0 引言
根据国家标准化管理委员会文件(国标委综合 [2009]59 号) “2009 年第一批国家标准制修订计划” 通知,推荐性国家标准制定项目《轨道交通工程天然 钠基膨润土防水毯技术要求》列入该批计划(计划号 为 20090807—T—609),该标准由中国建材检验认证 集团股份有限公司、北京市轨道交通建设管理公司负 责组织相关生产企业、设计院所、检测机构等参加标 准的起草。
根据中华人民共和国国家标准公告(2017 年第32 号),GB/T 35470—2017《轨道交通工程用天然钠 基膨润土防水毯》标准于 2017 年 12 月 29 日发布,并 将于 2018 年 11 月 1 日实施。现将标准编制的目的、 主要技术内容等做简要解读和介绍。
1 标准制定的目的
天然钠基膨润土防水毯是一种环保型生态复合 防渗材料,它由两层土工合成材料夹封优质防渗天 然钠基膨润土,通过每平方米 15~20 万针刺纤维束 将上中下三层拉紧辊压复合而成。天然钠基膨润土粉 粒在遇水后形成密实不透水的凝胶体,其包装的土工 合成材料能与主体结构形成机械结合力,使基础与防 水层形成整体,共同抵御各种外力和环境影响。 近年来钠基防水毯在轨道交通工程中广泛使用, 铺设在地下工程中底板、侧墙、顶板等关键部位作为防渗衬垫。服役过程中如果发生渗水,膨润土遇水后, 在两层高分子聚合物之间有序膨胀,形成致密的防水 层,达到防渗效果,且具有良好的耐久性。从应用实例 来看,效果比较理想。最早引进国外产品,质量比较稳 定,然而国内各个厂家的产品质量参差不齐,没能形 成一个统一的轨道交通工程质量标准。北京地铁建设 管理有限责任公司在地铁施工中参照 ASTM 相关标 准,编制了标准 QGD-001—2003《北京地铁五号线 膨润土材料防水工程质量检验与评定标准(试行)》, 并在随后的施工工程中逐渐完善该标准, 提出了 QGD-001—2005《轨道交通膨润土材料防水工程施 工质量验收标准》。另外,还有部分钠基膨润土防水毯 生产企业为对产品质量进行控制,结合产品自身特 点,制定了企业标准作为组织生产的依据。这种没有 统一国家标准的状况,不利于产品的推广和控制产品 质量,因此需要制定国家标准,以满足国家政策的需 求,适应不断发展的工程应用需要,提高产品质量。
2 标准技术内容
2.1 标准的范围
本标准规定范围如下:本标准适用于轨道交通工 程中防水用、以天然钠基膨润土为主要原材料、用针 刺覆膜法制作的防水毯(GCL-OF),规定了天然钠基 膨润土防水毯的标记、一般要求、技术要求、试验方 法、检验规则、标志、包装、贮存与运输。本标准不适用 于存在高浓度电解质溶液的轨道交通工程。
2.2 指标设置与试验方法介绍
标准从一般要求、技术要求两个方面对防水毯的 原材料、成品需要满足的技术指标做了明确规定,原 材料要求包括膨润土原料膨胀指数、耐久性、吸蓝量、 滤失量、是否为天然钠基膨润土颗粒以及土工布和 HDPE 土工膜包覆层的单位面积质量、厚度等方面的 要求;成品要求包括防水毯成品的尺寸、外观以及物 理力学性能、防渗性能等方面的要求;试验方法方面, 规定了粒径 0.2~2 mm 膨润土颗粒含量、膨胀指数、 天然钠基膨润土颗粒的鉴定、干燥状态单位面积质 量、剥离强度、穿刺强度、渗透系数、耐静水压、低温柔性、落球冲击等重要参数的标准试验方法。
2.2.1 粒径 0.2~2 mm 膨润土颗粒含量
粒径 0.2~2 mm 膨润土颗粒含量项目的设置,是 反映防水毯在施工时膨润土颗粒抗滑移的能力,防水 毯在施工过程中,颗粒级配不合理会导致土粒易滑 移,出现厚度不均失去防水效果。指标根据验证试验 确定为≥80%。 试验方法是将筛孔直径为 0.2 mm 和 2.0 mm 的 两个试验筛按孔径从大到小的顺序装好;称取 100 g 试样(精确至 0.1 g),置于最上层试验筛,加盖后置于 振荡机上振荡 5 min;取下试验筛,称量留在下层试 验筛中试样的质量(精确至 0.1 g)。计算筛余量与样 品质量的比值,以质量分数表示合格颗粒含量。
2.2.2 膨胀指数
膨胀指数是膨润土的遇水膨胀性能指标,反映了 防水毯防水能力,指标根据验证试验确定为≥24mL。 试验方法是将膨润土试样研磨粉碎,过 200 目标 准筛,于(105±5)℃烘干 2 h,然后放在干燥器内冷却 至室温(23±2)℃。称取(2.000±0.001)g 膨润土试样, 将膨润土分多次放入已加有 90 mL 去离子水的量程 为 100 mL 的量筒内,每次在大约 30 s 内缓慢加入不 大于 0.1 g 的膨润土,待膨润土沉至量筒底部后再次 添加膨润土,相邻两次时间间隔不少于 10 min,直至 膨润土完全加入到量筒中。用玻璃棒使附着在量筒内 壁上的土也沉淀至量筒底部,然后将量筒内的水加至 100 mL(2 h 后,如果发现量筒底部沉淀物中存在夹 杂的空气,允许以 45°角缓慢旋转量筒,直到沉淀物 均匀)。静置 24 h 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),精确至 0.5 mL。 取同一试样进行二次平行测量,二次测量绝对误差不 得大于 2 mL。
2.2.3 耐久性
耐久性是反映膨润土抵抗离子交换的能力,其指 标根据验证试验确定为≥20 mL。 耐久性试验方法与膨胀指数测试过程一致,测试膨润土在 0.1%CaCl2 溶液中静置 168 h 后的膨胀指 数。
2.2.4 吸蓝量
吸蓝量是评价膨润土含量的一种方法,反映了膨 润土的纯度。其原理是:亚甲基蓝在水溶液中呈一价 有机阳离子,可与蒙脱石层间阳离子进行交换,形成 蒙脱石有机复合体。吸蓝量越高,膨润土的纯度越高。 这种蒙脱石分散在水溶液中吸附亚甲基蓝的能力称 为吸蓝量,以 100 g 膨润土吸附亚甲基蓝的数量来表 示。膨润土的吸蓝量是控制膨润土防水毯防水性能的 一项重要指标。指标根据验证试验确定为≥30 g/100 g,试验方法按 GB/T 20973—2007 中 6.3 进行试验。
2.2.5 滤失量
防水毯在使用过程中采用有压安装的方法,滤失 量是考察膨润土在有压条件下失水的性能。滤失量的 测试原理是将膨润土过标准筛,配制成膨润土悬浮 液,将悬浮液倾倒在过滤器中,在一定的压力下,测试 特定时间内的流体体积。指标根据验证试验确定为≤ 18 mL。试验方法按照按 GB/T 5005—2010 中 5.5 进 行试验。
2.2.6 天然钠基膨润土颗粒鉴定
本标准对防水毯膨润土原料做了明确要求,即膨 润土为天然纳基膨润土。测试方法分为 X 射线衍射 方法和漂洗膨胀指数保持率鉴定方法。 X 射线衍射方法是将膨润土样经过蒸馏水进行 不少于 4 次的漂洗,直至水溶液 pH 值为 7~8,高速离 心脱水或将其在近沸热状态下处理后高速离心脱水, 然后进行 X 射线衍射分析,天然纳基膨润土中钠蒙 脱石的 X 射线的特征峰值 d(001)为 12.5 魡;而如果 是人工钠化膨润土,则蒙脱石的 X 射线的特征峰值 d (001)为 13.8~15 魡 之间; 漂洗膨胀指数保持率鉴定方法是将足量的天然 钠基膨润土与人工钠化膨润土用蒸馏水进行不少于 4 次的漂洗,直至水溶液的 pH 值为 7~8。测定漂洗前 后试样的膨胀指数,天然钠基膨润土漂洗后膨胀指数与漂洗前膨胀指数之比不小于 80%,而人工钠化膨 润土不大于 50%。 2.2.7 外观质量 外观是产品质量的直观体现,影响防水毯的功能 与应用,该项在自然光下目测完成。
2.2.8 长度和宽度的允许偏差
长度和宽度是防水毯产品的基本规格,直接影响 施工与装配,本标准规定长度与宽度不允许出现负偏 差。试验方法按照按 GB/T 4666—2009 进行试验。
2.2.9 干燥状态单位面积质量
干燥状态单位面积质量反映了防水毯中膨润土 的含量,膨润土含量越多,其防水效果越好,根据工程 实践数据和验证试验,该项指标确定为不小于 5 000g/m2。 试验方法是将膨润土防水毯裁剪处喷洒少量水, 防止防水毯裁剪处的膨润土散落。沿长度方向距外层 端部 200 mm、沿宽度方向距边缘 10 mm 处裁取试 样,沿宽度方向均匀裁取 5 块样品,于(105±5)℃下烘 干 48 h,在干燥器内冷却至(23±2)℃。分别在天平上 进行称量,然后用精度为 1 mm 的量具测量每块试样 的尺寸。用每块样品的质量除以面积计算单位面积质 量,结果精确至 1 g,取 5 块试样的算术平均数。
2.2.10 拉伸强度及最大负荷下伸长率
在施工中和服役过程中,防水毯都处于外力作用 下,这种外力作用会产生破坏和损伤作用,因此用拉 伸强度这项指标对防水毯质量进行控制。本标准对拉 伸强度的规定为不小于 800 N/100 mm;与此同时,实 际使用过程中发生了不均匀沉降或者边坡滑移,扁丝 编织布和 PE 膜面可能发生断裂,导致膨润土流失, 使防水性能失效。所以,对膨润土防水毯的最大负荷 下的伸长率性能要有一定的要求。该指标根据验证试 验和工程实践数据总结确定为不小于 10%。 试验方法按 GB/T 15788—2005 中的规定要求进 行试验,拉伸速度为 300 mm/min。取 5 块试样的算术 平均值作为试验结果。
2.2.11 剥离强度
剥离强度指标的设立是为了保证防水毯产品在 施工过程中织物层和 PE 膜层不被剥开,从而导致膨 润土颗粒流失,防水失效。该指标确定为不小于 65 N/100 mm。 测试方法按照 GB/T 2791—1995 进行。沿试样长 度方向将编织土工布与非织造土工布预先剥离开 30 mm,将剥开的两端分开,对称地夹在上下夹持器中。 开动试验机,使上下夹持器以 300 mm/min 的速度分 离,记录最大值,最终结果取 5 个最大值的平均值。
2.2.12 穿刺强度
防水毯在施工过程中,在铺设面和施工面容易被 尖锐石子或是工具戳穿,当戳穿的直径较大时,对防 水毯防水能力的破坏是永久性的,所以设立穿刺强度 指标,该指标根据验证试验结果确定为不小于 620 N。试验方法按照按 GB/T 19978—2005 中的规定要 求进行试验,顶刺速率为 100 mm/min。取 5 块试样的 算术平均值作为试验结果。
2.2.13 渗透系数
渗透系数是在一定的水势梯度和标准的温度条 件下(20 ℃),通过材料的水流速率。此项指标可以准 确、定性地测试膨润土防水毯在某种压差下的防水性 能。标准确定的指标为不大于 5.0×10-12 m/s。 渗透系数测定装置包括加压系统、流动测量系统 和渗透室等,渗透室内放置试样和透水石,试样夹持 部分应保证无侧漏。试验方法是测定在规定水力压差 下,一定时间内通过试样的渗流量及试样厚度,然后 计算求出其渗透系数。渗透系数测定装置原理如图 1 所示。
渗透系数测试注意事项主要有以下几点: 1)制取 样品时,需要避开边缘部位,以免边缘部位因为漏土 而导致的厚度不均,不能反映样品的真实渗透系数; 2)装夹试样时,要确保包覆样品和透水石的乳胶膜无 破裂; 3)调节好上下水压和侧压力之后,需要让样品 饱和 48 h,确保样品水化后测试。
2.2.14 耐静水压
防水毯在轨道交通工程中使用时,尤其是地下轨 道交通工程,具有较高的水压环境,所以本标准提出 了耐静水压的要求,根据验证试验结果和工程实践数 据,该指标确定为 0.6 MPa 条件下 1 h 无渗漏。 耐静水压试验采用耐静水压渗透仪,如图 2 所 示,其中渗透容器主要由透水石、圆筒及顶盖和底盖 组成。
将透水石放在耐静水压渗透仪的底部,在透水石 上铺一层石英砂,将一块试样放在石英砂上,试样周 围空隙部分用膨润土粉料添满压实,试样中央部分不允许出现膨润土粉,在试样的上面填满细砂,然后盖 上另一块透水石和顶盖,拧紧螺帽;将耐静水压渗透 仪装置与供水室连接,打开加压阀门给供水室加压至 0.1 MPa 左右,当渗透仪内存气体全部从排气管排除 后,立刻用管夹封闭排气管。关闭加压阀门,保持 24 h,使试样充分膨胀。每隔 1 h 打开加压阀门提高 0.1 MPa 的水压,直至达到规定压力。若测试过程中出水 口一直没有水流出,判定该试件的耐静水压性能合 格,否则判定该试件的耐静水压性能不合格。结果判 定: 3 个试样中不少于 2 个合格,即为合格。
2.2.15 低温柔性
防水毯产品在施工过程中,如环境温度较低,PE 膜可能在弯折时出现开裂,低温柔性的设置主要是保 证产品低温施工性能。根据验证试验结果,指标确定 为:-35 ℃无裂纹。 试验方法按 GB/T 328.14—2007 中的规定要求 进行试验。在-35 ℃放置 1 h 后,PE 膜朝外绕直径 Φ30 mm 弯曲轴,3 s 弯曲 180°绕轴弯曲。5 个试件中 至少 4 个试件无裂纹试验通过。
2.2.16 落球冲击
在施工过程中,机械和工具等不可避免地会对防 水毯产品造成机械冲击,为了评价防水毯抗冲击的能 力,设置落球冲击项目,根据验证试验结果和工程实 践经验,指标确定为 500 g 钢球从 1 m 高处落下冲击 防水毯表面,表面无剥离、孔洞、撕裂等破坏现象。 试验方法是将样品平铺于厚度不小于 5 mm 的 钢质背板上,保持背板与地面、样品与背板紧密贴合, 用直径为 Φ50 mm、密度为 7.85 g/cm3 的实心钢球,自 钢球下沿与样品冲击部位表面垂直距离 1 m 处高度 自由落下,分别冲击样品表面任意 5 个不同部位各 1 次,观察是否出现剥离、孔洞、撕裂等破坏现象, 5 次 试验中至少 4 次未出现异常认为试验通过。
2.3 检验规则
出厂检验项目包括膨胀指数、耐久性、外观质量、 长度和宽度的允许偏差、干燥状态位面积质量、拉伸 强度、最大负荷下伸长率、剥离强度、穿刺强度、渗透系数及耐静水压;型式检验项目包含本标准第 5 章的 全部要求。
3 与国外先进测试标准的比较
本标准在有关试验项目测试方法上参考了美国 材料试验协会(ASTM)相关测试方法标准中的技术要 求。对比情况见表 1。
4 结语
GB/T 35470—2017《轨道交通工程用天然钠基膨 润土防水毯》国家标准,在测试方法上借鉴国外相关 标准,在指标确定上结合轨道交通工程建设实践经 验,按照轨道交通工程防水质量要求进行了制定。该 标准检验项目涉及防水毯原材料性能、成品物理力学 性能、防水防渗性能等多方面,设定的项目和判定方 法科学、合理,符合防水毯在轨道交通工程中的实际 施工和服役环境,能够保证防水毯产品的耐久稳定 性,保障轨道交通工程质量稳定性及安全性。