滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土的膨脹與滲透特性

阮坤林,孫德安,傅賢雷

(上海大學土木工程系,上海200444)

膨潤土是一種主要由蒙脫石礦物組成的黏土,具有低滲透性,較強的吸附性、膨脹性、可塑性、結合力和陽離子交換能力[1],常被用在垃圾填埋場的襯墊、豎向隔離墻中以及計劃用作核廢料深地質處置的緩沖材料.垃圾填埋場中會產生大量滲濾液,為了防止滲濾液流出,垃圾填埋場底部常設黏土-膨潤土防滲材料[2-4],但在天然黏土缺乏地區,可采用膨潤土摻砂混合土代替[5].垃圾填埋場內部溫度較高,防滲材料容易產生裂隙,導致滲濾液的滲漏.加入一定比例的砂能夠較好地提高膨潤土的熱傳導性而不顯著降低膨潤土的抗滲能力.

Granthama等[6]在垃圾填埋場中使用膨潤土與砂襯墊層進行了現場試驗,結果表明膨潤土摻砂混合土的滲透性滿足要求;Chapuis[7]利用室內試驗預測了膨潤土摻砂混合土作為襯墊層的滲透性能,證明其滲透性能滿足要求;Demdoum等[8]研究了分別利用水和滲濾液作為液相介質時,膨潤土、鈣質砂以及凝灰巖混合物的滲透特性.在實際工程中,膨潤土摻砂混合土與滲濾液有直接接觸.因此,在膨潤土及其摻砂混合土滲透性的研究中,如果使用真實滲濾液作為飽和液體就更加準確.

Sari等[9]分別利用水和配制的模擬滲濾液飽和了膨潤土防水毯(geosynthetic clay liner,GCL),研究2種液體飽和膨潤土防水毯的膨脹變形和膨脹力;ren等[10]研究了滲濾液飽和下壓實膨潤土的膨脹特性;Kolstad等[11]利用多物種無機溶液,對膨潤土防水毯進行飽和,研究其膨脹及滲透性能;蔣江紅等[12]采用純水作為飽和液體,研究了溫度對膨潤土膨脹性能的影響.在垃圾填埋場中,液體飽和混合土膨脹后,能夠有效堵塞空隙,并且能夠愈合墊層之間可能產生的裂縫.當滲濾液作為飽和液體時,有關溫度對膨潤土摻砂混合土膨脹性能的研究還很少,并且溫度對膨脹性能的影響較大,因此有必要開展此研究.

本工作以垃圾填埋場中膨潤土作為襯墊材料使用為背景,分別使用滲濾液和純水作為飽和液體,比較2種液體飽和混合土的力學性能.現場監測數據表明,城市生活垃圾填埋場中襯墊溫度能達到30～40?C[13].因此,本工作首先在32?C下用純水和滲濾液飽和混合土,在豎向壓力為50 kPa的條件下,進行有荷膨脹試驗,然后利用固結試驗測定滲透系數.同時,為研究溫度對滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土的影響,分別在10?C和20?C的條件下,進行了相同試驗.利用變水頭試驗,在32?C下用滲濾液作為飽和液體測試滲透系數,對比2種方法測量的滲透系數.

1 試驗材料

本工作所用膨潤土取自新疆奇臺縣,為鈉基膨潤土;所用砂為福建標準砂,考慮到膨脹試樣的厚度只有10 mm,剔除粒徑大于0.5 mm的顆粒,故試驗用的是細砂.膨潤土和篩選后標準砂的物理指標如表1所示.本工作飽和滲透試驗用的液體為滲濾液和純水2種.滲濾液為無錫桃花山垃圾填埋場廠區現場取來的滲濾液原液,滲濾液水質指標如表2所示.經檢驗,各項指標在國家質量濃度統計范圍內,符合選用標準.為防止滲濾液成分變化對實驗結果的影響,滲濾液在試驗使用之前已長時間靜置,以保證其成分在試驗期間保持穩定.而純水采用不含有陽離子和有機物的去離子水.

表1 膨潤土和砂的基本物理指標Table 1 Basic physical property of bentonite and sand

表2 試驗用滲濾液成分及其質量濃度Table 2 Ingredient of leachate and its concentrations

2 試樣制備

將膨潤土和砂放在105?C烘箱中,烘24 h后配樣.本工作參考了芮巍等[14]的研究,分別選取摻砂率為0%、30%和50%,摻砂率定義為砂土干質量與土樣總干質量之比.試樣目標干密度為1.6 g/cm3,目標含水率為18%,厚度為10.0 mm,直徑為61.8 mm.

3 試驗方法

3.1 有荷膨脹

將壓制好的非飽和試樣置于固結儀上,施加1.0 kPa的豎向預壓力,讀取豎向位移表的數值,作為初始讀數;分級加載至豎向壓力50 kPa,在非飽和狀態下固結穩定后,向固結儀容器內分別注入純水和滲濾液.為嚴格控制試驗過程中的溫度,試驗在恒溫恒濕試驗箱中進行.

3.2 變水頭試驗

配制同樣目標含水率和干密度的不同摻砂率混合土,壓實制樣,在豎向壓力為100、200和400 kPa的作用下,用滲濾液作為滲透液相介質進行變水頭試驗,測定其滲透系數.水管旁安置參考水管,作扣除蒸發量用.

3.3 固結試驗測定滲透系數

膨潤土的滲透系數很低,如果用常規滲透試驗測量,試驗時間就較長.本工作主要使用固結試驗測定滲透系數,已有學者使用該方法測量膨潤土及其混合物的滲透系數.Mishra等[15]利用該方法對各種膨潤土和黏土-膨潤土混合物的滲透系數進行了測量;Yamada等[16]利用該方法對名古屋黏土與砂或膨潤土混合料的滲透性進行了研究.根據太沙基的1維固結理論,土的滲透系數為

式中:k為滲透系數(m/s);cv為固結系數(m2/s);mv為體積壓縮系數(m2/kN);γω為水的重度(kN/m3).

4 有荷膨脹變形與膨脹力

4.1 有荷膨脹試驗變形

4.1.1 飽和液體的影響

膨潤土摻砂混合土的膨脹性能對其在垃圾填埋場中的應用至關重要,膨脹性能決定了混合土出現裂縫時的自愈能力.采用膨脹率εs來評價膨脹性能:

式中:h0為制樣時試樣的高度;Δh為側限條件下膨脹時試樣高度與初始試樣高度之差.

圖1顯示在豎向壓力50 kPa作用下32?C時純水和滲濾液飽和混合土的膨脹率隨開始浸液體后的時間變化情況.從圖中可以看到,在相同摻砂率條件下滲濾液飽和的膨脹變形小;在膨脹試驗初期,滲濾液飽和混合土時的膨脹速率比純水飽和的大.

最終膨脹率隨摻砂率變化關系如圖2所示.由圖可知,滲濾液作為飽和液體時膨潤土摻砂混合土的最終膨脹率,比純水作為飽和液體時要小得多.當摻砂率為30%時,純水飽和時的最終膨脹率約是滲濾液飽和的2倍.

圖2 最終膨脹率隨摻砂率變化Fig.2 Changes in final swelling rate changing with sand mixing rate

首先,在蒙脫石礦物中,一個較低價的正離子代替另一個較高價的正離子,造成正電荷不足,即負電荷過剩,過剩的負電荷由吸附在晶層表面的陽離子來補償[17].溶液中的陽離子被吸附在黏土顆粒附近,由于靜電吸引力的差異,黏土顆粒周圍的陽離子分布不均勻.越接近黏土顆粒表面,靜電吸引力越強,陽離子質量濃度越大.滲濾液中含有大量的胺鹽,而胺鹽中含有大量的有機陽離子.黏土對有機陽離子有強烈的偏好[17].

圖3為黏土表面胺鹽吸附作用示意圖.圖中有機陽離子代替原來存在于黏土表面上的陽離子吸附在黏土表面,直到所有交換位置都被胺鹽占據,胺基牢牢地吸附水分子,此時黏土表面為碳氫鍵所覆蓋,水化作用變弱,膨脹性也隨之變弱.

圖3 黏土表面胺鹽吸附作用Fig.3 Adhesion of amine salt on clay surface

其次,膨潤土有極強的陽離子交換性,能和溶液中的陽離子發生置換反應.滲濾液中含有大量的Ca2+、Mg2+等金屬離子,當這些金屬離子的質量濃度達到一定程度時,鈉基膨潤土中N+a會與其發生置換反應.根據Bradshaw等[18]的研究,當用滲濾液飽和鈉基膨潤土時,超過80%的N+a會被Ca2+等陽離子給置換出來.這些置換反應導致了雙層結構的坍塌,蒙脫石礦物水化能力降低,進而導致膨潤土顆粒可以彼此靠近形成絮體,而絮體的增加使得膨脹能力減少.

同時,由圖2可以發現,用滲濾液和純水飽和混合土時的最終膨脹率以及二者的差,均隨摻砂量增大而減少,這與孫文靜等[19]研究得到的結果一致.混合土膨脹主要是由于膨潤土膨脹,摻砂量增大,使得膨潤土含量減少,飽和液體對混合土膨脹性的影響也隨之減小.

4.1.2 溫度的影響

在10?C和20?C時,用滲濾液飽和不同摻砂率混合土的膨脹變形隨時間變化的情況如圖4所示.聯合圖1(b)和圖4可以發現,在相同摻砂率條件下,溫度越高混合土的膨脹率越低,這與Villar等[20]和談云志等[21]的研究結果相同.

圖4 10?C和20?C時滲濾液飽和混合土的膨脹率隨時間變化Fig.4 Changes in swelling of mixtures saturated by leachate with time at 10?C and 20?C

溫度是影響膨潤土摻砂混合土膨脹的重要因素,在不同溫度下膨潤土摻砂混合土在滲濾液中飽和時的最終膨脹率隨摻砂率變化情況如圖5所示.圖中,隨著溫度降低混合土的最終膨脹率增大,這是因為溫度升高使得吸附于土顆粒上的結合水轉化為自由水.根據Villar等[20]的研究,膨潤土的膨脹性能主要由層間結合水引起,層間結合水的減少使得混合土膨脹變形減小;另外,根據何俊等[22]的研究,溫度升高使得在滲濾液作用下吸附結合水膜厚度顯著變薄.水膜厚度減小也是導致膨脹變形變小的一個重要原因.

圖5 不同溫度下滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土最終膨脹率隨摻砂率變化Fig.5 Changes in final swelling rate of mixtures with sand mixing rate saturated by leachate at different temperatures

4.2 膨脹力

膨脹力的測定主要有4種方法,分別為恒體積法、預膨脹法、零膨脹法和膨脹-壓縮法[23].本工作采用膨脹-壓縮法測定膨潤土摻砂混合土的膨脹力,即根據膨脹前試樣的初始孔隙比,在壓縮曲線時找到對應孔隙比的荷載,此荷載即為膨脹力.

4.2.1 不同液體飽和時的膨脹力

圖6顯示了用純水和滲濾液飽和混合土的膨脹力隨摻砂率變化情況.由圖可知,低摻砂率時滲濾液飽和混合土的膨脹力比用水飽和的小;隨著摻砂率的增大,2種不同液體飽和混合土時膨脹力的差距減少;當摻砂率為50%時2種液體飽和混合土的膨脹力幾乎相等.混合土的膨脹主要是由膨潤土的膨脹引起.當摻砂率較低時,混合土中膨潤土比較多,純水飽和混合土最終膨脹率比滲濾液飽和的大,膨脹完成時的孔隙比也就更大,壓縮到初始孔隙比的應力(即膨脹力)就更大.之后隨著摻砂率的增大,2種液體飽和混合土的膨脹完成時的最終膨脹率差距不大,壓縮到初始孔隙比的應力也就差不多.

圖6 膨脹力隨摻砂率變化(32?C)Fig.6 Changes in swelling pressure changing with sand mixing rate(32?C)

4.2.2 不同溫度下的膨脹力

圖7顯示了不同溫度下滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土時的膨脹力隨摻砂率的變化情況.圖中,混合土的膨脹力隨著溫度的升高而降低,這是由于隨溫度降低,混合土的最終膨脹率變大,最終孔隙比增大.當孔隙比較大時,壓縮到初始孔隙比的應力(即膨脹力)也就增大.

圖7 不同溫度下滲濾液飽和不同摻砂率混合土的膨脹力隨摻砂率變化Fig.7 Changes in swelling pressure of bentonite and sand mixtures with sand mixing rate saturated by leachate at different temperatures

5 滲透系數

防滲襯墊系統除了需具有一定的強度和耐久性外,低滲透性是最重要的條件.用常規常水頭和變水頭試驗方法測量膨潤土的滲透系數時間很長,因此本工作除使用變水頭試驗方法進行測量外,主要使用固結試驗測定滲透系數.通常,城市生活垃圾填埋場中襯墊溫度在30～40?C,故選擇在32?C條件下對2種液體的滲透系數進行試驗研究;隨后,研究溫度對滲濾液飽和混合土滲透性能的影響;最后,在32?C條件下使用滲濾液作為飽和介質進行變水頭試驗,測量并比較2種方法測量得到的滲透系數.

5.1 滲透液體對滲透系數的影響

圖8顯示不同摻砂率混合土的2種液體滲透系數隨孔隙比的變化情況.圖中,純水和滲濾液分別用作滲透液體時,混合土的滲透系數都隨著孔隙比的減少而減小,相近孔隙比下用水飽和混合土的滲透系數比用滲濾液飽和的滲透系數大一些.何俊等[22]利用配制的模擬滲濾液進行試驗研究,發現在相同圍壓和溫度條件下,模擬滲濾液飽和的混合土滲透系數比純水飽和的更大.本工作使用真實滲濾液進行滲透實驗,發現在相同孔隙比條件下純水飽和混合土的滲透系數比滲濾液飽和的滲透系數要大,此試驗結論與Demdoum等[8]、ren等[10]的研究結果相同.根據Rauen等[24]研究的不同滲濾液種類飽和液體,與純水作為飽和液體相比,滲透系數大小關系也有一定的差異.

圖8 不同摻砂率混合土的滲透系數隨孔隙比變化Fig.8 Changes in hydraulic conductivity of mixtures with different sand mixing rates with void ratio

膨潤土顆粒對有機鹽有較強的吸附作用,有機鹽大部分是有機懸浮物.滲透過程中有機懸浮物附著在土顆粒表面,有的甚至堵塞了土顆粒之間的孔隙,使膨潤土摻砂混合土的滲透系數變小.同時,呈膠體狀的細小顆粒和微生物吸附著水分子,也使滲透性減小[25].

5.2 溫度對滲透系數的影響

圖9顯示了在不同豎向壓力下混合土的滲濾液滲透系數隨摻砂率和溫度的變化情況,圖中豎向壓力取加載前后壓力平均值.由圖9可知,對于相同摻砂率的混合土,滲濾液滲透系數隨溫度的升高而增大;隨著摻砂率增大,溫度對混合物的滲透系數增大;當溫度從10?C增加到32?C時,滲透系數在同一個數量級內變化,增大到了2～6倍.因為溫度升高使得土中結合水膜變薄、自由水量增多,所以滲透系數增大.

圖9 不同溫度下滲濾液滲透系數隨摻砂率變化Fig.9 Changes in hydraulic conductivity of mixtures with sand mixing rates using leachate at different temperatures

5.3 不同測定滲透系數的方法比較

圖10為分別利用固結試驗和變水頭試驗測得的滲濾液作為飽和液體時混合土滲透系數與孔隙比的關系.圖中,在相同孔隙比條件下固結試驗測得的滲透系數稍小于變水頭試驗測得的滲透系數,這與Shirazi等[26]的研究結果一致.正如Mesri等[27]所指出的,由于土骨架本身變形需要一定時間,而固結試驗時土骨架會產生變形,故用固結試驗測定的滲透系數比變水頭試驗法(土骨架不產生變形)測得的小.

通常,垃圾填埋場墊層滲透系數應小于1.0×10?7cm/s[28].根據本研究結果,在不同液體、溫度以及試驗方法的條件下,膨潤土摻砂混合土的滲透系數均小于此值,說明其滿足相關抗滲要求,是一種較好的垃圾填埋場襯墊材料.

6 結論

本工作通過一系列的膨脹試驗、固結試驗和變水頭試驗,研究了不同溫度下膨潤土摻砂混合土分別在純水和滲濾液飽和下的膨脹和滲透特性,為膨潤土摻砂混合土在實際工程中的應用提供了參考數據.

圖10 2種方法測定滲濾液滲透系數的比較Fig.10 Comparisons of two methods for determining the hydraulic conductivity using leachate

(1)滲濾液對膨潤土摻砂混合土的膨脹變形有較大的影響,相比于純水作為飽和液體,滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土時,膨脹變形小得多,這是因為膨潤土負電荷過剩對有機胺鹽有吸附作用.另外,陽離子置換會損壞雙層結構.

(2)當摻砂率較低時,滲濾液飽和混合土的膨脹力比純水飽和的小,當摻砂率為50%時用滲濾液與純水飽和時混合土的膨脹力幾乎相同.溫度升高,混合土膨脹變形、膨脹力減小,這是由于層間結合水減少以及吸附結合水膜厚度顯著變薄.

(3)相近孔隙比下用水飽和混合土的滲透系數比用滲濾液飽和的稍大,主要是因為有機懸浮物附著,使得滲透通道變小、堵塞.滲透系數隨溫度的升高而增大.

(4)相同孔隙比條件下,固結試驗測得的滲透系數略小于變水頭試驗測得的滲透系數,這主要是因為在固結試驗時土骨架會產生變形,而由于土骨架本身變形需要一定時間,故在變水頭試驗時土骨架不產生變形.