚力80%左右，定向增强低法向荷载作用下衬垫材料抗剪强度。
24、3、针对传统gcl复合材料内部膨润土饱和抗剪强度峰值较低的问题，本发明应用聚合物改性砂土复合衬垫结构形式，保障抗渗阻水性能的同时提高工程经济性。
25、4、针对高荷载作用下gcl材料中饱和膨润土抗剪强度大幅度折减的问题，本发明以抗剪强度指标内摩擦角为研究对象，通过更改级配砂配比、引入定量改性疏水砂增强饱和状态稳定性，实现饱和含水量状态下（21-23%）聚合物改性砂土复合衬垫内摩擦角最高为22.07°，而传统gcl中水化膨润土内摩擦角仅为10-11°，饱和状态下抗剪强度指标τ增加96-116%，可以有效增加衬垫材料于使用中饱和状态下高上部负荷作用下的抗剪强度。
26、5、针对低荷载作用下gcl材料中膨润土抗剪强度发挥较慢的问题，本发明以抗剪强度指标粘聚力为研究对象，10%含水量状态下聚合物改性砂土复合衬垫粘聚力约为35kpa，而饱和含水量状态下（21-23%）聚合物改性砂土复合衬垫粘聚力约为42-45 kpa，粘聚力提升显著且随含水量增加粘聚力发挥速度快，而gcl中水化膨润土内粘聚力c仅为14-16 kpa，饱和状态下抗剪强度指标τ增加约200%，可以有效增加衬垫材料于使用中饱和状态下较低上部负荷作用下的抗剪强度。
技术特征：
1.一种固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫，其特征在于，按重量份计，包括级配砂74-79份、聚合物改性膨润土5-10份、改性砂11-18份以及补强剂0.2份，聚合物由丙烯酰胺、丙烯酸及氢氧化钠制得，其中，所述丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为1:12-13，所述丙烯酸和氢氧化钠的质量比为1:0.38-0.42，所述补强剂采用聚环氧乙烷、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、可分散性乳胶粉中的1-2种，所述改性砂由以下方法制备：
2.根据权利要求1所述的固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫，其特征在于，按重量份计，包括级配砂79份、聚合物改性膨润土5份、改性砂16份以及补强剂0.2份。
3.根据权利要求1所述的固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫，其特征在于，按重量份计，包括级配砂76份、聚合物改性膨润土6份、改性砂18份以及补强剂0.2份。
4.根据权利要求1所述的固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫，其特征在于，按重量份计，包括级配砂79份、聚合物改性膨润土6份、改性砂15份以及补强剂0.2份。
5.根据权利要求1所述的固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫，其特征在于，所述级配砂中添加占所述级配砂重量0.5%-2%的酚醛树脂、环氧树脂和脲醛树脂中的一至两种。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤六中，按重量份计，称取级配砂79份、聚合物改性膨润土5份、改性砂16份、补强树脂0.2份以及水12份。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤六中，按重量份计，称取级配砂76份、聚合物改性膨润土6份、改性砂18份、补强树脂0.2份以及水12份。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤六中，按重量份计，称取级配砂79份、聚合物改性膨润土6份、改性砂15份、补强树脂0.2份以及水12份。
技术总结
本发明公开了一种固废填埋场高陡边坡高抗剪强度复合防渗衬垫及制备方法，属于防渗材料技术领域。该复合防渗衬垫按重量份计，包括级配砂74‑79份、聚合物改性膨润土5‑10份、改性砂11‑18份以及补强剂0.2份，聚合物由丙烯酰胺、丙烯酸及氢氧化钠制得。本发明相较于现有技术具有如下有益效果：本发明通过应用“级配砂+高性能膨润土+改性砂”结构，减少柔性材料的用量的同时引入部分疏水性砂加强结构稳定性，并增强高法向荷载作用下衬垫材料饱和状态下抗剪强度；有效增加衬垫材料于使用中饱和状态下高上部负荷作用下的抗剪强度。
技术研发人员：何逸飞,杨微,任孟健,郭承晖
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5