第二节 膨润土防水技术

随着工业和城市建设的发展，建（构）筑物不断向高、深两个方向发展。地下设施（地下室、地铁、地下工厂、地下油库、地下街道等）不断增多，规模不断扩大。为了防止地下水对这类隐蔽设施的侵蚀，世界各国工程界作出了大量努力。直到20世纪70年代中期，美国、加拿大和日本等国在进行膨润土技术开发时，才发现天然钠基膨润土优异的防水特性，找到了一条对地下建（构）筑物永久的防水途径。
一、膨润土防水的原理
膨润土的基本性能取决于蒙脱石的矿物特性，一般具有良好的粘结性、膨胀性、胶体分散性、悬浮性、吸附性、催化活性、处变性和阳离子交换性能等等。天然钠基膨润土更具有以下特点：
1、 高膨胀性
膨润土的膨胀力特强，其原因是膨润土具有物理化学性强，结合水的能力强等特性，通常在与水接触24H开始水化，膨胀4-5倍，48h水化完成，变成原来颗粒体积的10-15倍甚至30倍的胶凝体。
2、 低渗透性
在一定的局限力的作用下，膨润土水化形成的胶凝体像一堵墙，能阻止其他水分渗入，其渗透系数可减至1×10-9cm/s，接近滴水不漏。
3、 自愈修补功能
在一定的局限力的作用下，膨润土遇水膨胀能够有效地填补搭接缝、钉孔及混凝土的孔隙，形成致密、连续的胶凝体防水层。
膨润土为片状晶体结构，各个层由非常微小的薄层与水分子层隔开，而钠离子出现在各层的表面，钠离子在薄层表面吸引负离子，水分子与钠离子接触时，水分子就被吸附在薄层上，被吸附在薄层上的水分子又更多地，双倍双倍地吸引另外的一些水分子，众多水分子与众多水分子相连，充满在众多带负电荷的薄层表面，新形成的薄层又排斥其他的薄层，使其迅速离开，引起膨胀，水分子充满了被分离开的薄层之间，表面暴露的部分饱和并和其他的部分分离开，在表面正、负电荷均衡时水化成固有结构，分子吸附混合停止，这种结构可能会被另外的动态交换所打乱、分离，但在交换，混合达到均衡时，又会重新进行组合，从另外一方面也说明干湿循环和冻融循环并不能影响它的防水效果，膨润土经水化表面阳离子成水合状态，吸收2个到4个、6个水分子后，在静态下水不能进来，膨润土变成胶凝体，其耐久性可达几百年。
二、防水膨润土的要求
一般情况下，天然钠基膨润土较钙基膨润土的理化性能及工艺性质优越，主要表现在：吸水速度慢，但吸水率与膨胀倍数大；阳离子交换量高；在水介质中分散性好，胶质价高；加热稳定性好等。所以天然钠基膨润土的使用价值高，用于防渗时应采用天然钠基膨润土。
美国的天然钠基膨润土的pH值为中性，即pH值≈7，实践证明，凡pH>8的膨润土，其抗渗能力递减的很快，有的半年就失效。
钙基膨润土可以通过人工钠化转化为钠基膨润土。但通常人工钠化的结果是PH>8，不具有稳定的防渗性能。
三、膨润土防水产品体系
1、膨润土防水产品的演变
1963年，第一代膨润土防水材料膨润土防水板面世，并投入工程使用。膨润土防水板（图一）是用带有凹槽（波纹）的牛皮纸板制成，并在凹槽中填满经过精制的钠基膨润土。这种产品一经问世，便在地下工程中大量应用，其中就包括著名的纽约世贸大厦。美国在随后的30年间所新建的地铁主要用膨润土防水板防水，在底板、侧墙和顶板外包覆了膨润土防水板，效益显著。香港应用美国火山牌（Voclay）膨润土防水板的地下室、地铁工程已达几百项，国内随后也有成功应用，如北京展览中心酒店，上海希尔顿酒店，大连富丽华酒店等。
到了上世纪80年代，在膨润土防水板的基础上研制成膨润土防水毯（图二），它是将天然钠基膨润土通过针织固定在两层土工布（一层有纺土工布、一层无纺土工布）之间而成。膨润土防水毯有效克服了膨润土防水板的一些施工缺点，使其在地下结构防水中得到了更广泛的应用。
到了90年代，膨润土防水毯有了最新型号的产品（图三），即在无纺土工布一侧加烫了一层高密度聚乙烯薄膜（HDPE）。适用于施工环境较差（地下水压较大、有化学污染等）、防水要求更高的地下工程。




图一 图二 图三
2、当前较成熟的膨润土防水体系
美国胶体环境技术公司（American Colloid Environmental Technologies Co., Ltd.）是全球最早开展膨润土防水技术研发和应用的公司之一，在几十年的科研和实践中始终站在行业的前沿。我们即以该公司的产品体系为例，介绍膨润土防水体系。
1） 覆膜膨润土复合防水毯（图四）
由天然钠基膨润土，加上两层土工织物（一层有纺土工布、一层无纺土工布）包裹，以专利针织加固而成，并在无纺土工布一侧加烫了一层高密度聚乙烯薄膜。

图四 覆膜膨润土复合防水毯剖面
未加烫高密度聚乙烯薄膜的产品有时候也被称为GCL（Geosynthetic Clay Liners）。
防水毯尺寸规格一般有1.2米×5米和5米×40米两种。
2）配套辅助材料：
膨润土防水浆（BENTOSEAL）：天然钠基膨润土和高分子材料合成，浆状膨润土，用于防水增强和防水毯收口等处。
膨润土防水粉（WATERSTOPPAGE）：颗粒状天然钠基膨润土，一般用于防水增强。
膨润土止水条（WATERSTOP-RX）：由天然钠基膨润土和丁基橡胶合成，一般用于现浇混凝土施工缝处。它秉承了天然钠基膨土遇水膨胀的优异特性，能有效地解决施工缝的渗漏问题，且避免了传统PVC橡胶止水带和钢板止水带安装工序繁琐的缺点，达到了理想的止水效果。
3、膨润土防水体系的特点
1）膨润土防水是一种环保型防水技术
由于材料的组成成分膨润土是一种天然黏土矿物，不会对周围环境产生任何污染，所以它是完全的环保材料。
2）良好的防水耐久性
首先，因为膨润土是一种天然黏土矿物，不存在老化问题；其次，它同时也是无机物，不会受到地下任何物质的侵蚀；最后，它遇水膨胀的过程是可逆的，干湿循环不影响它的防水效果。
3）施工简便
a. 无须在混凝土施工基面上做任何前期处理，也可直接安装在夯实的土层上。
b. 可施工于潮湿的混凝土基层，在低温下（如-32℃）亦可正常施工并发挥防水效果。
c. 不需要找平层及保护层。
d. 无须专业防水施工人员从事安装作业。
e. 对于穿墙管线、地下桩头等穿过防水层的部位处理简便。
4）具有自愈修补裂隙的功能
工程施工条件复杂，许多防水材料在施工过程中容易被扎破、穿孔，而失去防水效果；但膨润土防水毯却能适应这种施工条件，这是由于天然钠基膨润土具有独有的高膨胀性，使其能修补细小的裂隙空隙。所以，对于施工过程中，由于意外原因而对材料产生的微小损坏，不会对材料的防水效果产生根本的影响。这也是膨润土防水毯可用钢钉固定的原因。
5）有效防止窜水
膨润土有纺土工布一侧的纤维能够和现浇混凝土有效地结合成一体，再加上膨润土遇水膨胀后形成的致密的胶凝体，从而有效的阻止了可能在防水层和结构主体之间的窜水现象。
6） 能适应混凝土结构的伸缩变形
由于材料是自然搭接，所以材料的延展性及适应混凝土结构伸缩变形的能力，要比粘接和焊接施工的材料好得多。
7） 反贴法施工
所谓“反贴法施工”，是指膨润土防水毯可施工于围护挡土结构上，例如：地下连续墙、钻孔灌注桩、SMW工法桩、土钉墙、木板围护桩和钢板围护桩等，以达到“外防内贴”防水效果。