5 防渗材料 性能 及其环境影响分析
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 。