干濕/凍融循環作用下改良隔離墻的滲透性及孔隙結構

劉 科， 劉 霖，2，*， 張永鵬

（1.內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學內蒙古土木工程結構與力學重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051）

隨著煤化工企業的發展，產生了大量的煤化工廢水或淤泥質廢物，它們的堆積存放需隔離處理，否則會造成周圍土體及水源污染.土-膨潤土隔離墻常被用來阻隔污染物的運移，如何提高隔離墻對污染物的阻隔性能得到廣泛關注.杜延軍等［1］通過固結試驗得到膨潤土摻量是影響土-膨潤土試樣滲透性的主要因素；Yeo 等［2］研究發現5%摻量的膨潤土可使砂-膨潤土滲透系數降低近3 個數量級；Malusis 等［3］研究了添加活性炭改性劑后砂土-膨潤土的滲透性；Angin 等［4］研究發現硅藻土可降低土壤的滲透系數，提高凍融作用下土壤團聚體的穩定性；Malusis 等［5］分析了砂土-膨潤土在干濕過程中滲透系數的變化情況；杜淵博等［6］研究發現在水泥石材料中摻入偏高嶺土，偏高嶺土發生水化反應后生成的水化產物增多，從而使水泥石材料的孔隙率降低，微觀結構更致密.

凹凸棒土具有較好的陽離子交換性、吸水性，且比表面積大，黏結性好.以凹凸棒土為改良隔離墻材料，通過滲透試驗及核磁共振試驗研究改良后隔離墻滲透系數λ的變化，分析隔離墻孔隙結構，討論摻加凹凸棒土對干濕/凍融循環作用下隔離墻防滲效果的影響，以期為有機污染場地的隔離、封閉提供理論依據與參數支持.

1 試驗

1.1 原材料

隔離墻材料為風積沙土和膨潤土.風積沙土取自庫布齊沙漠，其級配較差，粉黏粒含量少，無黏結性；膨潤土為鈣基膨潤土，其吸附性及膨脹性良好，與水、細沙拌和后有較好的可塑性和黏結性，其中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 含量（質量分數，文中涉及的含量、配合比等均為質量分數或質量比）分別為69.36%、15.53%、2.82%、1.89%.用有獨特晶體結構且性能較好的凹凸棒土作為改良隔離墻材料，其中的SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3含 量 分 別 為60.12%、8.51%、8.45%、4.65%.經處理后的煤化工廢水或淤泥質廢物中含有包括酚類、多環芳香族化合物等在內的多種污染物，用苯酚溶液代替這些污染物作為滲透液，其質量濃度ρ=0、0.5、1.0、2.0、4.0 g/L.

1.2 試驗設計

美國環境保護署EPA 規定污染場地隔離材料中水化膨潤土馬氏漏斗黏度應在36 s 以上，坍落度在100～150 mm 較為合適，因此選用配合比m（膨潤土）∶m（水）∶m（風積沙）=1∶3∶9.凹凸棒土的摻量wa以風積沙與膨潤土的總質量計，設定wa=0%、3%、5%、8%、10%，對應的隔離墻分別記為IW0、IW3、IW5、IW8、IW10.干濕循環制度為：將試樣放入（45±3）℃的烘箱中12 h，取出后在試樣上下面覆蓋透水石后，將其浸入水中，吸水3 h，此為1 個干濕循環.凍融循環制度為：將試樣放入-20 ℃的工業冰箱中，12 h 后取出放入標準養護室中養護4 h，此為1 個凍融循環.設定干濕/凍融循環次數n=0、1、2、3.

1.3 滲透試驗及核磁共振試驗

用TST?55 型土壤滲透儀進行滲透試驗，采用變水頭試驗方法，對試樣進行飽水后，在不同滲透時間t測試隔離墻的滲透系數，其測試間隔為每隔20 min 測量1 次.用MesoMR23?060H?1 低溫高壓巖土核磁共振分析與成像系統進行核磁共振試驗，將養護好的試樣取出飽水24 h，用塑料膜包緊放入核磁共振儀中進行試驗.

2 結果與分析

2.1 隔離墻滲透系數

2.1.1 凹凸棒土對隔離墻滲透系數的影響

凹凸棒土對隔離墻滲透系數的影響見圖1.由圖1 可見：無凹凸棒土摻入時，不同苯酚質量濃度下隔離墻的滲透系數無明顯變化規律，這是因為膨潤土顆粒可快速填充于土粒間，減小土樣的孔隙體積，但其擴散速率會受到各種因素的影響，例如環境因素、試驗操作方法等；隨著凹凸棒土摻量的增大，隔離墻滲透系數變化曲線由分散變為聚攏且逐漸降低，這是因為凹凸棒土的黏結性與吸附性較好，可以使隔離墻內部變得更加均勻和密實；隔離墻的滲透系數不隨苯酚質量濃度的變化而變化，這是因為膨潤土對苯酚的吸附并不改變墻體內部孔隙特點、凝膠體系的外邊緣特征及孔隙的聯通特性［7］；隨著凹凸棒土摻量的增大，隔離墻的滲透系數逐漸減小，當wa=3%時，隔離墻滲透系數降低近50%，繼續增大凹凸棒土的摻量，其滲透系數的變化幅度逐漸減小.凹凸棒土有較大的比表面積以及較好的吸附性、黏結性，可以吸附隔離墻土體內部游離的小土顆粒，使其聚集成大顆粒，降低孔隙率，從而使隔離墻滲透系數降低.凹凸棒土摻量較低時，其顆粒均勻分散于土體內部，可以很好地吸附并聚集土顆粒，改變其內部滲流路徑，隔離墻滲透系數降低幅度較大，而隨著其摻量的增大，隔離墻土體內部無游離的土顆粒，只能由凹凸棒土顆粒填充孔隙，導致其滲透系數變化減小.

圖1 凹凸棒土對隔離墻滲透系數的影響Fig.1 Influence of attapulgite on permeability coefficient of isolation walls

2.1.2 干濕循環對隔離墻滲透系數的影響

t=20 min 時，干濕循環作用下隔離墻滲透系數的變化曲線見圖2.由圖2 可見：隨著干濕循環次數的增加，隔離墻滲透系數增大，其增大幅度約為1個數量級；隨著凹凸棒土摻量的增大，隔離墻滲透系數逐漸減小.土-膨潤土隔離墻在干燥脫濕過程中，膨潤土層狀結構中水分流失，間距減小，膨潤土顆粒從膨脹變為收縮，在增濕過程中，收縮的膨潤土顆粒吸水緩慢回彈［8］，但不會恢復到原始狀態那樣密實均勻.隔離墻內部膨潤土顆粒產生干縮和濕漲變形，形成微裂隙，破壞了土顆粒間的膠結作用，增大了孔隙.隨著干濕循環次數的增加，微裂隙不斷擴展，造成固化體孔隙逐漸增大［9］，表現為隔離墻滲透系數增大，該結果與文獻［10］基本一致.但本文隔離墻的滲透系數較大，可能是膨潤土種類、摻量不同或試驗過程存在的誤差所致.凹凸棒土因獨特的晶體結構，具有膠體性質以及好的吸附性、黏結力，可以填充于土體孔隙結構中，使土體更密實，增強土體穩定性及吸附能力，故隨其摻量增大，隔離墻滲透系數降低.

圖2 干濕循環作用下隔離墻滲透系數的變化曲線Fig.2 Variation curves of permeability coefficient of isolation walls under dry?wet cycles（t=20 min）

干濕循環作用下滲透時間對隔離墻滲透系數的影響見表1.由表1 可見，在干濕循環過程中，隨著滲透時間的增加，隔離墻的滲透系數逐漸減小但變化不大（除個別數據外），這是因為隨著滲透時間的增加，膨潤土水化、膨脹過程逐漸完成并填充于土顆粒間，使隔離墻密實均勻，一定程度上減弱了干濕循環產生的破壞作用，故隔離墻的滲透系數略有減小.

表1 干濕、凍融循環作用下滲透時間對隔離墻滲透系數的影響Table 1 Influence of time on permeability coefficient of isolation walls under the action of dry-wet and freeze-thaw cycles×106/（cm·s-1）

2.1.3 凍融循環對隔離墻滲透系數的影響

凍融循環作用下隔離墻滲透系數的變化曲線見圖3.由圖3 可見：隨著凍融循環次數的增加，隔離墻滲透系數逐漸增大，其增大幅度為2 個數量級；隨著凹凸棒土摻量的增大，隔離墻滲透系數逐漸減小，且凍融循環次數越多，其降低幅度越大；凍融循環1 次時，凹凸棒摻量從0%增加到8%時，隔離墻的滲透系數趨于穩定；不同循環次數下，IW10 的滲透系數均最小.凍融循環作用下滲透時間對隔離墻滲透系數的影響也列于表1.由表1 可見：隔離墻滲透系數隨著滲透時間的增加而降低，且降低幅度為1 個數量級；對比干濕循環作用下滲透系數的變化，凍融循環作用對隔離墻滲透系數的影響及損害更大.

圖3 凍融循環作用下隔離墻滲透系數的變化曲線Fig.3 Variation curves of permeability coefficient of isolation wall under freeze?thaw cycles

由于膨潤土中蒙脫石含量較高，晶粒較小，比表面積較大，且層間作用力較弱，在溶劑中易剝離、膨脹、分離而形成更薄的單晶片，使蒙脫石具有更大的內表面積，因此膨潤土具有較高的吸附能力［11］.未摻加凹凸棒土時，隨時間增加膨潤土水化生成的膠凝物質填充了土體孔隙，降低了隔離墻的孔隙率，阻礙了污染物的通過，故其滲透系數逐漸減小.摻入凹凸棒土可以進一步填充隔離墻孔隙，使其具有更好的吸附性、陽離子交換性，從而阻礙苯酚在隔離墻中的遷移，降低其滲透系數，起到對污染物的隔離效果.凍融循環過程中產生的凍脹力對隔離墻內部結構會產生破壞作用，形成較多孔隙，損傷隔離墻的穩定性，故隨著凍融循環次數的增加，隔離墻因凍脹溫縮產生的破壞愈加嚴重，滲透系數也逐漸增大.凹凸棒土因特殊的層鏈狀結構具有較強的吸水性，可吸附墻體內部游離的水分子，降低因水分凍脹而使隔離墻產生的破壞作用，且凹凸棒土具有一定的黏結力，可增強土顆粒間的黏聚力，隨著其摻量的增加，這種作用亦在增強，可有效抑制凍融循環對隔離墻的破壞.

2.2 隔離墻孔隙分布

2.2.1 凹凸棒土摻量對隔離墻孔隙分布的影響

凹凸棒土摻量對隔離墻孔隙分布的影響見圖4，圖中d為孔隙半徑.由圖4 可見：隨著凹凸棒土摻量的增加，隔離墻孔隙分布曲線整體向左偏移，孔隙半徑減小，這說明凹凸棒土顆粒可以填充隔離墻內部孔隙，減小其孔隙半徑，使隔離墻更加致密均勻.

圖4 凹凸棒土摻量對隔離墻孔隙分布的影響Fig.4 Effects of wa on the pore size distribution of isolation walls

2.2.2 干濕循環作用下隔離墻孔隙分布

干濕循環作用下隔離墻孔隙分布見圖5.由圖5可見，隔離墻孔隙變化曲線出現了3 個峰：第1 個峰的孔隙半徑為0.010～0.100 μm，峰區面積最大；第2個峰的孔隙半徑為0.100～5.000 μm，峰區面積次之；第3 個峰的孔隙半徑為5.000～50.000 μm，峰區面積最小.有研究表明，孔隙分布曲線中3 個峰分別對應試樣中的小孔、中孔及大孔，峰區面積反映的是相應的孔隙體積［12］.干濕循環作用后，第1 個峰的峰區面積明顯減小，第2 個峰的峰區面積增大，其原因是干濕循環作用下產生的脹縮效應會破壞隔離墻的內部結構，增大其孔隙率，使部分小孔隙演變為中孔隙.隨著循環次數的增加，第1 個峰的峰區面積繼續減小，第2 個峰的峰區面積繼續增大，即隔離墻土體內部小孔數量減少，中孔數量增多，說明干濕循環作用削弱了隔離墻土顆粒間的膠結作用，破壞了隔離墻的結構完整性，使其內部形成微裂隙，增大了較大孔隙的分布.隨著凹凸棒土摻量的增大，第1 個峰的峰區面積逐漸增大，第2 個峰的峰區面積逐漸減小，第3 個峰的峰區面積有減小趨勢但變化不大，這說明凹凸棒土的摻入使隔離墻內部中孔隙減少，小孔隙增加，原因是凹凸棒土吸水性強，可減弱隔離墻因脹縮效應所產生的破壞，且凹凸棒土有黏性和可塑性，可吸附土顆粒，減小孔隙，改變土體內部滲流通道，干燥后收縮小，對干濕循環產生的破壞有所抑制.

圖5 干濕循環作用下隔離墻孔隙分布Fig.5 Pore size distribution of isolation wall under dry?wet cycles

2.2.3 凍融循環作用下隔離墻孔隙分布

凍融循環作用下隔離墻孔隙分布見圖6.由圖6可見：首次凍融過程中，有2個明顯的主峰區；凍融循環2次時，2 個主峰區孔隙半徑分布均減小；凍融循環3 次時，第1個峰峰值降低，第2個峰峰值升高.這可能是因為凍融循環開始時，膨潤土水化產生膠結物填充于土體孔隙中，增加了土體的密實度，且土體中的大團聚體由于凍脹力遭到破壞，形成較多的小團聚體，也使大孔隙數減少；隨著凍融循環次數的增加，凍脹溫縮對土體的破壞愈加嚴重，使小孔隙發展為中孔隙，出現小孔隙減少、中孔隙增多的現象.由圖6 還可見，隨著凹凸棒土摻量的增大，第1 個峰的峰區面積增大，第2 個峰的峰區面積減小，即小孔隙數量增加，中孔隙數量減少，大孔隙數量基本不變，但孔隙半徑略微變小，這表明凹凸棒土可有效降低凍融循環過程中隔離墻內出現的微裂隙，有利于增強土-膨潤土隔離墻對污染液的阻隔效果.

圖6 凍融循環作用下隔離墻孔隙分布Fig.6 Pore size distribution of isolation wall under freeze?thaw cycles

2.2.4 干濕/凍融循環作用下隔離墻孔隙結構變化對比

比較圖5、6 可見：未進行干濕/凍融循環時，隔離墻內部孔隙結構較單一，孔徑為0.001～0.100 μm；3次干濕循環后，小孔隙數量減少，部分轉化為中孔隙；凍融循環后，孔隙結構變化與干濕循環基本一致，但第2 個峰的峰區面積較大，這表明凍融循環作用下隔離墻內中孔隙分布更廣，結構破壞較干濕循環更為嚴重，內部流通性更好，防滲及阻隔效果較差，這與上述凍融循環作用對隔離墻滲透系數的影響及損害較大的結論一致.

3 結論

（1）凹凸棒土的摻入可使隔離墻滲透系數大幅降低，隨著其摻量的增大，隔離墻滲透系數的降低趨勢逐漸減緩；隔離墻滲透系數隨干濕/凍融循環次數增加而增大，不隨苯酚質量濃度變化而變化.

（2）未進行凍融/干濕循環時，隨著凹凸棒土摻量的增大，隔離墻內部孔隙半徑減小，且有極少的大孔隙；隨著干濕、凍融循環次數的增加，隔離墻內部結構破壞加劇，小孔隙分布減少，中孔隙增加.

（3）凹凸棒土顆粒具有較好的吸附性與黏結性，可填充土體孔隙，增大其摻量可降低隔離墻的孔隙率，減輕干濕、凍融循環作用對隔離墻的破壞作用，使隔離墻滲透系數減小.

（4）凍融循環作用對隔離墻滲透系數及孔隙結構的影響大于干濕循環作用.