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| 天然钠基膨润土膨胀性增强研究及其在防水方面的应用 |
天然钠基膨润土膨胀性增强研究及其在防水方面的应用
王继库，张金明，王春莲，陈浩，赵丽娜
( 吉林师范大学化学学院，吉林四平136000)
摘要: 将天然钠基膨润土与添加剂CMC 进行复合，可以有效地提高天然钠基膨润土的膨胀指数，在添加量达到3%时，可以使膨胀
指数从原来的18 提高到24mL /2g 以上，并且在1%盐水的状态下，使膨润土依然具有较高的膨胀性，能够完全满足国家建材行业
有关膨润土防水材料的膨胀指数标准，广泛地用于各种复杂环境如垃圾填埋、含盐性较高的防水防渗工程。
关键词: 膨润土; 膨胀指数; CMC; 防水材料
中图分类号: TU57 + 2 文献标识码: A 文章编号: 1008 － 021X( 2011) 08 － 0004 － 04
Study on the Improvement of Dilatability of Natural Sodium － Bentonite
and its Application in Wateproof Engineering
WANG Ji － ku，ZHANG Jin － ming，WANG Chun － lian，CHEN Hao，ZHAO Li － na
( College of Chemistry， Jilin Normal University，Siping 136000，China)
Abstract: Sodium － bentonite mixed with the additive CMC can improve the swelling index greatly in
which the swelling index was enhanced from 18 to be 24mL /2g，when the content of additive was 3%．
Especially，under the 1% salt，the high swelling index of the sodium － bentonite was still kept which
could fully satisfy the state standard in architecture materials area and the waterproof materials made from
sodium bentonite． It could widely be applied in engineering of such as waterproof and anti － seepage under
the complicated environment．
Key words: bentonite; swelling index; CMC; waterproof materials
1 概述
膨润土是一种以蒙脱石类矿物为主要组分的黏
土矿物，又名膨土岩、斑脱岩，有时也称白泥。膨润
土具有很强的吸湿性和膨胀性，实验室条件下，一个
小颗粒遇水膨胀后，膨胀倍率可达自身体积的10 ～
30 倍。它在水介质中能分散，并呈胶体悬浮液，具
有一定的黏滞性、触变性和润滑性，有较强的阳离子
交换能力和吸附能力。膨润土的上述性质主要取决
于它所含的蒙脱石种类和含量。蒙脱石属单斜晶
系，含有少量碱金属和碱土金属，结构式为Nax
( H2O)
4
{ ( Al2 － xMg0． 33
) ［Si4O10
］( OH)
2
} ，是由两层
硅氧四面体和一层铝氧八面体组成单位晶层，四面
体和八面体靠共用的氧原子连接，晶层之间靠氧层
连接，沿C 轴方向叠置，从而使其具有刚性，层间不
滑移。其单位晶层的厚度约为1nm，层间距d( 001)
为1． 2 ～ 1． 6nm。在两层硅氧四面体中存在可交换
的水和某些阳离子，其中硅氧四面体中的Si4 + 可被
Al3 + 取代，八面体中的Al3 + 可被Fe2 + ，Mg2 + 等取代，
结果使晶体表面带负电荷，过剩的负电荷通过层间
吸附的阳离子Na +、K +、Ca2 + 和Mg2 + 等来补偿［1］。
根据吸附离子的不同，膨润土一般分为钠基膨润土
和钙基膨润土［2］。钠基膨润土由于单位晶层中存
在极弱的键和良好的解离，而钠离子本身半径小、离
子价低，所以水能进入单位晶层间，引起晶格膨胀。
利用钠基膨润土本身所特有的遇水膨胀的特
性，可以将天然钠基膨润土制成各种防水材料。目
前，膨润土防水材料主要有以下几类。
( 1) 防水板: 主要以瓦楞纸板为载体，中间填充
特定的膨润土材料。
( 2) 防水片材: 主要靠粘接剂将特定的膨润土
材料粘接在HDPE 类土工膜或土工布上。
( 3) 防水卷材: 将特定的膨润土材料固定在两
·4· SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY 2011 年第40 卷
第8 期
层编织布或无纺土工布之间，固定方式包括缝合、针
刺或粘合等多种方式，目前主要采用针刺法。依靠
针刺纤维把膨润土层固定在两层无纺土工布( 编织
布) 之间，土工布一般为聚丙烯织物，上层为非织造
布，下层为机织物，主要起保护和加固作用。这类材
料又通称为膨润土防水毯或膨润土防水垫，是目前
各国生产、使用最多，也是发展最快的产品类
型［3 － 4］。
膨润土防水毯的优点: ①密实性; ②自保水性;
③永久性; ④施工简单且工期短; ⑤容易维修和补修
补强; ⑥耐寒性; ⑦基层处理要求低。
膨润土防水毯应用十分广泛，可用于市政、环
保、水利、公路、铁路、垃圾填埋场、水利工程及工业
与民用建筑地下防水防渗施工。膨润土防水毯已在
世界上许多重要工程中使用，并证明具有很好的防
水防渗效果。
( 4) 密封材料: 主要包括不定型的膨润土胶泥
和定型的膨润土止水条等［5］。
在防水防渗材料应用工程中，膨润土的膨胀指
数是一个重要指标，膨胀值越高，防水性能越好［6］。
但是在沿海地区的地下防水工程中，由于含盐量较
高，膨润土膨胀指数下降较大，防水能力显著降低，
严重地阻碍了膨润土防水材料在复杂环境下的应
用。
本论文就是利用高分子添加剂和钠基膨润土进
行复合，提高膨润土的膨胀指数，并增强膨润土的抗
盐能力，其膨胀指数指标能够完全满足膨润土防水
材料领域国家建材行业标准。研制的膨润土防水材
料能够广泛地应用于各种复杂状态下，如垃圾填埋，
含盐量较高等方面的防水防渗工程，具有较高的理
论研究价值和实际应用意义［7 － 8］。
2 实验部分
2． 1 仪器与试剂
GZX － 9070MBE 电热恒温鼓风干燥箱( 上海博
迅实业有限公司医疗设备厂) ，BN 0828 电子分析天
平( 上海民桥精密科学仪器有限公司) ， 1603 具塞量
筒( 100mL 8 支，20℃，上海材料) ，烧杯( 500mL，
JINXING) ，容量瓶( 1000mL，20℃，卢仪) ，玻璃棒，
胶头滴管，药匙。
天然钠基膨润土( 吉林刘房子膨润土科技有限
公司) ，添加剂CMC( 江门量子高科生化工程有限公
司) ，氯化钠( 分析纯，天津市福晨化学试剂厂) ，去
离子水。
2． 2 测定天然钠基膨润土在不同浓度氯化钠水溶
液中的膨胀指数
2． 2． 1 烘干原土
将天然钠基膨润土放入GZX － 9070MBE 电热
恒温鼓风干燥箱中，设定温度为115℃，烘干2h。
2． 2． 2 配制氯化钠水溶液
使用BN 0828 电子分析天平分别称取四份
NaCl 分析纯，质量依次为10，20， 30，4
0g，精确到小
数点后第二位。室温下依次配制体积为1000mL
( 1000mL 容量瓶) ，浓度分别为1%，2 %，3 %，4 % 的
氯化钠水溶液( 去离子水配制) 。
2． 2． 3 膨胀指数的测定
实验中，按一定比例称取添加剂CMC 和一定质
量的干燥后的天然钠基膨润土，充分混合，使得每份
土样总质量为2g。然后按照国家建材行业标准对
膨润土的膨胀指数进行测定。
将膨润土试样轻微研磨，过75μm 标准筛，于
105 ～ 110℃烘干至恒重，然后放在干燥器内冷却至
室温。称取2． 00g 膨润土试样，将膨润土分多次放
入已加有90mL 去离子水的具塞量筒内，每次在大
约30s 内缓慢加入不大于0． 1g 的膨润土，每隔
10min 加入一次，直至2． 00g 膨润土完全加入到量
筒中。用玻璃棒使附着在具塞量筒内壁上的土也沉
淀至具塞量筒底部，然后将具塞量筒内的水加至
100mL，静置24h 后，读取沉淀物界面的刻度值( 沉
淀物不包括低密度的膨润土絮凝物) ，精确到
0． 5mL。
3 结果与讨论
2g 土样添加到100mL 去离子水和100mL 不同
浓度的NaCl 水溶液中的膨胀指数分别见表1 ～ 表
5。
表1 去离子水( 100mL) 中钠基膨润土的膨胀指数
CMC 质量分数/% CMC 质量/g 膨润土质量/g 膨胀指数1 /mL 膨胀指数2 /mL 平均值/mL
0 0 2． 00 18． 5 18． 0 18． 25
1． 0 0． 02 1． 98 23． 0 25． 5 24． 25
1． 5 0． 03 1． 97 26． 0 28． 0 27． 0
2． 0 0． 04 1． 96 28． 0 29． 0 28． 5
王继库，等: 天然钠基膨润土膨胀性增强研究及其在防水方面的应用·5·
山东化工
( 续表1)
CMC 质量分数/% CMC 质量/g 膨润土质量/g 膨胀指数1 /mL 膨胀指数2 /mL 平均值/mL
2． 5 0． 05 1． 95 32． 5 32． 5 32． 5
3． 0 0． 06 1． 94 33． 0 34． 0 33． 5
3． 5 0． 07 1． 93 35． 0 34． 5 34． 75
4． 0 0． 08 1． 92 35． 5 37． 0 36． 25
由表1 可以得知，在100mL 去离子水中，当土
样不含添加剂CMC，仅含原土时，其膨胀指数为
18． 25mL; 并且随着土样中添加剂CMC 质量分数的
增多，膨润土的膨胀指数逐渐升高，当添加剂CMC
的百分含量达到4% 时，膨润土的膨胀指数升高至
36． 25mL，即与原土膨胀指数相比升高了18mL，这
说明了添加剂CMC 可以有效地提高天然钠基膨润
土的膨胀指数。
表2 1%NaCl 水溶液( 100mL) 中钠基膨润土的膨胀指数
CMC 质量分数/% CMC 质量/g 膨润土质量/g 膨胀指数1 /mL 膨胀指数2 /mL 平均值/mL
0 0 2． 00 17． 0 18． 0 17． 5
1． 0 0． 02 1． 98 18． 5 20． 0 19． 25
1． 5 0． 03 1． 97 19． 0 22． 0 20． 5
2． 0 0． 04 1． 96 20． 0 24． 0 22． 0
2． 5 0． 05 1． 95 23． 0 24． 5 23． 75
3． 0 0． 06 1． 94 23． 5 26． 0 24． 75
3． 5 0． 07 1． 93 27． 5 28． 5 28． 0
4． 0 0． 08 1． 92 28． 5 29． 0 28． 75
由表2 可以得知，在100mL 1%NaCl 水溶液中，
钠基膨润土由于盐分的作用，膨胀指数由18． 25mL
降低至17． 5mL，即盐分使得原有的膨胀性得到减
弱，但是在加入添加剂CMC 后，能有效地提高天然
钠基膨润土在盐水状态下的膨胀性。在土样中添加
剂CMC 的质量分数达到3% 的情况下，膨胀指数就
能够达到24mL /2g 以上，满足国家建材行业有关膨
润土防水材料的膨胀指数标准。同时随着土样中添
加剂CMC 质量分数的增多，膨润土的膨胀指数逐渐
升高。
表3 2%NaCl 水溶液( 100mL) 中钠基膨润土的膨胀指数
CMC 质量分数/% CMC 质量/g 膨润土质量/g 膨胀指数1 /mL 膨胀指数2 /mL 平均值/mL
0 0 2． 00 13． 5 14． 0 13． 75
1． 0 0． 02 1． 98 16． 0 13． 5 14． 75
1． 5 0． 03 1． 97 16． 0 17． 0 16． 5
2． 0 0． 04 1． 96 16． 5 17． 5 17． 0
2． 5 0． 05 1． 95 17． 0 17． 5 17． 25
3． 0 0． 06 1． 94 17． 5 18． 0 17． 75
3． 5 0． 07 1． 93 18． 0 19． 0 18． 5
4． 0 0． 08 1． 92 20． 5 20． 0 20． 25
由表3 可以得知，在100ml 2% NaCl 水溶液中，
盐分使得钠基膨润土的膨胀指数大大降低，原土的
膨胀指数从原来的18． 25mL 降低到了14mL 以下。
添加剂CMC 的加入能够有效地提高天然钠基膨润
土的膨胀性。但是，即使土样中添加剂CMC 的质量
分数达到4%，膨润土的膨胀指数仍未达到24mL /
2g，即不满足膨润土防水材料领域国家建材行业标
准。同时随着土样中添加剂CMC 质量分数的增多，
膨润土的膨胀指数逐渐升高。
表4 3%NaCl 水溶液( 100mL) 中钠基膨润土的膨胀指数
CMC 质量分数/% CMC 质量/g 膨润土质量/g 膨胀指数1 /mL 膨胀指数2 /mL 平均值/mL
0 0 2． 00 9． 5 11． 0 10． 25
1． 0 0． 02 1． 98 10． 0 12． 5 11． 25
1． 5 0． 03 1． 97 10． 5 12． 5 11． 5
2． 0 0． 04 1． 96 11． 0 13． 5 12． 25
2． 5 0． 05 1． 95 12． 0 14． 5 13． 25
·6· SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY 2011 年第40 卷
第8 期
( 续表4)
CMC 质量分数/% CMC 质量/g 膨润土质量/g 膨胀指数1 /mL 膨胀指数2 /mL 平均值/mL
3． 0 0． 06 1． 94 12． 5 15． 0 13． 75
3． 5 0． 07 1． 93 13． 5 15． 5 14． 5
4． 0 0． 08 1． 92 14． 0 15． 5 14． 75
由表4 可以得知，在100mL 3%NaCl 水溶液中，
原土的膨胀指数继续下降至10． 25mL; 同时，随着土
样中添加剂CMC 质量分数的增多，膨润土的膨胀指
数逐渐升高，当添加剂CMC 的质量分数达到4%
时，膨润土的膨胀指数升高至14． 75mL，但是此膨胀
指数值比原土在100mL 去离子水中的膨胀指数值
要低，说明盐分对膨润土膨胀指数影响很大。
表5 4%NaCl 水溶液( 100mL) 中钠基膨润土的膨胀指数
CMC 百分含量/% CMC 质量/g 膨润土质量/g 膨胀指数1 /mL 膨胀指数2 /mL 平均值/mL
0 0 2． 00 9． 0 10． 5 9． 75
1． 0 0． 02 1． 98 9． 5 11． 0 10． 25
1． 5 0． 03 1． 97 9． 5 12． 0 10． 75
2． 0 0． 04 1． 96 10． 0 12． 5 11． 25
2． 5 0． 05 1． 95 11． 0 13． 0 12． 0
3． 0 0． 06 1． 94 11． 5 13． 0 12． 25
3． 5 0． 07 1． 93 11． 5 13． 0 12． 25
4． 0 0． 08 1． 92 12． 0 13． 5 12． 75
由表5 可以得知，在100mL 4%NaCl 水溶液中，
原土膨胀指数下降至10mL 以下，同时随着土样中
添加剂CMC 质量分数的增多，膨润土的膨胀指数逐
渐升高。但是，当土样中添加剂CMC 的质量分数达
到4%时，膨润土的膨胀指数也仅为12． 75mL，所以
此土样无法抗4%的盐水。
整体上观察5 个表得知，当土样中膨润土和添
加剂CMC 质量一定时，随着氯化钠水溶液浓度的增
大，膨润土的膨胀指数逐渐降低。
综上，影响钠基膨润土在氯化钠水溶液中膨胀
指数大小的因素主要有两个: ( 1) 氯化钠水溶液的
浓度; ( 2) 添加剂CMC 的质量分数。当土样一定时
( 土样总质量一定，添加剂CMC 质量分数一定) ，随
着氯化钠水溶液浓度的增大，钠基膨润土的膨胀指
数逐渐降低; 当氯化钠水溶液浓度一定时，随着土样
中添加剂CMC 质量分数的增大，钠基膨润土的膨胀
指数逐渐升高。
4 结论
添加剂CMC 能有效地改善天然钠基膨润土的
膨胀性能，提高防水效果，特别是，原始膨润土( 原
土) 在盐水( 氯化钠水溶液) 浓度较高时防护效果并
不理想，但通过添加一定量的添加剂，则可以获得较
好的防护效果。在1% 的盐水状态下，CMC 添加到
3% 时，就能够使钠基膨润土的膨胀指数提高到
24ml /2g 以上，满足国家标准。由此制备的钠基膨
润土防水毯，能够广泛地用于复杂环境下入垃圾填
埋、高盐分地下防水防渗工程［9］。
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( 本文文献格式: 王继库，张金明，王春莲，等． 天然
钠基膨润土膨胀性增强研究及其在防水方面的应用
［J］． 山东化工，2011，40( 8) : 4 － 7． ) |
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