膨潤土?紅黏土混合土對NaCl溶液的滲透試驗研究

陳永貴，雷宏楠，賀勇，葉為民

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膨潤土?紅黏土混合土對NaCl溶液的滲透試驗研究

陳永貴，雷宏楠，賀勇，葉為民

(同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海，200092)

針對不同質量配比的膨潤土?紅黏土混合土壓實樣，開展不同濃度的NaCl溶液滲透試驗；基于擴散雙電層理論和土顆粒微觀結構，分析溶液濃度對不同質量配比混合土滲透系數的影響機理；根據試驗結果，建立混合土滲透系數與膨潤土摻量(質量分數)的函數關系式。研究結果表明：混合土的滲透系數隨著膨潤土摻量的增加而降低，膨潤土的加入明顯提高了混合土的防滲和化學阻滯能力；隨著溶液濃度提高，紅黏土的絮凝程度增加，滲透系數降低；摻入質量分數為20%的膨潤土后，隨著溶液濃度提高，混合土擴散雙電層被壓縮，滲透系數相應 增大。

壓實黏土襯墊；紅黏土；膨潤土；鹽溶液；滲透系數

在填埋場建設中，為減緩生活垃圾降解產生的滲濾液向周圍土壤擴散，污染地下水土資源，通常在填埋場底部及其四周鋪設黏土襯墊系統，防止土壤和地下水受到污染[1]。CJJ 176—2012“生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范”[2]要求，襯墊系統的滲透系數不能大于1.0×10?7 cm/s。工程實踐表明，黏性土是良好的襯墊材料，國內外眾多研究者也對此進行了廣泛研究[3?4]。然而，很多地區建設垃圾填埋場都面臨著難以尋找到滿足規范要求、合適的襯墊材料的問題。例如，我國長江以南的熱帶和亞熱帶地區廣泛分布著紅黏土[5]。一方面，紅黏土具有較好的力學性能，作為襯墊材料應用于填埋場時具有沉降量小、無開裂、整體性能好等優點[6]；但另一方面，紅黏土中豎向裂隙發育，防滲性能難以滿足阻滯滲濾液的要求。為此，有研究者探討在紅黏土中摻入具有高吸水膨脹性、低滲透性以及強吸附性的膨潤土[7]，以改善紅黏土原有的防滲性能，提高化學阻滯能力，最終形成一種膨潤土?紅黏土復合襯墊系統。國內外有許多研究者對膨潤土?天然黏土混合材料進行了相關研究，主要是測定不同膨潤土摻入量條件下混合土的力學特性、滲透特性及其對污染物的阻滯性能，結果均表明混合土的工程性質與膨潤土摻入量密切相關。MORANDINI 等[8?9]發現，隨著膨潤土的加入，混合土陽離子交換能力增強，滲透系數明顯降低，塑性增加，提高了其作為填埋場襯墊系統的工程屏障性能。杜延軍等[10?12]將膨潤土摻入天然黏土和黃土中進行試驗，研究混合材料的壓縮固結特性、滲透特性及污染物阻滯規律。然而，隨著填埋場中生活垃圾不斷降解，滲濾液中污染物成分逐漸增多，使得黏土襯墊系統長期遭受化學入侵作用。滲濾液中污染物濃度增大，使得黏土特別是膨潤土的微觀結構發生變化，從而導致其滲透性能不斷變化[13]。因此，針對不同質量配比的膨潤土?紅黏土混合材料，開展不同濃度條件下的化學溶液滲透試驗，對研究膨潤土?紅黏土的化學阻滯性能具有重要意義。本文作者通過制備不同質量配比的膨潤土?紅黏土壓實土樣，開展不同濃度鹽溶液的滲透試驗，測定混合土試樣的飽和滲透系數，分析膨潤土摻入量、溶液濃度對滲透系數的影響規律，以期為紅黏土地區填埋場襯墊材料的選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣包括紅黏土和膨潤土。紅黏土取自湖南郴州，天然風干后，研磨粉碎過0.5 mm篩。參照JTGE40—2007“公路土工試驗規程”[14]測試紅黏土物理力學性質指標，主要結果如表1所示。采用Bruker公司生產的D8 FOCUS X射線衍射(XRD)儀分析紅黏土的礦物成分，結果如圖1所示。由表1和 圖1可知：高嶺石、石英是紅黏土的主要礦物成分，此外還含有一定量的蒙脫石礦物。

試驗所用膨潤土取自內蒙古高廟子。經球磨篩分，樣品粒徑低于0.2 mm，為灰白色粉末，其基本物理力學性質如表2所示。

1.2 試樣準備

分別測定風干后的紅黏土與膨潤土的含水率，根據膨潤土干土質量占混合土干土總質量的百分比分別制備膨潤土摻量(質量分數)為0，2%，5%，10%和20%的混合土。根據壓實目標干密度，稱取相應質量的混合土倒入試樣環，采用DDL?200型數控萬能壓力機試驗機，垂直加載速率為0.2 mm/min，均勻壓實土樣至目標高度。為防止試樣回彈，保持恒定體積靜置 30 min，壓實后試樣干密度為(1.50±0.01) g/cm3。

表1 紅黏土的基本物理力學性質

圖1 紅黏土XRD圖譜

表2 膨潤土的基本物理力學性質

1.3 儀器與方法

滲透試驗示意圖如圖2所示。采用等水頭法進行飽和滲透試驗。為防止摻入膨潤土后試樣吸水膨脹，壓實土樣置入不銹鋼試樣環中，上、下兩端均墊有濾紙和透水石；下部進水口與常水頭容器連接，上部出水口與量筒連接，測量一定時間內滲透溶液體積，根據達西定律計算其滲透系數：

式中：k為滲透系數(cm/s)；q為滲透流量(m3/s)；I為水頭梯度；F為試樣橫截面積(cm2)；Δh為水頭差(cm)；t為時間(s)；V為t時間內流經試樣的溶液體積(cm3)；L為試樣高度(cm)。

為考察鹽溶液濃度對混合土滲透性能的影響，分別選用0.1和1.0 mol/L的NaCl溶液以及去離子水作為滲濾液，對不同膨潤土摻入量的混合土樣開展滲透試驗，具體試驗方案如表3所示。試驗開始時，先用去離子水飽和壓實土樣并測定滲透系數；然后通入不同濃度的NaCl溶液，測定相應的滲透系數；當在同一濃度鹽溶液下土樣的滲透系數不變時，認為滲透達到穩定，結束試驗。

表3 滲透試驗方案

2 結果與討論

2.1 膨潤土摻量對土樣滲透性能的影響

膨潤土摻量對混合土試樣滲透系數的影響如圖3所示。由圖3可知：試樣的滲透系數隨著膨潤土摻量的增加而逐漸降低；未摻入膨潤土時，壓實紅黏土的滲透系數為2.76×10?7 cm/s；摻入質量分數為5%的膨潤土后，混合土試樣的滲透系數為1.50×10?7 cm/s；繼續增加膨潤土摻量至20%，混合土試樣的滲透系數降低到1.81×10?8 cm/s。由此可見，膨潤土摻量對混合土滲透性能的影響十分顯著[8]。根據CJJ 176—2012“生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范”[2]中對填埋場底部襯墊系統防滲性能的規定可知，當膨潤土摻量達到10%時，壓實混合土的防滲性能可滿足規范 要求。

圖3 膨脹潤土摻量對混合土滲透系數的影響

對圖3中的試驗結果進行擬合，可得到混合土滲透系數與膨潤土摻量的函數關系：

式中：為混合土中的膨潤土摻量(%)；h-為混合土滲透系數(cm/s)。

2.2 膨潤土摻量對鹽溶液滲濾下土樣滲透性能的 影響

圖4所示分別為紅黏土和膨潤土摻量為20%的混合土在去離子水和2種不同濃度的NaCl溶液作用下滲透系數的變化情況。由圖2可知：隨著膨潤土的加入，3種不同濃度溶液的滲透系數均明顯降低；經去離子水飽和的紅黏土通入鹽溶液后滲透系數增大，而混合土的滲透系數基本不變。這是因為膨潤土具有高吸水、高膨脹的特性，隨著膨潤土加入，土樣經飽和后膨潤土吸水膨脹，降低了土中有效孔隙，從而減小了土樣滲透系數。同時，膨潤土具有較低的滲透特性和較高的化學吸附特性，是良好的化學屏障，因此，在不同濃度溶液作用下，混合土滲透系數變化較小。由此可見，膨潤土的加入明顯提高了材料的防滲性能和化學阻滯能力。

圖4 膨潤土摻量對不同鹽溶液滲濾下土樣滲透系數的影響

2.3 鹽溶液濃度對土樣滲透性能影響

針對壓實紅黏土以及膨潤土摻量為20%的壓實混合土，分別開展NaCl濃度為0.1 mol/L和1.0 mol/L的2種鹽溶液滲透試驗。

圖5所示為紅黏土滲透系數r隨時間的變化。從圖5可以看出：在去離子水初始滲透階段，紅黏土滲透系數基本不變；當不同濃度鹽溶液滲透時，紅黏土的滲透系數隨滲透時間逐漸增大，最后達到某一穩定值，并且高濃度(1.0 mol/L)溶液的滲透系數小于低濃度(0.1 mol/L)溶液的滲透系數；其中，在高濃度鹽溶液初始滲透階段，紅黏土滲透系數先下降后上升。由此可見，滲透溶液的化學性對壓實紅黏土滲透性能具有較大影響。

NaCl/(mol?L?1)：1—0.1；2—1.0。

黏性土的滲透性能隨溶液濃度的變化主要受擴散雙電層厚度及微觀結構的影響，其中擴散雙電層厚度對蒙脫石類黏土滲透性能起主要控制作用，而微觀結構對高嶺石類黏土滲透性能起主要控制作用[16]。一方面，隨著溶液濃度增加，土顆粒擴散雙電層被壓縮，顆粒間孔隙越大，最終表現為滲透性增大；另一方面，對于高嶺石類黏土，當孔隙溶液pH大于高嶺土顆粒邊緣等電點(4.0~7.2之間[15])時，高嶺土顆粒邊緣帶負電，顆粒間呈相互排斥的分散結構。隨著溶液濃度升高，離子的增加會削弱這種排斥作用，使土顆粒間形成“邊?面”、“邊?邊”或“面?面”的絮凝結構，如圖6所示。此時，液限隨之升高。當孔隙溶液pH小于邊緣等電點時，規律相反[16?17]。根據黏性土滲透系數經驗公式[18]可知：隨著液限升高，土的有效孔隙率降低，進而滲透系數降低。綜上所述，對于高嶺土，在孔隙溶液pH大于邊緣等電點的環境中，隨著溶液濃度升高，滲透系數降低。

圖6 不同類型土顆粒結構示意圖[15]

由于試驗用紅黏土土樣中富含高嶺石等礦物，含有一定量蒙脫石，故土樣性質與高嶺石類土和蒙脫石類土相關。根據擴散雙電層理論和土顆粒微觀結構理論，對試驗現象分析可知：通入1.0 mol/L NaCl溶液后，土的滲透系數先減小后增大，說明土樣孔隙中鹽溶液入滲，促使土顆粒形成邊?面結合的絮凝結構，宏觀表現為土樣滲透系數降低；而隨著土樣孔隙溶液濃度升高，壓縮土顆粒雙電層，使滲透系數回升，直至穩定。通入0.1 mol/L NaCl溶液的土樣則主要受擴散雙電層影響，擴散雙電層厚度被壓縮，有效孔隙率增大，滲透系數增大。在入滲過程中，總體上高濃度土樣的滲透系數低于低濃度土樣的滲透系數，說明紅黏土主要受土顆粒間范德華力影響，形成絮凝結構，而受擴散雙電層的影響則相對較小。因此，低濃度溶液主要影響紅黏土的擴散雙電層厚度，而高濃度溶液不僅影響土樣擴散雙電層厚度，而且影響黏土的微觀 結構。

圖7所示為混合土滲透系數隨時間的變化。對比圖5和圖7可知：與鹽溶液在紅黏土中滲透規律相反，2種濃度鹽溶液在混合土中滲透時滲透系數均有所上升，直至滲流穩定，并且高濃度溶液的滲透系數略高于低濃度的溶液滲透系數。這是因為摻入膨潤土后，混合土中蒙脫石質量分數明顯增大，滲透過程受擴散雙電層的影響更加明顯；當入滲溶液濃度升高時，擴散雙電層被壓縮，土中有效孔隙率增加，導致滲透系數增大。

NaCl/(mol?L?1)：1—0.1；2—1.0。

綜合以上分析可知：溶液濃度對2種試樣滲透性能的影響機理有所不同。紅黏土中高嶺石含量豐富，與高嶺石類黏土的物理力學及工程特性相似，孔隙溶液的離子強度對土顆粒微觀結構具有控制作用，因而隨著溶液濃度的提高，土顆粒形成絮凝結構的程度加深，導致滲透系數降低。而在摻入質量分數為20%膨潤土的混合土中，蒙脫石質量分數顯著增加，混合土的工程性質受蒙脫石類黏土影響較大，孔隙溶液的離子強度對擴散雙電層厚度影響明顯，因而，隨著溶液濃度提高，擴散雙電層厚度被壓縮，導致滲透系數 增大。

3 結論

1) 混合土的滲透系數隨著膨潤土摻量的增加而降低，且二者具有指數函數關系。膨潤土的加入明顯提高了混合土的防滲和化學阻滯能力。

2) 化學溶液對土樣滲透系數的影響與土中礦物成分有關。紅黏土中高嶺石礦物質量分數較高，滲透性能主要受土顆粒微觀結構的影響，隨著溶液濃度提高，土的絮凝程度增加，滲透系數降低。摻入20%膨潤土的混合土中蒙脫石礦物質量分數較高，其滲透性能主要受擴散雙電層厚度的影響，隨著溶液濃度提高，擴散雙電層被壓縮，土樣滲透系數增大。

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(編輯 伍錦花)

Experimental study of permeability of bentonite-laterite mixtures for salt solutions

CHEN Yonggui, LEI Hongnan, HE Yong, YE Weimin

(Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The bentonite-laterite mixtures with different mass ratios of bentonite were compacted, and then permeability of the mixtures was tested for NaCl solutions with different concentrations. Based on theory of the diffuse double layer and micro-structure characteristics of soil particles, effect mechanism of salt solutions on permeability coefficient of the mixtures was analyzed. Furthermore, an empirical equation between saturated permeability and bentonite content (mass fraction) was established according to the tested results. The results show that saturated permeability of bentonite-laterite decreases with the increase of bentonite content, and thus retarding ability improves significantly. The infiltration of NaCl solution induces more flocculation, which decreases the permeability of laterite soil. For mixtures with 20% (mass fraction) bentonite, the permeability coefficient increases with the increase of salt concentration due to the compression of diffuse double layers.

compacted clay liner; laterite; bentonite; salt solution; hydraulic conductivity

P64

A

1672?7207(2018)04?0910?06

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.019

2017?04?24；

2017?06?25

國家自然科學基金資助項目(41772279)(Project(41772279) supported by the National Natural Science Foundation of China)

陳永貴，博士(后)，教授，博士生導師，從事環境地質工程及非飽和土力學研究；E-mail：cyg@tongji.edu.cn