城市固體廢棄物持水特性的室內試驗

劉曉東,施建勇

(1.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098;

2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)

城市固體廢棄物(municipal solid waste,MSW)收集時是非飽和的,填埋后也處于非飽和狀態[1],與土不同,MSW為大孔隙介質,大尺寸組分含量較多,孔隙中含有大量的水和氣,研究MSW的持水特性對于深入了解其非飽和特性具有十分重要的意義。MSW的持水特性可由土水特征曲線表示,它反映了MSW基質吸力與含水率的關系。確定MSW的持水特性能為填埋場垃圾滲濾液動態傳輸過程的預測提供依據,還能為填埋場中水、氣運移分析提供重要參數,尤其MSW的非飽和滲透系數直接測試較困難,通過MSW的持水特性可以間接得到其非飽和滲透系數。目前關于MSW的持水特性研究文獻比較少,Holmes[2]發現,隨著垃圾中有機物的減少,MSW的持水率降低;Jang等[3]通過改進的Temple儀測量垃圾的土水特征曲線,分析了MSW的壓實度對土水特征曲線的影響;Fungaroli等[4]指出持水率隨著MSW粒徑的減小而減小;魏海云[5]通過壓力板儀和Temple儀對杭州市MSW的土水特征曲線進行了測試,研究了其組分和初始孔隙比對土水特征曲線的影響,張文杰等[6]用壓力板儀測定了蘇州七子山填埋場中MSW試樣的土水特征曲線,得到了MSW持水特性隨填埋深度的關系曲線。

本文采用非飽和固結儀進行MSW的持水特性試驗。使用非飽和固結儀一方面可以量測MSW的持水特性在較大吸力范圍內的變化,另一方面在試驗過程中可以較精確地量測試樣的體變,從而獲得飽和度S和孔隙率n隨吸力的變化關系,為進一步分析MSW的非飽和特性參數提供依據。通過對6組人工配制的MSW試樣進行持水特性的對比試驗,研究了初始孔隙比、有機物質量分數和荷載作用對MSW土水特征曲線的影響;同時還采用濾紙法進行MSW試樣的土水特征曲線量測,并與用非飽和固結儀法得到的土水特征曲線進行了對比。

1 試樣的選擇

為了分析不同有機物質量分數、不同初始孔隙比與荷載作用對MSW土水特征曲線的影響,采用人工配制的MSW試樣,利用非飽和固結儀進行了6組土水特征曲線測試試驗,6組試驗控制條件見表1,不同試樣的組成見表2。使用濾紙法進行MSW試樣的土水特征曲線量測時所用試樣為S2和S6。

表1 對比試驗控制條件

表2 不同試樣的組成(干質量分數) %

2 試驗方法與步驟

2.1 非飽和固結儀法

采用1.5MPa非飽和固結儀,測試方法為:對儀器密閉的壓力室施加氣壓力,氣壓力將MSW試樣中的孔隙水排出,試樣放置在陶土板上,陶土板只允許水通過(自由氣體不能通過),同時壓力室與橡膠排水管相連,橡膠排水管與量管相連,保證試驗過程中試樣中的孔隙水壓力為0kPa,這樣試驗平衡時試樣的吸力即為該級氣壓力。逐級增加氣壓力,計算每級氣壓力下的含水率(本文含水率均為體積含水率),最后即可得到MSW的土水特征曲線。

非飽和固結儀法量測的具體步驟為:①將配制好的試樣壓入環刀(直徑61.8mm,高 40mm),所配的試樣最大粒徑尺寸控制在環刀直徑的1/10以內,并按照規范要求[7]進行抽氣飽和,抽氣飽和后將試樣放入水中浸泡24h后取出即可進行試驗;②將飽和的MSW試樣放在壓力室的陶土板上,陶土板要事先飽和,試樣頂部放置一濾石,安裝儀器的其他部件并確保儀器的密閉性;③對儀器壓力室分級施加氣壓力,在每一級氣壓力作用下排水穩定時,讀取量管里的水量變化,排水穩定標準為:在2h內MSW試樣的排水量小于0.012mL;④施加最后一級氣壓力,待排水穩定后,讀取量筒讀數,釋放壓力室中的氣壓力,將試樣取出稱量試樣的質量,然后放入烘箱烘干(60℃烘干 48h)得到試樣的干質量,以此得出試樣最終的含水率;⑤根據此含水率及之前每一級氣壓力下的排水量的變化,反算出前面各級氣壓力下的含水率,最后根據氣壓力與含水率的關系,繪制MSW的土水特征曲線。

2.2 濾紙法

濾紙法是建立在濾紙能夠同具有一定吸力的土達到平衡(在水分流動意義上)的假設基礎上的。通過讓已知率定曲線的濾紙與土樣接觸,使得土與濾紙水分充分交換從而達到平衡后,可以認為土體吸力與濾紙吸力近似相等,從而通過濾紙含水率與率定曲線公式可以換算出相當于土樣中的基質吸力值。濾紙法的優點是可以測量全吸力范圍(0～10000kPa)內的曲線[8]。

同一商標的濾紙被認為具有同樣的率定曲線。試驗采用Whatman No.42型無灰濾紙,直徑為70mm(未裁剪),其率定公式[9]為

式中:ψ為吸力,kPa;wf為含水率,%。

濾紙法量測的具體步驟為:①將配制好并飽和后的S2和S6試樣置于大氣中或在烘箱中烘干,至某一設計的含水率,取2塊土樣,將3張烘干后的濾紙置于兩土樣之間,并使濾紙與土樣接觸良好,接觸處用膠帶纏好密封,然后用保鮮膜將其密封包好;②將封裝好的試樣靜置10d;③取下保鮮膜,稱量中間一層濾紙和土樣的質量,據此計算含水率,要保證在30s內完成,避免水分蒸發引起的誤差;④根據濾紙的含水率,結合已知的濾紙率定公式(式(1)),得到試樣的吸力值,根據此吸力值及對應的試樣含水率,繪制出MSW試樣的土水特征曲線。

3 試驗結果與分析

3.1 MSW試樣與一般土體的持水特性對比

圖1為本文MSW試樣和一般土體的土水特征曲線。由土水特征曲線可以得到土的進氣值 ψb、殘余含水率 θr與和飽和含水率 θs3個參數。其中 ψb是指空氣進入土孔隙所必須達到的基質吸力值,它是土中最大孔隙尺寸的一種度量;θr是基質吸力的增加并不引起含水率的顯著變化時的含水率,即土水特征曲線變化穩定階段對應的含水率[8];θs為土水特征曲線上基質吸力為0kPa時對應的含水率。

圖1 MSW試樣與一般土體的土水特征曲線對比

由圖1可以看出,MSW試樣的含水率從低基質吸力開始就迅速下降,普通土體(細砂、粉土)的含水率從低基質吸力開始有一個幾乎穩定不變的過程,隨著基質吸力的增加,當達到某一吸力值后,其含水率才開始逐漸下降,最終趨于穩定,整個土水特征變化規律呈“S”形,突變點對應的吸力值即為進氣值。由圖1可以看出,MSW試樣的進氣值非常小,接近0kPa,Gonzalez等[10]試驗細砂的進氣值約為10kPa,Fredlund等[11]試樣中粉土和砂混合物的進氣值約為15kPa。試驗中還進行了重塑黏土的土水特征曲線測量,從圖1可以看出重塑黏土進氣值最大,在試驗吸力范圍內沒有出現突變點。但是MSW試樣的飽和含水率和殘余含水率與普通土體相比都較高,這主要是由于MSW試樣含有大量的有機質,與普通土顆粒相比,有機質具有良好的保水和持水能力。

3.2 初始孔隙比對MSW試樣土水特征曲線的影響

圖2為有機物質量分數相同(w=60%)、初始孔隙比不同的MSW試樣的土水特征曲線。由圖2可以看出,對于有機物質量分數相同的MSW試樣,隨著初始孔隙比的逐漸增大,試樣的 θs也逐漸增加,θr卻逐漸減小。這主要是由于初始孔隙比越大,飽和狀態下孔隙中能保留的水分就越多,從而導致 θs逐漸增大,MSW 試樣在e=3.5時,θs=73.13%,當e=1.5 時 ,θs=59.12%;另一方面 ,隨著初始孔隙比的增大,θr逐漸減小,其實 θr的大小主要受MSW中結合水的影響,但是對于有機物質量分數相同的MSW而言,孔隙比越大,顆粒間膠結越稀松,在高氣壓力的作用下,水更容易被排出,從而也會導致殘余含水率有相應的減小。由圖2還可以看出 ,MSW 試樣在e=3.5時,θr=14.88%,當e=1.5時 ,θr=23.47%。

圖2 不同初始孔隙比條件下試樣的土水特征曲線

為更清晰顯示MSW試樣在低吸力階段的持水特性,將圖2中基質吸力為0～50kPa土水特征曲線放大如圖3所示。由圖3可以看出,孔隙率越大,其低基質吸力下的曲線越陡,這主要是由于大孔隙會導致排水更快,所以曲線更陡,另外3條曲線交于一點,在交點之前,初始孔隙比越大,相同的吸力對應的含水率越高,交點之后,初始孔隙比越大,相同吸力對應的含水率越小。

圖3 不同初始孔隙比條件下試樣在低吸力階段的土水特征曲線

隨著初始孔隙比的逐漸增大,MSW的 θr逐漸減小,這與侯長亮等[12]得到的規律一致,與魏海云[5]試驗得到的“初始孔隙比越大,垃圾的殘余含水率越大”的規律相反。魏海云[5]試驗試樣配制過程中包含大量的菜葉和骨肉,這些物質的持水能力很強,在一定的基質吸力試驗范圍內,保持在這些物質中的水分無法排出,從而導致其殘余含水率較高。由此可見,使用不同成分配制出的MSW試樣會得到不同的持水特性。

3.3 有機物質量分數對MSW土水特征曲線的影響

圖4為初始孔隙比(e=1.5)相同、有機物質量分數不同的MSW試樣的土水特征曲線。由圖4可以看出,各組MSW試樣的 θs幾乎相同,都在60%左右,說明與初始孔隙比相比,有機物質量分數對于θs的影響很小。隨著MSW中有機物質量分數的減小,其 θr也越來越小,這主要是由于有機物質量分數越小,MSW中無機物成分渣土(細粒成分)的含量越高,由于渣土的顆粒細小,且含有一定量的有機成分,所以增加了垃圾的持水能力。

圖4 不同有機物質量分數條件下試樣的土水特征曲線

將圖4中低吸力階段(0～50kPa)的土水特征曲線放大,得到圖 5所示的土水特征曲線。由圖5可以看出,有機物質量分數越低,其低基質吸力階段的曲線越陡,這主要是由于相同初始孔隙比的條件下,有機物質量分數越低,其大孔隙越多,排水越快,所以曲線越陡;與圖3土水特征曲線不同,圖5的土水特征曲線沒有交點,從試驗一開始,相同吸力的條件下,有機物質量分數高的試樣就對應小的含水率。

圖5 不同有機物質量分數條件下試樣在低吸力階段的土水特征曲線

隨著有機物質量分數的逐漸增大,MSW的 θr逐漸減小,這與侯長亮等[12]得到的規律一致,與魏海云[5]試驗得到的“有機物質量分數越高,垃圾的θr越大”的規律相反。魏海云[5]試驗的對比試樣中有機物質量分數和初始孔隙比都不同,兩個試樣的有機物質量分數分別為51.9%和17.1%,初始孔隙比分別為3.2和 2.3,因此無法確定高的 θr就是由有機物質量分數影響的,也可能受到初始孔隙比不同的影響。另外魏海云[5]還做了一組初始孔隙比相同但有機物質量分數不同的對比試驗,試驗中魏海云選擇40kPa和10kPa吸力對應的含水率作為試樣的殘余含水率,而在此吸力作用下,試樣的含水率并沒有穩定,若是選擇穩定時的含水率作為試樣的殘余含水率,那么魏海云的試驗反映的規律就和本文試驗反映的規律相同。

3.4 荷載作用對MSW土水特征曲線的影響

圖6為相同有機物質量分數、相同初始孔隙比條件下,荷載作用對MSW試樣土水特征曲線的影響。試樣都是先飽和后再加載或不加載。從圖6可以看出,無荷載作用時,MSW在低氣壓力階段的曲線更陡,其殘余含水率也更低,這主要是由于MSW在荷載作用下,孔隙變得更加細小,持水能力增強,導致排水更加困難。

圖6 荷載作用對試樣土水特征曲線的影響

3.5 非飽和固結儀法與濾紙法的對比

對S2和S6試樣用濾紙法進行了土水特征曲線的量測,非飽和固結儀法與濾紙法的試驗結果如圖7所示。

圖7 非飽和固結儀法和濾紙法試驗結果對比

從圖7可以看出,使用濾紙法和非飽和固結儀法測得的土水特征曲線總趨勢是相同的,但是在低吸力下兩種方法得到的吸力值差別較大,相差10%～35%,即在相同含水率下,使用非飽和固結儀法得到的吸力值比使用濾紙法得到的吸力值要大,且土水特征曲線的變化更加平緩;而在高吸力階段,兩種方法得到的結果差別不大。產生這種現象的原因,一方面由于濾紙本身都是在高吸力下率定的,使用在低吸力階段時會出現誤差;另一方面試驗過程中濾紙被剪裁成與土樣的直徑相同,在吸力平衡過程中,會有少量水分凝結在保鮮膜上,當吸力平衡結束拆除保鮮膜時,凝結的水珠可能會滑落到土樣間的濾紙上,造成濾紙再次吸水,而濾紙對吸水很敏感,即使是少量的水進入濾紙,也會增加其含水率,導致吸力降低,試樣的含水率越高,凝結在保鮮膜上的水珠越多,這種現象也就越明顯,而在低含水率時,凝結的水珠很少甚至沒有,所以得到的結果和非飽和固結儀法得到的結果比較相近。因此用濾紙法測MSW的土水特征曲線時,高吸力階段的值更加合理,更有參考性,低吸力段(小于 100 kPa)不建議使用濾紙法。

4 MSW的孔隙大小分布指標分析

孔隙大小分布指標λ是一個表示孔徑分布特征的常數,λ越小,表示孔隙尺寸分布越不均勻,它對于預測非飽和土的滲透性等特性具有十分重要的意義。

Brooks等[13]在用各類介質做了大量脫濕試驗的基礎上提出了Brooks-Corey公式:

式中:Se為有效飽和度;ψ為MSW的基質吸力;θ為含水率。

對式(2)兩邊同時取自然對數并整理得

按照式(3)對得到的6組試樣數據進行整理,結果見表3。由表 3可以看出,MSW試樣的進氣值很小,都在1kPa左右;隨著初始孔隙比的增加,MSW試樣的進氣值也在逐漸減小,這主要是由于大孔隙使得氣體的進入更容易;有機物質量分數越低,MSW試樣的進氣值也越低,這主要是由于有機物質量分數越低,在相同初始孔隙比的條件下,大孔隙含量越大,從而使得氣體的進入也更容易;荷載作用使得MSW試樣的進氣值增加,S1試樣的進氣值為4.58kPa,遠大于沒有荷載作用的MSW試樣的進氣值,說明荷載使得MSW的孔隙變小,透氣更加困難;總體上各試樣的 λ值都比較接近,在0.27～0.47之間,張文杰等[6]得到的 λ值為0.37,λ值都非常小,這也說明了MSW的不均勻性。以上結果同時也驗證了前文所述的不同試樣持水特性的合理性。

表3 土水特征擬合直線結果

由試驗結果可以看出,隨著初始孔隙比的增加,λ值在減小,隨著有機物質量分數的增加,λ值也在增加。

5 結 論

a.與普通土體相比,MSW試樣的進氣值很低,定量驗證表明在1kPa左右;隨著初始孔隙比的逐漸增大,MSW試樣的飽和含水率也逐漸增加,殘余含水率卻逐漸減小;隨著MSW試樣中有機物質量分數的增加,其殘余含水率越來越小,飽和含水率幾乎不變;荷載作用使得MSW殘余含水率也變大。

b.用濾紙法測MSW的土水特征曲線時,低吸力階段(0～100kPa)時誤差較大,高吸力階段的值更加合理,更有參考性。

c.孔隙大小分布指標 λ值非常小,在 0.27～0.47之間,表明了MSW的不均勻性,λ值隨著初始孔隙比的增加而減小,隨著有機物質量分數的增加而增加。

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