5 防渗材料 性能 及其环境影响分析 60 5 防渗材料 性能 及其环境影响分析 5.1 圆明园防渗材料组成 及来源 圆明园防渗工程 使用的材料 是 土工合成材料 , 为非织造复合土工膜 ( 以下简 称复合土工膜 )。 复合土工膜一般是 由 聚乙烯 薄膜 与 聚酯纤维织物构成的复合材 料 , 前者为 复合土工膜 的 基材 , 主要起防渗作用 , 一般 称为土工膜 ; 后者为基材 的保护层 , 具有一定厚度 , 覆盖在聚乙烯薄膜上 , 防止被 穿刺或破裂 , 一般称 为 土工布 。 聚乙烯薄膜 主要 包括高密度聚乙烯 ( HDPE) 、 低密度聚乙烯 ( LDPE) 、 线性 低密度聚乙烯 ( LLDPE) 、 交联聚乙烯等 。 用于防渗 的 薄膜主要 有 高密度聚乙烯 、 低密度 聚乙烯和线性低密度聚乙烯 , 但以高密度聚乙烯的使用居多 。 涤纶 ( 对苯 二甲酸乙二醇酯 PET) 是市场上 常用的 一种聚酯纤维 , 土工布常用的材料 。 圆明园防渗工程使用的 复合 土工膜来自 山东宏祥化纤集团有限公司 、 山东三 塑集团和山东泰峰塑料土工材料有限公司 三个厂家 , 其基本参数如 表 5- 1 所示 , 基材为高密度聚乙烯 , 土工布材料为涤纶 。 表 5- 1 各厂家提供的防渗材料基本参数 公司名称 基材名称 基材厚度 (mm) 保护层名称 渗透系数 (cm/s) 平均分子量 山东宏祥 高密度聚乙烯 0.4 涤纶 4.1×10?12 7~ 30×1 04 山东三塑 高密度聚乙烯 0.4 涤纶 3.2×10?12 - 山东泰峰 高密度聚乙烯 0.4 涤纶 - 11×104 防渗材料性能满足 《 土工合成材料 非织造复合土工膜 》 国家 标准 ( GB/T17642-1998)。 圆明园防渗工程 复合 土工膜的 全部 铺设和焊接由北京海淀水利水电工程公 司负责施工 , 北京燕波水利建设监理有限责任公司负责工程监理 。 各单元铺设 防 渗材料 的详细情况见 表 2- 1 和图 2- 1。 作业施工 遵照 《 聚乙烯 ( PE) 土工膜防 渗工程技术规范 》 ( 行业标准 SL/T231-98) 。 圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 61 5.2 复合土工膜 防 渗材料的特性 复合 土工膜应用于环境或水利工程时 , 其可能对环境释放的物质组成和数量 主要取决于制造复合土工膜的原料 , 即聚乙烯和聚酯纤维的 组成 、 结构以及溶解 和降解特性 。 以下分别对聚乙烯 、 聚酯纤维和添加剂的特性 进行 描述 。 5.2.1 聚乙烯 ( PE) 的 特性 聚乙烯 ( PE) 属 聚烯烃类 , 是典型的碳氢高聚物 , 在材料基质中不含有其 他元素 。 纯晶态聚乙烯呈乳白色 , 手感 似蜡 , 无味 、 无嗅 、 无毒 。 高密度聚乙烯 ( HDPE) 是指在每 1000 个碳原子中含有不多于 5 个支链的线性分子所组成的聚 合物 , 在所有各类聚乙烯中 , HDPE模量最高 , 渗透性 最小 , 同时具有良好的拉 伸强度 、 耐腐蚀性和稳定性 ; 低密度聚乙烯 ( LDPE) 则是 在 高压下自由基引发 聚合制得的含有 更 多支链的聚合物 , 包括长支链和短支链 , 其中短支链在每 1000 个主链碳原子中约含有 15~ 35 个 , 其结晶度远低于 HDPE。 LDPE的熔点低 , 质 地柔软 , 清晰度高 、 手感柔软 , 并有适度韧性 。 聚乙烯对化学品通常具有较高的稳定性 , 甚至在高温下 , 也具有良好的耐水 溶 特 性 。 通过国内外文献调研 , 聚乙烯 在十分特定的条件下 才 会缓慢地被氧化剂 侵蚀 。 例如 , 用烷烃 、 芳烃及氯代烃在室温下浸泡 6 个月以上会使其溶涨 , 此后 在约 70℃ 开始熔 融 , 继续升温时甚至会溶解 。 高密度聚乙烯在无氧条件下 抗 紫外光 和 热 的作用 非 常稳定 。 聚乙烯在热降时 解遵循无规断链及分子内和分子间转移反应的机理 , 只有在 350℃ 以上的高温下 , 才 会发生明显的分子链断裂分解 , 降解产物有乙烯 、 丙稀 、 丁烯和分子链更长的 烯烃碎片 。 在空气中用紫外光大剂量照射聚乙烯膜会引起氧的吸收 , 羰基 、 羟基 和烯基的生成 , 同时释放出丙酮 、 乙醛 、 水 、 一氧化碳和二氧化碳 , 同时引起脆 性的增加 、 交联的形成以及聚合物样品力学性能 恶化 。 5.2.2 聚酯纤维 ( PET) 的 特性 PET 化学名称是聚对苯二甲酸乙二醇酯 , 是一种饱 和的热塑性聚合 物 , 由对 5 防渗材料 性能 及其环境影响分析 62 苯二甲酸和乙二醇经酯化反应聚合而成 。 结晶型 PET 相对密度 1.33~ 1.38, 相对 较高 , 在热塑性塑料中 , 聚酯的强度最高 。 聚酯纤维制造的织物具有较高的拉伸 强度 、 延伸性和整体性 , 良好的水力特性 , 以及 较好的隔离 、 过滤 、 排水 、 加筋 、 保护 、 封闭等作用 。 PET 具有很高的稳定性 , 即使在较高温 度 下 , 在水及一般物质的水溶液中的 溶解度通常可以忽略 。 在 环境 温度下 , PET 的热氧化稳定性很好 , 只有在高温下才 可能出现 聚酯的 热断裂和热氧化断裂或者交联现象 。 纯 PET 在 250~ 300℃ 开始降解 , 但在 350℃ 以上才明显 放出挥发性产物 。 降解的引发过程包括酯部位的异裂 , 生成羧酸和乙 烯基酯端基 , 后者可与 PET 中的羟乙基酯端基发生酯交换反应放出乙醛 , 它是 最主要的挥发性产物 , 在更高的温度下还会有 CO、 CO2、 CH4、 C2H2 和苯等挥 发性产物 。 由于 PET 分子上的酯羰基生色团能吸收 290~ 400nm 之间的紫外光 , 因此在 室外太阳光照射下 也 会发生降解 。 光降解过程中产生的羟基自由基能夺取苯环上 的氢 , 也能取代苯环上的氢 , PET 光氧化过程中 , 紫外光谱和红外光谱发生了变 化 , 表明生成了许多不同的基团 , 如羟基 、 羧基及双键等 。 光降解最终 产物 主要 是 CO2。 5.2.3 添加剂的 特性 基于对 PE 和 PET 材料加工稳定性以及长效稳定性的考虑 ( 减少加工过程 和 使用过程中的不稳定性 ) , 可在 高聚物中溶入 以光稳定剂和抗氧剂为主的添加剂 , 以 形成更加稳定的结构 , 减轻甚至消除破坏性紫外线以及氧化老化的影响 。 由于 PE 及 PET 本身具有很高的稳定性 , 因此 , 所用添加剂的种类和用量一 般很少 。 根据复合土工膜生产厂家提供的信息 , 只有所用的高密度聚乙烯树脂的 提供商 - 中石化公司在树脂加工过程中加入了一定的无毒防老剂 , 如 2-羟基 -4- 正辛氧基二苯酮 , 用量范围约在 0.06~ 0.2%; 而在聚酯纤维 的加工过程以及与 聚乙烯的复合过程中未添加任何添加剂 。 文献 调研 表明 , 厂家提到的这类物质属于羟基二苯甲酮类光稳定剂 , 是一种 常用的无毒塑料添加剂 。 表 5- 2 列出了最常用的几种抗氧剂和光稳定剂的毒性 、 圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 63 用量以及安全级别 。 根据 表 5- 3 的毒性类别 , 复合土工膜材料中所使用的添加 剂满足食品包装安全级别 , 属于实际上无毒的物质 。 表 5- 2 常用添加剂毒性及用量 类别 大白鼠经口 LD50 规定用量 注 酚类抗氧剂 AO-3 10~ 15g/kg 体重 0.1%~ 0.5% 可用于食品包装材料 酚类抗氧剂 AO-5 >5g/kg 体重 0.01%~ 0.5% 可用于接触食品的塑 料制品 亚磷酸酯类抗氧剂 P-1 >6g/kg 体重 - - 羟基二苯甲酮类光 稳定剂 UVA-3 - 0.1~ 1% 用于接触食品的塑料 表 5- 3 常用添加剂的急性毒性一览 LD50(大鼠一次口服 )/(mg/kg) 毒性类别 =1 剧毒 1~ 50 高毒 50~ 500 中毒毒性 500~ 5000 轻度毒性 5000~ 15000 实际上无毒 >15000 相对无毒 5.3 复合土工膜 防渗材料的寿命和环境风险 5.3.1 防渗材料的稳定寿命 表 5- 4 列出了若干估算 聚乙烯材料稳定寿命的试验结果 , 据此可以对其稳 定寿命做出粗略估计 。 表中数据显示 , 在 120℃ 下 , 加入 0.1%抗氧剂的聚乙烯材 料经 9 个月后开始出现脆裂 ; 相应材料在经受 1,000 KJ/cm2 照射后拉伸率明显下 降 。 而在自然条件下的暴露试验表明 , PE 土工膜的各项机械性能指标在 9 个月 的自然老化过程中 , 未显示出性能下降的迹象 。 一般使用条件下 , 估计此类防渗 材料的寿命可达 30~ 50 年 。 考虑到圆明园防渗材料长期处于环境温度 、 缺氧和 5 防渗材料 性能 及其环境影响分析 64 辐射被屏蔽的条件下 , 结合我国与其它国家对此类产品长期在类似工程中实际应 用的结果 , 其寿命还可能达到 50 年以上甚至更长 。 表 5- 4 估计聚乙烯材料稳定寿命的若干试验结果 齐格勒型高密度聚乙烯 HDPE(d = 0.957g/cm3), 0.5mm 模压试片 , 含 0.1%硬 脂酸钙 , 在 120℃ 下热烘箱老化至弯曲试验出现脆裂的天数 抗氧剂 化学名称 0.025%用量 0.05%用量 0.10%用量 酚类抗氧剂 AO-3 B-(4-羟基 -3,5-二叔丁基 苯基 )丙酸正十八碳醇酯 54 天 103 天 158 天 1、 抗氧剂的 使用对聚乙 烯稳定性的 影响 酚类抗氧剂 AO-5 四 [B-(3,5-二叔丁基 -4- 羟基苯基 )丙酸 ]季 戊四醇 酯 77 天 182 天 269 天 低密度聚乙烯自然老化试验 , 残留拉伸率为 50% 时所吸收的能量 /(kJ/cm2) 光稳定剂 无光稳定 剂 0.15% 0.3% 0.6% 1.2% UVA -3(羟基二 苯甲酮类 ) 375 480 670 - HALS-2(受阻 胺类化合物 ) 710 900 1380 1970 2、 光稳定剂 的使用对聚 乙烯稳定性 的影响 HALS-3(受阻 胺类化合物 ) 140 1840 1095 2930 3560 老化时间 ( 月 ) 厚度 ( mm) 拉伸屈服强 度 ( 兆帕 ) 拉伸断裂强 度 ( 兆帕 ) 屈服伸长 率 (%) 断裂伸长 率 (%) 0 1.120 16.8 24.4 >30 805 6 1.128 17.0 25.4 >30 827 3、 PE 土工膜 自然暴露老 化试验 9 1.120 17.2 24.7 >30 804 5.3.2 防渗材料的环境风险 高密度聚乙烯和聚酯纤维本身对于温度 、 辐照和氧化均具有相当高的稳定 圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 65 性 , 使用了一定量添加剂 后 使得高聚物材料有着更加优良的长效稳定性 , 即在常 温下长期的稳定性 , 由它们组合而成的复合防渗材料在温度低于 200℃ 、 不经受 长期阳光直接辐照以及不 存在高温 - 氧协同作用的条件下不会发生明显的降解 行为 。 在防渗材料的使用环境下 , 几乎所有有利于其降解的条件都很微弱 , 水下 是 低氧环境 , 紫外线经过水层 、 土层的吸收也所剩无几 , 水底 温度稳定 , 无强酸强 碱的苛刻环境 。 因此 , 可以推断圆明园防渗材料在其稳定寿命内 , 由于降解而向 环境释放物质的量是微乎其微的 。 自然暴露老化试验也表明 , 在其稳定寿命内 , 防渗材料的结构和机械特性几乎不发生变化 。 即使高聚物材料在正常的使用过程中会发生微量的降解或者溶出 , 其结果也 不会对环境造成不可接受的影响 。 其可能的主要降解产物除了 H2O和气态的 CO、 CO2 以外 , 还可能会有小分子的单体 , 如丙酮 、 乙醛 、 乙醇 、 羧酸等 , 这些物质 多 属无毒或低毒性物质 。 即使 产物中存在 毒性较高的苯等物质 , 其量极其微小 。 根据日本对这类物质 浸出浓度 的规定 , 其释放大致同 我国 生活 饮用水 水质 卫生 规 范水平 相当 ( 表 5- 5) 。 因此可以认为防渗材料向环境释放物质的速度 、 数量以 及毒性不会对人体健康和环境造成危害 。 表 5- 5 还同时列举了我国一级饮用水 卫生标准和生活饮用水水源水质标准 ( 一级水源为简易净化消毒后可供 饮 用的水源 , 二级水源为轻度污染需进行常规 处理以供饮用的水源 ), 可以看出日本对于 聚乙烯防渗材料的浸出物浓度标准 , 与我国 《 生活 饮用水 水质 卫生 规范 》( 卫生部 , 2001 年 9 与人 1 日 ) 中的限值 相 当 , 当然也完全 满足我国 《 生活饮用水水源水质标准 》( CJ3020-93) 中的 一级 标 准 。 这实际上也是各国选用此类材料作为与水利 - 饮水有关工程的重要防渗材料 的原因 。 5.3.3 复合 土工膜 在国内 外 工程中 的 应用实例 作为一种新型材料 , 土工合成材料具有可以根据实际工程 需要进行加工的特 性和功能 , 已被广泛用于水利工程的堤 、 坝 、 水库 的 防渗 , 同时也 在 渠道 、 蓄水 池 、 污水池 、 游泳池 、 房屋建筑 、 地下建筑物 、 垃圾场 、 环境工程等方 面 作为防 渗 、 防漏 、 防潮材料 使用 。 发达国家从上世纪 30 年代起 , 就开始广泛应用该项 5 防渗材料 性能 及其环境影响分析 66 技术 , 我国也从 80 年代开始在各项工程中逐步推广使用土工膜合成材料 。 以下 列举了 复合 土工膜 合成 材料在国内 外 工程中的部分应用实例 。 表 5- 5 日本防水工业协会浸出试验测试报告和中国饮用水卫生标准 项目 日本浸出浓度标准 中国 生活 饮用水 水 质 卫生 规范 中国生活饮用水 源 水质卫生标 (一级 ) 镉 <0.01mg/L <0.005mg/L <0.01mg/L 氰化物 检不出 (<0.01mg/L*) <0.05mg/L <0.05mg/L 总磷 检不出 (<0.01mg/L*) - - 铅 <0.01mg/L <0.01mg/L <0.05mg/L 铬 <0.05mg/L <0.05mg/L <0.05mg/L 砷 <0.01mg/L <0.05mg/L <0.05mg/L 总汞 <0.0005mg/L <0.001mg/L <0.001mg/L 烷基汞 检不出 (<0.0005mg/L*) - - PCB 检不出 (<0.0005mg/L*) - - 铜 125mg/L(仅适于农 用 ) <1.0mg/L <1.0mg/L 苯 <0.01mg/L <0.01mg/L - 硒 <0.01mg/L <0.01mg/L <0.01mg/L 氟 <0.8mg/L <1mg/L <1.0mg/L 硼 <1mg/L <0.5mg/L <0.5mg/L 顺 -1,2-二氯乙烯 <0.04mg/L <0.05mg/L - 1,1,1-三氯乙烯 <1mg/L <2mg/L - 三氯乙烯 <0.03mg/L <0.07mg/L - 四氯乙烯 <0.01mg/L <0.04mg/L - 圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 67 京密引水渠是 1966 年建成的一条大型工农业输水渠道 , 1990 年以后开始全 年向城市供水 。 由于渗漏严重 , 年渗漏量达 1 亿 m3, 而蒸发损失仅 300 万 m3, 这个漏水量相当于海淀全区一年各种用水的总量 , 因此 , 自 1997 年开始对京密 引水渠进行了防渗技术改造 。 渠底所用防渗材料为 0.4mm 的聚乙烯膜与 400g/m2 无纺布复合土工材料 , 边坡用了 0.3mm 的 PE 膜 , 其它材料 ( 如聚苯板 、 混凝土 、 花岗岩等 ) 用来防冻和加固 。 京密引水渠防渗改造工程从一期实施 , 至今已有将 近 10 年的时间 , 显著提高了输水能力 , 减少了供水损失 , 在旱年份实现节水达 1 亿 m3, 其他年份平均节水 0.85 亿 m3。 引水渠运行至今 保证了正常的饮用水水 质 , 体现了良好的社会效益和环境效益 。 位于圆明园西 10 公里处的北京植物园于 2002 年铺设 复合 土工膜对人工湖做 了防渗处理 。 铺膜防渗后 , 园内的水常年保持适合的水位 , 效果较好 。 从目前的 情况来看 , 湖内及周边生物生长正常 , 铺膜防渗并未对生态系统造成不利影响 。 距离西安市区约 10 多公里的石砭峪水库 , 是上世纪 70 年代修建的饮水骨干 工程之一 。 七 年后 , 虽然 沉降变形已稳定 , 但蓄水渗漏现象严重 。 后来采用复合 土工膜防渗辅以混凝土护坡获得了成功 , 使蓄水深度成功达到 3 米 , 解决了西安 市内大部分居民用水问题 。 1968 年至 1983 年 , 法国有 7 座堆石坝用复合土工膜铺在堆石坝上游面防渗 , 这些水库多数 是 为城镇生活用水建造 。 如 : 为城镇供水而造的南列斯 ( Neris) 由于应用了上述新材料 , 使得水库建设速度加快 、 造价降低 , 该项工程因此获得 南列斯市议会的嘉奖 。 意大利在 1975 年至 1993 年采用土工膜对 6 座早期建成的已老化漏水的混凝 土坝进行防渗处理 , 将土工膜铺设在大坝上游面防渗 , 其中最高的一座是阿尔卑 及拉坝 , 坝高 178 米 。 这些坝经防渗处理后 , 运行情况良好 。 此外 , 还有 更 多实例 。 像支持整个悉尼奥运会自来水的波特山水库 、 摩洛哥 王室采纳土工膜 防渗技术在位于斯克希赖特的御花园建造 的 观赏用湖 、 英国诺丁 汉的豪富敦华伦湖 、 加拿大温哥华水库 、 密执安州 Homestead Resort 湖 、 Sylvan Resort 湖等等都是成功应用土工膜防渗材料进行人工湖防渗的工程实例 ; 中国长 江三峡工程围堰防渗 、 护坡工程 、 秦山核电站围堤工程 、 京杭大运河边坡反滤 、 重庆市长江护岸工程 、 淮河治理 、 太湖治理等等也都利用了这一新型材料 。 5 防渗材料 性能 及其环境影响分析 68 5.4 几种 防渗材料的 比较 在防渗 要求不是非常高 的条件下 , 粘土防渗是工程上使用最为普遍的方法 。 在 北京 地区原始土壤压实后的渗透系数 大致在 10?5- 10?6cm/s。 粘土防渗的特点 是 : 在当地具有合适资源时 , 易于施工 , 建设费用较低 ; 可以保持一定的渗透水 量 , 从而有利于维持水质和原有的生态环境 ; 此外 , 由于粘土具有一定的过滤能 力和离子交换容量 , 在一定条件下对污染物具有截污和净化能力 。 粘土防渗的主 要缺点是渗透系数较高 。 虽然使用某些种类的粘土能够得到更低的渗透系数 , 但 这种性能的粘土并非随处可得 , 而长距离的运输会大大增加成本 。 除 上述提到的圆明园所采用的复合土工膜 ( 属于高分子防渗材 料 ) 和天然粘 土之外 , 常用于防渗的还有膨润土 、 无机人工改性粘土等 , 表 5- 6 列出了这几 种防渗材 料的基本特点 。 表 5- 6 几种 防渗材料的基本特点 防渗材 料名称 渗透系数 (cm/s) 优 点 缺 点 注 天然 粘土 10?4 ~ 10?6 * 不引入人工物质和化学污染物 , 环 境影响小 , 易于维持原有生态 。 现 场具备适当资源时建设费用低 。 防渗能力相对较差 , 当地 无资源时运输量大 , 取土 可能破坏耕地或造成水 土流失 。 * 指国内一 般情况 膨 润 土 10?9 ~ 10?10 防渗能力强 , 用量小 , 易于运输 。 不引入人工物质和化学污染物 , 环 境影响小 , 易于维持原有生态 。 对施工条件要求比较苛 刻 , 失水易干裂 , 不适于 暴露 条件 。 无机人 工改性 粘土 10?7 ~ 10?10 可以根据防渗的要求来调整添加 材料及其含量 , 以得到理想的防渗 能力和其他环境保护效果 。 前期工作量大 , 施工条件 要求较高 , 耗能多 , 建设 费用高 。 高分子 防渗材 料 10?11 ~ 10?13 防渗性能好 , 使用量小 , 易于运输 。 存在老化和降解问题 , 环 境友好性相对较差 ; 对铺 设技术和条件要求较高 。 包括土工聚 合粘土衬层 ( GCLs) 圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 69 不同的 防渗材料各有优缺点 , 应根据工程情况和实际条件 , 综合考虑多方面 的因素 选择防渗 材料 , 这些因素包括防 渗能力 , 在当地取得天然材料的难易 程度 , 环境友好性 , 施工技术 、 设备与自然条件 , 以及建设费用等 。 不同的工程应用需要不同的抗渗能力 。 例如 , 对于污水或废物处置场的防渗 , 需要 防 渗能力强 、 渗透系数小的防渗材料 , 因为过大的渗透系数会导致污水渗漏 污染地下水 。 由于圆明园设置防渗层的目的在于保水 , 因此并不需要作过分严格 的防渗 ( 详见地下水一章 ), 可根据水量平衡确定防渗程度 。 在 圆明园湖区 , 如 果其底部存在底泥和 一定厚度的 粘性土层 , 加 以 人工处理 , 仍 可达到防渗目的 。 5.5 结论 和建议 5.5.1 结论 ( 1) 圆明园 防渗工程 所用 的 防渗 材料 为聚乙烯土工膜与 聚酯纤维构成的 复合 土工膜 , 在湖底缺氧 、 蔽光 、 温度相对恒定以及无强酸强碱苛 刻环境的铺设条件下具有很高的稳定性 , 根据材料老化试验结果保 守估计其稳定寿命可达 30~ 50 年甚至更长 ; ( 2) 圆明园防渗材料在稳定寿命内 , 由于降解或者溶出而向环境释放物 质的量是可忽略的 ; 即使高聚材料在正常的使用过程中会发生微量 的降解或者溶出 , 防渗材料向环境释放物质的速度 、 数量以及毒性 均不会对人体健康和环境造成危害 , 不会对饮用水水源构成威胁 ; ( 3) 广泛应用于防渗水利工程的聚乙烯复合土工膜所使用的添加剂不具 有毒性 , 圆明园防渗材料中使用添加剂的用量低于食品包装材料要 求的 用量上限 , 将其用于湖底防渗是安全的 。 5.5.2 建议 目前 , 人们对于高密度聚乙烯防渗材料的应用尚未发现直接环境危害 , 但由 于该类材料在世界上作为大型工程防渗材料的历史 较短 , 人们 还无法完全根据现 实情况获知 其长期应用的生态影响 、 降解产物的精确 成份和 数量 , 所以在进行环 5 防渗材料 性能 及其环境影响分析 70 境敏感地区防渗材料的选择时 , 在满足防渗能力要求的同时 , 应该优先考虑天然 防渗材料 。