黏土固化注漿技術(shù)在垃圾填埋場(chǎng)防滲中的應(yīng)用探討

尹蓮花

摘要：黏土固化劑是一種新的灌漿材料，黏土固化注漿技術(shù)在垃圾填埋場(chǎng)防滲施工中具有施工成本低、施工簡(jiǎn)單方便、堵水防滲效果好等特點(diǎn)，能顯著提高防滲性能，還能大幅度降低工程的施工成本。文章從黏土固化注漿技術(shù)的主要特點(diǎn)，結(jié)合垃圾填埋場(chǎng)防滲施工的要求，探討了黏土固化注漿技術(shù)在垃圾填埋場(chǎng)防滲中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：黏土固化注漿技術(shù)；垃圾填埋場(chǎng)；防滲施工；黏土固化劑；灌漿材料 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X705 文章編號(hào)：1009-2374（2016）24-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.043

黏土固化劑是一種由黏土和一定比例的結(jié)構(gòu)劑組成的注漿材料，其中黏土為主要成分，這種固化劑具有良好的黏塑性和可滲性，堵水效果好，具有很好的封閉性，而且黏土作為主要材料來源十分廣泛，價(jià)格便宜，成本低廉，能節(jié)省大量的資金，在防滲工程中有很大的優(yōu)勢(shì)。筆者根據(jù)武漢市陳家沖生活垃圾填埋場(chǎng)的防滲工程施工所采用的黏土固化注漿技術(shù)進(jìn)行分析和研究，經(jīng)總結(jié)，黏土固化注漿技術(shù)是一種非常經(jīng)濟(jì)適用的防滲方法。位于武漢市新洲區(qū)的陳家沖生活垃圾填埋場(chǎng)是武漢市十大重點(diǎn)環(huán)保垃圾填埋場(chǎng)之一，為防止垃圾填埋場(chǎng)的污染物滲入地下水污染下游黃岡、鄂州以及江西省的地下水，根據(jù)武漢市環(huán)保局的要求，對(duì)填埋場(chǎng)基本壩前1m左右采用垂直防滲帷幕，該帷幕上部地層為長江中下游沖積平原的砂土粉質(zhì)地層，厚度約為5m，孔隙較大，土壤透水性好，地表水極易下滲。

1 黏土固化劑的化學(xué)機(jī)理及主要性能

1.1 黏土固化劑的化學(xué)機(jī)理

黏土固化劑的化學(xué)機(jī)理是其中的主要成分與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的硅酸根、鋁酸根和硫酸根，這三種根與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化鈣水化鋁酸三鈣以及具有較大膨脹性的硫鋁酸鈣和無定型水化硅酸二鈣，黏土固化劑溶于水后，通過與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)吸收漿液中大量的水分，能夠加速水泥的水化反應(yīng)，產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度的結(jié)石體，通過充填在空隙之中能夠起到封住孔隙，防滲防漏的作用。黏土中的堿性金屬物質(zhì)與鋁酸根和硅酸根發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生明礬，在氫氧化鈣和硫酸鈣的作用下，明礬石出現(xiàn)膨脹生成膠凝鈣礬石和具有一定韌性的膠凝物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠改善水泥集料界面的孔隙及應(yīng)力狀態(tài)，可以提高結(jié)石體的密實(shí)度和抗壓強(qiáng)度，增加結(jié)石體的防滲效果。

1.2 黏土固化劑的主要性能

廢棄填埋場(chǎng)屬于特殊結(jié)構(gòu)的建筑物，對(duì)結(jié)構(gòu)的防滲性能有著更高的要求，選擇防滲效果好的材料是防止有害物質(zhì)滲入地下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，材料選擇如果不恰當(dāng)會(huì)破壞帷幕的密封性和防滲的持久性，因此在選擇防滲材料時(shí)重點(diǎn)是對(duì)黏土固化劑的主要成分進(jìn)行分析選擇，從漿液的析水性能、滲透性能及耐久性把好關(guān)。

1.2.1 漿液的析水性能。漿液的析水性不能過高，析水率過高會(huì)使?jié){液中的結(jié)石體下沉使結(jié)石體與液體分離導(dǎo)致漿液的強(qiáng)度不均勻，影響到漿液的密實(shí)性。本次采用的黏土固化漿液的穩(wěn)定性不太好，是一種沉淀析水率較高的懸浮體漿液，但是因填埋場(chǎng)帷幕地層縫隙較大，灌注過程中有利于地層中多余水分的排除，對(duì)漿液結(jié)石有一定的擠密效果，因此不影響防滲效果。

1.2.2 漿液的滲透性能。帷幕的抗?jié)B性能對(duì)于廢料填埋場(chǎng)密封處理的效果起著決定性的作用，為了起到防止污水?dāng)U散滲漏的作用，帷幕形成的封閉空間滲漏系數(shù)不能超過10-5cm/s，在試驗(yàn)過程中，我們以255型滲透儀對(duì)部分試樣進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，我們得知漿液中各組分的變化對(duì)結(jié)石的滲透性能的影響，水玻璃摻入比例越高抗?jié)B性能越好，水泥比例增加也有增強(qiáng)抗?jié)B性的效果，但是沒有水玻璃明顯，水固比則相反，漿液越稀結(jié)石的抗?jié)B性能越差。

1.2.3 漿液的耐久性。帷幕注漿的目的是為了防滲，在施工的時(shí)候只是填充于裂縫之中，因此，固結(jié)物需要達(dá)到一定的強(qiáng)度才能抵抗靜水壓力，根據(jù)測(cè)算得出，在20m水頭壓力下結(jié)石體保持穩(wěn)定性所需要承受的抗剪強(qiáng)度達(dá)到0.005～0.01MPa則為合格，本次試驗(yàn)中根據(jù)維卡儀測(cè)試結(jié)果顯示7天后帷幕抗剪強(qiáng)度均超過0.03MPa，最高能夠達(dá)到2～3MPa，而且由于在潮濕的環(huán)境下進(jìn)行注漿體的養(yǎng)護(hù)，潮濕環(huán)境中的水分能夠一定程度上增強(qiáng)結(jié)石體的強(qiáng)度，因此黏土固化注漿能夠滿足耐久性的強(qiáng)度要求，另外，黏土固化注漿液的黏土成分主要為高嶺土，是一種具有一定惰性的土壤，其中活性陽離子含量少，表面為負(fù)電荷，礦物分子內(nèi)聚能大，這些特點(diǎn)有助于帷幕對(duì)有害物質(zhì)滲透到地下的阻擋效果，而且漿液結(jié)石具有良好的可塑性，在帷幕受到局部高壓時(shí)結(jié)石體只會(huì)出現(xiàn)一定的變形而不會(huì)出現(xiàn)裂縫，不會(huì)影響帷幕的密封效果。

1.3 黏土固化注漿技術(shù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

相比純水泥進(jìn)行基巖灌注，黏土固化注漿在材料費(fèi)和人工費(fèi)方面最少，節(jié)省成本10%以上，黏土固化劑漿液的主要組成材料為黏土、水泥和固化劑，其中黏土所占比例達(dá)到80%以上，水泥所占比例為20%，而固化劑的用量?jī)H為水泥的15%，按照市場(chǎng)價(jià)水泥約為40元/kg，固化劑為7.5元/kg，而黏土僅為15元/噸，灌漿材料的綜合成本可以節(jié)約20%以上，而且黏土固化漿液具有無析水性，膠凝時(shí)間可控等特點(diǎn)，形成的結(jié)石體具有膨脹性，在對(duì)帷幕進(jìn)行灌注時(shí)可以對(duì)漿液的擴(kuò)散距離進(jìn)行控制，提高灌注的效率，減少漿液的流失，在節(jié)省人工方面更是比傳統(tǒng)水泥灌漿方法節(jié)省機(jī)械和人工工時(shí)15%以上。傳統(tǒng)的垃圾填埋場(chǎng)的防滲加固方法一般是對(duì)帷幕采用沖抓回填或者高壓旋噴及土工膜技術(shù)作為防滲方法，這幾種方法要么是防滲效果不好，要么是造價(jià)太高，要么是施工技術(shù)難度大，而黏土固化注漿技術(shù)防滲效果好、操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2 黏土固化注漿技術(shù)在垃圾填埋場(chǎng)防滲中的應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 注漿試驗(yàn)孔布置

在布置試驗(yàn)孔的過程中，要根據(jù)帷幕線不同地段的不同地質(zhì)條件和滲透性特點(diǎn)將注漿試驗(yàn)孔布置于填埋場(chǎng)的兩側(cè)，第一組布置3孔，呈等邊三角形分布，布設(shè)于南端鄰水一側(cè)；第二組為2孔，布設(shè)于北端，孔距為3～5m，孔深以壓水試驗(yàn)為控制依據(jù)，約為20～30m。

2.2 注漿參數(shù)的選取

注漿的漿液配合比一般來說要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果得出的參數(shù)來確定，但是由于每個(gè)工程項(xiàng)目的氣候、水文、地質(zhì)等條件各不相同，因此要獲得良好的注漿效果就需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)不同地段的單位吸水率選擇進(jìn)行濃度配比的設(shè)計(jì)，一般固液質(zhì)量的比例為1∶3～1∶8不等。注漿段長一般為5～10m，具體長度要根據(jù)壓水試驗(yàn)值的大小確定，注漿壓力值的確定要結(jié)合地層情況按照按設(shè)計(jì)壓力0.4～0.6MPa的要求適當(dāng)調(diào)整，一般完整的基巖段注漿壓力為0.4～0.7MPa，但是武漢市陳家沖垃圾填埋場(chǎng)地層為沖積扇地層，底下為砂土質(zhì)地層，壓力過大會(huì)導(dǎo)致地表冒漿現(xiàn)象的出現(xiàn)，因此要適當(dāng)減小壓力值，延長注漿的時(shí)間。

2.3 注漿工藝

在本次注漿過程中采用了上行式和下行式兩種注漿方式，下行式注漿法主要是用于地層條件復(fù)雜的項(xiàng)目，對(duì)于一般情況則采用上形式注漿法，本次工程的地層條件較為復(fù)雜，因此采用的上行式和下行式相結(jié)合的方法，下行式注漿法能夠彌補(bǔ)沖洗液漏失嚴(yán)重的問題，而上行式注漿法能夠起到復(fù)注效果，有利于注漿效果的實(shí)現(xiàn)，兩種方法相互結(jié)合符合本次施工的地層條件，堵漏效果好，注漿結(jié)果表明，對(duì)于地層松散的砂土地質(zhì)漿液不能過稀，水的比例要適當(dāng)減少，否則會(huì)出現(xiàn)冒漿的現(xiàn)象。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

本次壓水試驗(yàn)分為注漿前和注漿后兩部分進(jìn)行，壓水試驗(yàn)的校驗(yàn)地點(diǎn)位于第一組三角形的中心和第二組兩孔的中間位置，根據(jù)壓水試驗(yàn)的結(jié)果可以看出黏土固化注漿具有非常明顯的防滲效果，平均防滲效果提高了50倍，由此可見采用黏土固化注漿防滲方法達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)是可行的。

3 黏土固化注漿技術(shù)施工方法及注意要點(diǎn)

3.1 灌漿材料選擇

黏土固化漿液的材料包括黏土、水泥和水，設(shè)備包括黏土打漿機(jī)，轉(zhuǎn)速不低于400r/min的兩個(gè)高速攪拌筒、泥漿泵和鉆機(jī)等。黏土的黏粒不小于25%，塑性指數(shù)不低于15的所有自然土均可，以觀音土或高嶺土最佳，水泥為32.5以上的普通硅酸水泥，水的水質(zhì)無明顯化學(xué)污染的灌溉水或自來水，水中的活性粒子不能過高，黏土固化劑為專利產(chǎn)品。

3.2 制漿方法

首先將黏土用打漿機(jī)打碎摻水打成泥漿，然后用第一個(gè)高速攪拌筒攪拌1～2分鐘，攪拌結(jié)束后對(duì)黏土量和水料比進(jìn)行測(cè)試待用，按照配比干拌好水泥黏土固化劑，拌好后放入第一高速攪拌筒攪拌7分鐘以上直至完全攪拌均勻，再放入第二高速攪拌筒攪拌7分鐘待灌。

3.3 灌漿方法

黏土固化注漿的開灌水料比為2∶1，由于不同地層滲水性和濕度不同，注漿過程中對(duì)于吸漿量特別大的沙土地層可以充分利用注漿液膠凝時(shí)間的可控特點(diǎn)進(jìn)行漿液水料比的調(diào)節(jié)或者通過間歇灌注的方式控制漿液擴(kuò)散半徑，減少漿液的流失度，還能節(jié)省施工時(shí)間，根據(jù)漿液基本無析水性的特點(diǎn)在終灌環(huán)節(jié)時(shí)當(dāng)灌注達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值后續(xù)灌10～20分鐘，可以再次節(jié)省施工時(shí)間。

3.4 注意要點(diǎn)

3.4.1 黏土固化注漿技術(shù)從試驗(yàn)結(jié)果看能夠有效地防止垃圾填埋場(chǎng)污染物的下滲，下一步工作是要監(jiān)測(cè)好對(duì)有害物質(zhì)的防滲效果，收集漿液結(jié)石在有害物質(zhì)防護(hù)能力方面的資料。

3.4.2 如果漿液吸水情況嚴(yán)重，可以添加一些優(yōu)質(zhì)膨潤土到漿液中，增加固相顆粒的分散效果。

3.4.3 從現(xiàn)場(chǎng)的施工及測(cè)試結(jié)果來看，黏土固化注漿技術(shù)能夠有效地防止污染物下滲，對(duì)環(huán)境污染的治理和防范有很大的效果，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，值得大力推廣應(yīng)用。

3.4.4 對(duì)于地質(zhì)條件松散的地層需要適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)注漿工藝，避免因漿液水分過多導(dǎo)致冒漿現(xiàn)象的出現(xiàn)，混凝土防滲墻的填筑可以采用黏土與水泥混合料。

4 結(jié)語

黏土固化注漿技術(shù)是一種高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的防滲加固技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣、承載力高的特點(diǎn)，采用黏土固化劑進(jìn)行防滲加固不但能顯著提高垃圾填埋場(chǎng)及其他工程項(xiàng)目的防滲性能，延長工程的使用周期，還能大幅度降低工程的造價(jià)，隨著工程應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，黏土固化注漿技術(shù)一定能夠發(fā)揮出更多更好的作用，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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（責(zé)任編輯：王 波）