高吸水性聚合物改性水泥-膨润土竖向防污屏障的抗裂与自愈合机理研究
批准号:
42107220
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
曹本一
依托单位:
学科分类:
环境地质学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹本一
中文摘要
水泥-膨润土竖向防污屏障在污染场地防治工程被广泛使用,但屏障材料面临着在复杂服役环境下易开裂失效且难以修复的问题,增加了场地污染物的扩散风险。本项目首创性地提出利用高吸水性聚合物来改良水泥-膨润土的抗裂与自愈合性能。通过宏观力学、化学和渗透试验及微观结构分析方法,明确高吸水性聚合物对于水泥-膨润土材料的物理、力学及化学性能的影响规律和机理;通过模拟复杂环境条件的模型试验,基于改性水泥-膨润土强度和渗透系数动态变化、裂缝发育过程和微观表征分析,明确其抗裂性能的提升效果和影响机理;通过多种破坏模式下改性水泥-膨润土的裂缝愈合效果、强度和渗透系数恢复程度并结合微观表征和微型CT扫描技术,揭示高吸水性聚合物对水泥-膨润土自愈合性能的提升效果和影响机理;最终构建具有抗裂-自愈合双重防护功能的水泥-膨润土长效竖向防污屏障体系。研究成果将为水泥-膨润土防污屏障的设计优化提供重要的理论和技术支持。
英文摘要
Cement-bentonite cut-off walls are commonly used in contaminated land remediation applications. However, the cut-off wall materials deteriorate and crack in complex environments, and such cracking is difficult to repair, increasing the possibility of the dispersion and diffusion of contaminants. This project aims at improving the crack-resistant and self-healing performance of cement-bentonite by incorporating superabsorbent polymers. A series of comprehensive laboratory tests and microstructural analyses will be carried out to optimize the proportions of each component of cement-bentonite, and to investigate the effects of superabsorbent polymers on the physical, mechanical and microstructural properties of cement-bentonite subjected to wet-dry and freeze-thaw cycles and chemical attack. The inhibition of crack development due to the superabsorbent polymers will be studied, and the crack-resistance performance and mechanism of the modified cement-bentonite will be investigated. Furthermore, progressive damage tests, performance recovery tests, micro-CT tests and microstructural analyses will be conducted to study the effects of superabsorbent polymers on crack sealing and the formation of self-healing products and to investigate the self-healing performance and mechanism. This project will develop crack-resistant and self-healing cement-bentonite cut-off wall systems for long-term service, and provide important theoretical and technical support for cement-bentonite cut-off wall design and applications.
本项目针对污染场地修复中竖向防污屏障的长期稳定性问题,开展了高吸水性聚合物(SAPs)改性水泥-膨润土材料的抗裂与自愈合机理研究。传统水泥-膨润土屏障材料在长期服役过程中,易受干湿循环、冻融破坏和污染物侵蚀影响,导致裂缝形成和渗透性劣化,从而降低屏障的污染阻隔能力。本研究基于SAPs的吸水膨胀特性,优化屏障材料的抗裂性能,并探索其自愈合机理,同时拓展SEBS聚合物在有机污染物环境中的封堵作用及活性氧化镁(MgO)在裂缝自愈合中的应用,最终形成了一种高抗裂-自愈合复合改性屏障材料。本研究通过实验室研究、数值模拟和现场试验,系统评估了SAPs、SEBS和MgO对屏障材料的改性效果。实验结果表明,SAPs的引入可使屏障材料的断裂应变提高160%,抗压强度提升28%,有效降低裂缝扩展风险,并在裂缝暴露于水环境后吸水膨胀,使渗透率恢复至损伤前的91%。SEBS聚合物的研究表明,在30天柴油渗透测试中,SEBS改性样品的渗透系数仅增加1.3倍,而未改性样品增加4.2倍,有效增强了屏障材料在有机污染环境中的封堵能力。MgO的研究表明,其在裂缝处发生水化和碳酸化反应,形成水合镁碳酸盐(HMCs),并在28天内降低裂缝渗透率90%以上,展现出优异的自愈合性能。此外,本项目开展了现场试验及物探监测,采用电阻率层析成像(ERT)和地面雷达(GPR) 对屏障材料进行监测,结果表明,屏障的电阻率变化保持在10%以内,表明其渗透性变化较小,长期服役性能稳定。研究团队已在Science of the Total Environment、Sustainability、Géotechnique等国际SCI期刊发表4篇高水平论文,推动了污染修复材料的学术研究和技术发展。本研究成果为污染场地修复、地下水污染防治及垃圾填埋场封闭管理提供了理论支持和技术方案,并已获得企业关注,计划进行示范工程应用。未来,研究团队将进一步优化SAPs+SEBS+MgO复合改性屏障材料,开展更大规模的现场试验,以推动该技术的工程化应用,为我国污染修复技术的发展提供科学支撑。
高吸水性聚合物改性水泥-膨润土竖向防污屏障的抗裂与自愈合机理研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:30万元
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批准年份:2021
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负责人:曹本一
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依托单位:
国内基金
海外基金