帶缺陷膨潤土防水毯的滲透試驗

何 俊,肖衡林,孔祥怡

(湖北工業大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430068)

膨潤土防水毯(geosynthetic clay liner,簡稱GCL)是由單位面積質量大約為5kg/m2的膨潤土夾在土工織物中間或黏結在土工膜上制成的襯墊材料。由于其厚度小,能較好地適應不均勻沉降,且具有良好的自愈能力,因此在巖土工程和水利工程等領域中應用日益廣泛。GCL的自愈能力是由于其中蒙脫石含量高、交換性陽離子主要為鈉離子的膨潤土遇水膨脹而產生的。Mazzieri等[1]對破損的膠結型GCL的滲透試驗研究發現,在直徑為10 cm的試樣中設置直徑為3cm的孔洞滲透系數增大約1個數量級,但離子交換作用的發生將使GCL的自愈能力大幅度減弱。Sivakumar等[2]采用硬性壁滲透儀對帶缺陷的針刺型和縫合型GCL進行滲透試驗,試樣直徑為14.5cm,設置孔洞直徑為6～55mm,試驗發現直徑小于30mm的孔洞能夠自愈。Egloffstein[3]指出,當上覆土層厚度超過75cm后鈣基膨潤土具有一定的自愈能力,但不能使較寬的干燥裂縫愈合。李憲[4]、陳生水等[5]分別通過柔性壁滲透試驗研究發現,當直徑為10 cm的試樣中穿孔孔徑為1 cm和4.5mm時,滲透系數超過1×10-9m/s。已有成果雖然指出離子交換作用對GCL的自愈能力有影響,但仍多以水為對象進行研究。筆者通過試驗研究存在圓形缺陷的GCL的滲透性能,探討自來水和CaCl2溶液滲濾時GCL的自愈能力。

1 試驗材料和方法

試驗選用的GCL由上海盈帆工程材料有限公司生產,采用針刺方法將鈉基膨潤土顆粒固定于2層土工布之間,單位面積質量大于4.8kg/m2,膨潤土中蒙脫石的質量分數約為85%～90%。在GCL試樣中間開圓孔用于模擬運輸和施工等過程中出現的缺陷,孔徑為 5～11mm。由于鈣離子和氯離子是垃圾填埋場滲濾液中常見的污染物離子,而滲濾液中高價陽離子的存在是影響GCL防滲性能的一個重要因素,且用作封場材料時鈣離子與GCL膨潤土中的鈉離子的離子交換是一種較為常見的現象,故分別以自來水和0.05mol/L的CaCl2溶液為滲濾溶液研究帶缺陷GCL的滲透性能。

采用上海土工公路儀器有限公司生產的STPZS-1膨潤土防水墊滲透儀進行滲透試驗。該儀器采用柔性壁試驗方法測量滲透系數,能有效防止試驗過程中的側漏,且反壓飽和效果較好。根據中國建筑工業行業標準JG/T 193—2006《鈉基膨潤土防水毯》[6]中的規定進行滲透試驗,圍壓設定為35kPa,在15kPa的壓力下反壓飽和 48h,溫度控制在(22±2)℃。自來水或CaCl2溶液飽和48h后,下游壓力保持15kPa不變,增大上游壓力至18kPa左右,調節上下游水管水頭到適當高度,定時觀測上下游壓力和水位,計算滲透系數。試驗過程中水力梯度在40～70之間。

JG/T193—2006《鈉基膨潤土防水毯》[6]中規定,滲透試驗終止的標準為最后連續3次測試進口流量與出口流量的比在0.75～1.25之間,流量沒有明顯的上升或下降趨勢,流量在平均流量值的0.75～1.25之間。CaCl2溶液滲濾時,由于離子交換需要時間,隨著試驗時間的增長滲透系數可能逐漸增大。試驗終止的標準包括孔隙體積流量最小為1～2、出入口濃度達到化學平衡(一般以滲入液和滲出液的pH值之比、電導率之比接近1來控制)[7-9]。由于文中CaCl2溶液滲濾時pH值和電導率變化相對較小,且選擇的溶液濃度較大,故沒有以 pH值之比、電導率之比接近1作為終止標準。CaCl2溶液滲濾時孔隙體積流量超過4。

上下游設定壓力和水位后,上游水位下降,下游水位上升。由于上游管中水量有限,為使足夠多滲濾液通過試樣,需要逐次補充上游水量,稱一次上游水位下降的過程為一次滲透。

2 試驗結果分析

2.1 自來水滲濾

自來水在完好和帶有缺陷的GCL中滲濾時,滲透系數k隨孔隙體積流量PVF的變化見圖1。從圖1可以看出,k隨PVF的增大有減小的趨勢。PVF的計算公式為

式中:Q為流過試樣的水量,通過上游和下游水位的變化來確定;HGCL為試樣高度;Hs為GCL中固體的高度;A為試樣面積,為試驗結束后用卡尺測量確定;HBent為膨潤土顆粒的高度;HGEO為土工織物的高度;MBent和MGEO分別為單位面積上膨潤土和土工織物的質量;ρBent和 ρGEO分別為膨潤土和土工織物的相對密度;w0為膨潤土風干含水率。

圖1 自來水滲濾時 k隨PVF的變化

缺陷直徑為11mm時滲透速度v與水力梯度i的關系見圖2,當兩者的關系曲線為直線時,直線的斜率即為滲透系數。但圖2中兩者的關系曲線為上凹型,曲線斜率隨水力梯度的增大而增大,即滲透系數隨水力梯度的增大有增大的趨勢,不能嚴格服從達西定律。因此,滲透系數隨PVF的增大略有減小的原因可能是,在試驗過程中,隨著上游水位的下降和下游水位的上升水力梯度逐漸降低。

圖2 缺陷直徑為11mm時 v與i的關系

滲透系數與缺陷直徑的關系如圖3所示,圖中滲透系數為達到穩定標準的平均滲透系數。由圖3可見,滲透系數隨缺陷直徑的增大而增大;缺陷直徑不超過9mm時,滲透系數小于 1×10-9m/s,符合規范中對襯墊滲透系數的要求;當缺陷直徑超過9mm后,滲透系數顯著增大,不能滿足要求,該結論與文獻[4]中結論一致。

2.2 CaCl2溶液滲濾

圖3 自來水滲濾時 k與缺陷直徑的關系

當GCL在0.05mol/L的 CaCl2溶液水化和滲濾時,一次滲透過程中k隨PVF的增大有減小的趨勢(圖4),其規律與自來水滲濾時一致。

圖4 一次滲透過程中 k隨PVF的變化

以每次滲透達到穩定時的平均滲透系數為縱坐標,每次滲透結束時的PVF值為橫坐標,兩者之間的關系見圖5。由圖5可見,k隨PVF的增大呈增大的趨勢。這個規律與圖4不同,主要原因在于控制因素有差異。一次滲濾時,溶液與土的作用時間相對較短,滲透系數的變化可能受試驗過程中水力梯度變化的影響較大(如2.1節所述)。圖5中滲透系數為每次滲濾達到相對穩定時的平均滲透系數,滲透時間相對較長。完好GCL每次滲透穩定時滲透系數與水力梯度的關系見圖6。由圖 6可見,兩者之間沒有顯著的相關性。由此可以認為,多次滲濾時水力梯度的差異不是造成滲透系數變化的主要原因。因此,平均滲透系數隨PVF的增大應為溶液與膨潤土發生相互作用引起的。隨著滲濾時間的增長,土與溶液之間發生離子交換作用,溶液對土結構的影響增大,結合水膜厚度減小,可供溶液流動的空間相對增大,滲透系數增大。

圖5 CaCl2溶液滲濾穩定時 k隨PVF的變化

圖6 每次滲透穩定時k與i的關系

分別取PVF為1.5～2.5和3.5～4.5范圍內滲透系數的平均值進行比較,發現滲透系數隨缺陷直徑的增大而增大;CaCl2溶液滲濾時完好GCL的滲透系數約為4×10-8m/s,約為自來水滲濾時完好GCL滲透系數的400倍,比帶11mm缺陷的GCL的滲透系數還大約7倍,表明0.05mol/L的CaCl2溶液對GCL滲透性的影響比11mm缺陷帶來的影響更大。

3 討 論

GCL的防滲性能、自愈能力與其中膨潤土的水化膨脹密切相關。采用固結儀研究GCL的膨脹性能,加6.25kPa的壓力用以模擬GCL鋪設后及時上覆保護土層的情況,試樣壓縮穩定后注入水或CaCl2溶液,記錄膨脹量直至穩定。其中,變形穩定的標準為24 h變形量小于0.001mm[8]。試驗結果見圖7,由圖 7可知,自來水和CaCl2溶液水化時GCL的膨脹量差別較大,分別為2.24mm和1.05mm。相同壓力下GCL膨脹量越大,吸附的結合水越多,形成的分散凝膠態蒙脫石片越多,水與顆粒之間的相互作用越強,液體越不易通過;CaCl2溶液作用下結合水膜薄,溶液滲濾時孔隙較大,而滲流路徑遠不如自來水滲濾時曲折,因此CaCl2溶液滲濾時比自來水滲濾時滲透系數增大很多。

圖7 自來水和CaCl2溶液水化時GCL膨脹量的比較

在滲透試驗中,帶缺陷的GCL試樣水化時缺陷附近的膨潤土膨脹使得缺陷逐漸愈合,缺陷直徑逐漸減小。當缺陷直徑較小時,水化后能夠完全愈合,其滲透系數相比完好GCL的滲透系數增大不多。例如0.05mol/L的CaCl2溶液滲濾,帶5mm缺陷的GCL的滲透系數與完好GCL的滲透系數相差不大,表明GCL有一定的自愈能力。滲透試驗結束后觀察試樣發現,自來水和0.05mol/L的CaCl2溶液滲濾,缺陷直徑較大(分別為11mm和7mm)時缺陷不能完全愈合,故滲透系數增大較顯著,前者超過 1×10-9m/s,后者達10-7m/s。GCL在 CaCl2溶液中的水化膨脹量小于在自來水中的膨脹量,因此其在溶液中能夠愈合的缺陷直徑比在自來水中小。

4 結 論

a.CaCl2溶液滲濾時,離子交換需要一定的時間,滲透系數隨著PVF的增大呈增大趨勢。

b.自來水滲濾時,GCL中缺陷直徑達11mm時缺陷不能完全愈合,致使滲透系數超過1×10-9m/s。

c.0.05mol/L的 CaCl2溶液滲濾時,完好GCL的滲透系數比自來水滲濾時增大約400倍;滲透系數隨缺陷直徑的增大而增大,當直徑達7mm時缺陷不能完全愈合,滲透系數達1×10-7m/s。溶液和缺陷的共同影響使GCL的防滲性能很差。

:

[1]MAZZIERI F,PASQUALINI E.Permeability of damaged geosynthetic clay liners[J].Geosynthetics International,2000,7(2):101-118.

[2]SIVAKUMAR BG L,SPORERH,ZANZINGER H,et al.Selfhealing properties of geosynthetic clay liners[J].Geosynthetics International,2001,8(5):461-471.

[3]EGLOFFSTEIN T A.Natural bentonites-influence of the ion exchange and partial desiccation on permeability and selfhealing capacity of bentonites used in GCLs[J].Geotextiles and Geomembranes,2001,19:427-444.

[4]李憲.GCL防滲特性及填埋場防滲系統的研究[D].南京:河海大學,2005.

[5]陳生水,鄭澄鋒,楊明昌.新型防滲材料膨潤土墊的試驗研究[J].水利水運工程學報,2006(3):34-38.

[6]JG/T 193—2006 鈉基膨潤土防水毯[S].

[7]PETROV R J,ROWE R K,QUIGLEY R M.Comparison of laboratory-measured GCL hydraulicconductivity based on three permeameter types[J].Geotechnical Testing Journal,1997,20(1):49-62.

[8]李志斌,徐超.豎向應力作用下GCL的膨脹特性和滲透性能[J].巖土工程學報,2007,29(12):1876-1880.

[9]LEE JM,SHACKELFORD C D.Impact of bentonite quality on hydraulic conductivity of geosynthetic clay liners[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2005,131(1):64-77.