燃煤產物滲濾液作用下改性膨潤土的滲透特性研究

摘要：針對天然鈣基膨潤土防滲性能弱、在鹽溶液中防滲性能會急劇劣化的難題，自主研發了一種聚合物改性鈣基膨潤土。通過滲透試驗、自由膨脹指數試驗，探究該聚合物改性鈣基膨潤土在不同離子強度和單價/多價陽離子相對豐度的煤燃燒產物滲濾液作用下的防滲性能，并通過土中結合陽離子濃度變化、XRD測試、SEM測試，研究聚合物改性鈣基膨潤土的改性機理。結果表明：所提出的聚合物改性鈣基膨潤土的滲透系數在不同煤燃燒產物滲濾液作用下始終維持在10^-11 m/s數量級，表明改性后膨潤土的防滲性能顯著提升；聚合物改性鈣基膨潤土在煤燃燒產物滲濾液中仍能維持低滲透性，主要依賴于聚合物的高溶脹性能，而不依賴于膨潤土自身的溶脹性能；聚合物改性鈣基膨潤土中聚合物形成的水凝膠填充了膨潤土顆粒間的縫隙，使其結構更加致密，水流通道更加狹窄曲折，導致滲透系數更低。

關 鍵 詞：聚合物； 膨潤土； 滲透性； 燃煤產物； 滲濾液

中圖法分類號： TU443

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.02.026

0 引 言

自工業革命以來，煤炭一直是全球主要的能源來源之一^［1］。盡管近年來新能源技術發展迅速，但世界對煤炭和化石燃料的需求仍處于不斷增加階段^［2］。然而，煤燃燒廢棄物（CCP）滲濾液中含有多種有害物質，如重金屬離子、揮發性有機物和硫酸鹽等，這些有害物質的排放不僅對環境造成了嚴重的污染，而且危害人類健康^［3-4］。因此，有效處理和控制煤燃燒廢棄物，阻止其滲濾液向周圍環境排放非常重要。

當前處理煤燃燒產物的主要方式是填埋^［5］。天然膨潤土因富含蒙脫石和伊利石等黏土礦物，具有親水性和低滲透性^［6］，常被用作填埋場的防污屏障^［7］。然而天然膨潤土在鹽、酸/堿溶液中的滲透系數會急劇增大、服役壽命大大縮短^［8］。煤燃燒產物滲濾液普遍呈現出含鹽量高的特點，天然膨潤土無法實現防滲截污的目的。聚合物改性膨潤土（bentonite-polymer composite，BPC）是目前國際上用于提升天然膨潤土防滲性能進而應用于固廢填埋場實現防滲截污目的的重要技術方法^［9-10］。由于鈉基膨潤土具有顯著的吸濕膨脹性和陽離子交換容量^［11］，因此當前既有的BPC多是以鈉基膨潤土為基材^［12］。目前已探明的膨潤土儲量以鈣基膨潤土為主，約占總膨潤土儲量的70%～80%^［13］。中國膨潤土儲量居世界首位，但優質鈉基膨潤土嚴重匱乏，而鈣基膨潤土占總儲量的70%以上^［14-15］。由于鈣基膨潤土的水化膨脹率比鈉基膨潤土?。ǔＲ娾c基膨潤土的水化膨脹率為11 mL/g，鈣基膨潤土的水化膨脹率為2.5 mL/g），鈣基膨潤土的溶脹性能弱于鈉基膨潤土^［13］。因此，如何將聚合物改性膨潤土技術應用于鈣基膨潤土，實現防滲性能優異的聚合物改性鈣基膨潤土亟待研究。當期已有部分學者提出了聚合物改性鈣基膨潤土材料，廖饒平^［16］采用丙烯酸鈉濕法聚合工藝改性了鈉化鈣基膨潤土，提升了膨潤土的耐酸性和抗鹽穩定性，但該文研究使用膨脹指數進行定性分析，不能代表實際防滲性能。Yu等^［17］采用丙烯酸鈉改性鈉化鈣基膨潤土，但該改性膨潤土僅在酸性溶液作用下能保持低滲透系數。郭子赫^［18］、王昆^［19］等采用丙烯酸類單體改性鈣基膨潤土，能夠有效提升膨潤土的耐干濕循環能力。上述研究所提出的聚合物改性鈣基膨潤土材料均未針對CCP滲濾液。

為此，本文自主研發出一種聚合物改性鈣基膨潤土，根據實際CCP滲濾液的化學成分，配置4種不同離子強度和單價/多價陽離子相對豐度的滲濾液，并通過滲透試驗、自由膨脹指數試驗探究該聚合物改性鈣基膨潤土在CCP滲濾液作用下的防滲性能；通過土中結合陽離子濃度變化、XRD測試、SEM測試，研究聚合物改性鈣基膨潤土的改性機理。

1 試驗材料

1.1 制備聚合物改性鈣基膨潤土所需原料

試驗所用的膨潤土原料為經過鈉化處理的鈣基膨潤土，產地為河北省靈壽縣。根據土工試驗方法標準^［20］測得鈣基膨潤土天然含水率為12.6%，細粒（＜200目）含量為100%，液限WL為171.5%，塑限WP為30.8%，塑性指數IP為140.7%，屬于高液限粉土。根據ASTM D5890規范^［21］測得自由膨脹指數（SI）為12.0 mL/2 g。對鈣基膨潤土采用X射線衍射儀確定其礦物成分中含85%蒙脫石、6%石英、5%方石英、2%長石、1%方解石和1%白云石。

聚合物原料為兩性聚丙烯酰胺類單體，陰離子單體為甲基丙烯酸乙酯和2-丙烯酰胺基十二烷磺酸，引發劑為過硫酸鈉，交聯劑為N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺，采用氫氧化鈉調節pH。所有化學試劑均為實驗室分析純級，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 聚合物改性鈣基膨潤土的制備

聚合物改性鈣基膨潤土（Ca-base bentonite-polymer composite，Ca-BPC）的制備方法如下：在40 ℃溫度下，定量將兩性聚丙烯酰胺類單體和陰離子單體與去離子水充分混合后加入到三口燒瓶中，緩慢加入鈉化鈣基膨潤土，連續攪拌2 h以形成均勻的懸浮液。隨后加入交聯劑和引發劑，同時升溫至70 ℃后引發交聯聚合反應1 h。待溫度降至40 ℃后加入NaOH溶液調節pH至中性，隨后升溫至70 ℃靜置2 h以完成反應。將反應混合物自然冷卻至室溫后放入105 ℃烘箱中干燥，把烘干的材料經過碾磨篩分（顆粒大小在200目范圍內），得到Ca-BPC顆粒，制樣流程見圖1。所制備的Ca-BPC中聚合物含量為15%。

1.3 滲透溶液

在防滲系統中，土工合成黏土襯墊（geosynthetic clay liner，GCL）常作為防污屏障^［22］，GCL的滲濾液化學特性主要指標有離子強度（I）和單價/多價陽離子的相對豐度（RMD），計算公式分別為

I=12imiz2i（1）

式中：mi為滲濾液中離子i的濃度，mol/L；zi為離子i相應的化合價。

RMD=MMMD（2）

式中：MM為一價陽離子的濃度，mol/L；MD為多價陽離子的濃度，mol/L。

美國電力研究所（EPRI）編制了CCP處理設施的滲濾液庫^［23］，匯集了33個填埋場的滲濾液化學成分，陳劍楠^［24］對該數據庫CCP滲濾液中各類離子進行配對校正，得到了主要陽離子和陰離子（Na+、K+、Mg²⁺、Ca²⁺、SO^2-4和Cl-）的濃度范圍。參考陳劍楠^［24］的研究，本文采用試劑級K2SO4、Na2SO4、CaSO4、MgSO4、CaCl2和NaCl，在去離子水中制備了4種CCP滲濾液作為試驗用滲透溶液，各滲濾液的化學成分如表1所列。

（1） 典型的 CCP 滲濾液（Typ.CCP）：I=39.5 mmol/L，RMD=0.16 （mol/L）^1/2，具有中等離子強度和RMD。該合成滲濾液對應于整個數據集的I和RMD的幾何平均值，可作為所有CCP的典型代表。

（2） 低RMD灰分滲濾液（Low RMD）：I=39.5 mmol/L和RMD=0.012 （mol/L）^1/2。

（3） 高離子強度灰分滲濾液（High I）：I=75.8 mmol/L和RMD=0.16 （mol/L）^1/2。

（4） 天然堿灰滲濾液（Trona）：I=755 mmol/L和RMD=4.4 （mol/L）^1/2，具有代表性的高離子強度天然堿灰滲濾液。

2 試驗方法

2.1 柔性壁滲透試驗

采用柔性滲透儀，參照ASTM D5084^［25］和ASTM D6766^［26］標準及Scalia^［8］描述的方法，用降水頭恒水尾方法測定試樣的滲透系數。試驗裝置如圖2所示，試樣攤鋪密度參照國外商用GCL密度，為4.8 kg/m，厚度為5 mm。為保證水流均勻和防止側壁滲漏，在試樣上下均勻放置土工布和透水石并且在底座和頂座四周套上乳膠膜和O型圈固定。施加有效圍壓為20 kPa。

在測試前利用滲濾液對試樣預水化48 h，排出導管內及試樣內部空氣后開始滲透測試。在滲透系數趨于穩定，至少連續4次流入流出量之比為1±0.25，且流出溶液的化學性質趨于穩定時終止測試。

2.2 自由膨脹指數

自由膨脹指數實驗方法參照ASTM D5890^［21］，首先準確稱取2.00 g干燥的、粒徑小于200目的膨潤土樣品，使用量筒測量所需測試溶液的90 mL。每次從稱量好的膨潤土中取不超過0.1 g的膨潤土，緩慢加入到量筒中。每間隔10 min再緩慢加入不超過0.1 g的膨潤土，直到加入全部2.0 g的膨潤土。當所有的粉末沉淀后，需將附著在量筒內壁的土顆粒沖洗到水中，并增加水量至100 mL。然后靜置24 h，記錄水化膨潤土的體積（單位為 mL/2g）。

2.3 膨潤土中陽離子濃度和CEC測試

參考規范ASTM D7503-2018^［27］，測定在典型燃煤產物滲濾液下滲透試驗前后膨潤土中主要結合陽離子（Na+、Ca²⁺、K+和Mg²⁺）濃度。參考規范GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》^［20］，采用氯化鋇緩沖液法測定陽離子交換容量（CEC）。稱取2 g過0.15 mm篩孔的風干土樣（鈉化鈣基膨潤土或Ca-BPC），加入氯化鋇緩沖液經離心機離心去除上部清液，隨后加入純水和硫酸鎂溶液分別離心取其溶液進行EDTA滴定，另取5 mL的硫酸鎂溶液進行EDTA滴定至終點，根據2份滴定結果之差計算陽離子交換量。

2.4 微觀表征測試

對烘干后并通過200目的土樣采用X射線衍射（XRD）掃描，通過將X射線束照射到樣品上，測量衍射出的X射線的方向和強度來獲得材料的晶體結構信息。由衍射角度和強度，確定改性前后膨潤土的礦物成分。XRD儀器型號為MiniFlex600，掃描速度為10°（2θ）/min。

對滲透后的試樣進行干燥處理，利用電鏡掃描SEM進行觀測微觀形貌。儀器型號為捷克TESCAN MIRA LMS，放大倍數為4～11kx。

3 試驗結果與分析

3.1 滲透系數

圖3為鈉化鈣基膨潤土和Ca-BPC在不同滲濾液作用下，滲透系數隨時間變化的關系曲線。對比膨潤土改性前后的滲透系數曲線可以直觀看出，采用本文方法對鈉化鈣基膨潤土進行改性后，其防滲性能顯著提升，滲透系數在各種滲透溶液作用下均處于10^-11m/s數量級。從圖3中變化趨勢可發現，鈉化鈣基膨潤土達到平衡的時間短于Ca-BPC。鈣基膨潤土經過最初的波動后在短時間內能達到平衡，產生波動的原因是土樣出現排水固結現象，經過一定時間后試樣達到穩定狀態，滲流系數也趨于穩定狀態。但Ca-BPC達到穩定的狀態所需時間較長，主要是由于Ca-BPC的土顆粒滲透系數很低，滲透液需要較長時間才能滲進土顆粒內部，導致達到充分膨脹的時間較長。

圖4為膨潤土滲透系數隨離子強度變化柱狀圖，圖4表明膨潤土的的滲透系數與滲透溶液離子強度呈正相關，隨著離子強度的增加，膨潤土的滲透系數隨之增大。鈉化鈣基膨潤土在去離子水中的滲透系數為4.83×10^-11 m/s，而在天然堿灰滲濾液中（I=775 mmol/L）滲透系數為2.3×10^-6 m/s，增大了5個數量級。相應地，隨著滲濾液離子強度的增大，Ca-BPC滲透系數也略有增大，但始終保持在10^-11 m/s層面，表明本文提出的Ca-BPC在CCP滲濾液作用下具備優異的防滲性能。

圖5為膨潤土滲透系數隨單價/多價陽離子相對豐度（RMD）變化柱狀圖。由圖5可知，鈉化鈣基膨潤土在低RMD灰分滲濾液（RMD=0.012 （mol/L）^1/2）滲濾液作用下的滲透系數為3.2×10^-9 m/s，而在典型CCP滲濾液（RMD=0.16 （mol/L）^1/2）作用下的滲透系數為3.7×10^-10 m/s，下降了近1個數量級。而Ca-BPC在Typ.CCP滲濾液作用下的滲透系數僅較在Low.RMD滲濾液作用下略有減小。這一結果表明，膨潤土滲透系數隨RMD的增大而減小，即單價離子占比越高，滲透系數越??；Ca-BPC滲透系數始終維持在10^-11 m/s這一數量級表明其受多價離子占比的影響較小，表明了Ca-BPC材料的優異防滲性能。

3.2 自由膨脹指數

圖6為自由膨脹指數試驗結果。圖6表明，膨潤土的自由膨脹指數隨著滲濾液離子強度的增大而減小。未改性膨潤土在去離子水中的自由膨脹指數為12 mL/2 g，而在天然堿灰滲濾液中降為6 mL/2 g；相應地，Ca-BPC由58 mL/2 g降低到32 mL/2 g。圖6還表明，Ca-BPC在各滲濾液作用下的自由膨脹指數遠大于鈣基膨潤土，表現出優異的溶脹性能。鈣基膨潤土和Ca-BPC的自由膨脹指數對比結果表明，Ca-BPC在CCP溶液中仍能維持低滲透性，主要依賴于聚合物的高溶脹性能，而不依賴于膨潤土自身的溶脹性能。對比王昆^［19］提出的聚合物改性鈣基膨潤土（聚合物含量為15%，在去離子水中的自由膨脹指數為37 mL/2 g），本文提出的Ca-BPC（聚合物含量為15%，在去離子水中的自由膨脹指數為58 mL/2 g），具有更好的溶脹性能。

3.3 滲透后陽離子交換情況

典型CCP滲濾液滲透前后膨潤土中結合陽離子的變化情況如表2所列。膨潤土滲透前后結合陽離子的變化情況表明，在滲濾液作用下，滲濾液中陽離子與膨潤土中結合陽離子發生了陽離子交換。鈉化鈣基膨潤土在典型CCP滲濾液作用后，Na+的摩爾分數在滲透后由0.38降低到0.01，而Ca²⁺的摩爾分數由0.32增至0.84，表明膨潤土內部的Na+幾乎被Ca²⁺完全代替，鈉化鈣基膨潤土此時退化為鈣基膨潤土。Ca-BPC在典型CCP滲濾液作用后，Na+的摩爾分數由0.40降低到0.32，而Ca²⁺＋Mg²⁺的摩爾分數由0.46增至0.64，表明Ca-BPC內部單價結合陽離子雖與滲透液中多價陽離子發生了離子交換，但其交換程度遠小于未經聚合物改性的鈉化鈣基膨潤土。CEC為每kg土體中含有的各種陽離子的物質的量。滲濾液滲透后2種膨潤土的CEC值均略有減小，表明膨潤土中陽離子減少，這一結果進一步印證了陽離子交換現象的發生。

根據蒙脫石間的雙電層理論^［28］，蒙脫石表面電荷層和外部溶液的離子層由于存在電位差形成了雙電層結構，雙電層的厚度與離子價數的平方成反比，高價陽離子聚集會造成雙電層厚度變小，蒙脫石晶層間距減小，導致膨脹性能下降。與此同時，蒙脫石膨脹性能下降會導致膨潤土顆粒間隙變大，進而導致更寬的滲透路徑和更大的滲透系數。由上文可知，膨潤土在CCP滲濾液作用下自由膨脹指數減小、滲透系數增大，這一現象與雙電層理論相吻合。

3.4 機理分析

鈉化鈣基膨潤土和Ca-BPC的X射線衍射圖譜如圖7所示，圖7中鈉化鈣基膨潤土和Ca-BPC的衍射圖譜均呈現密集低矮的非晶體物項衍射峰群，其主要的礦物成分幾乎相同。XRD圖譜顯表明鈉化鈣基膨潤土在衍射角2θ=6.5°處有明顯的峰值，層間距d001=1.265 nm，而Ca-BPC在此處的衍射角度未發現蒙脫石的特征峰，這與Wang等^［29］的研究結果一致，且圖譜中Ca-BPC的特征峰強度均小于鈉化鈣基膨潤土。上述現象表明聚合物已經插層至蒙脫石層間，聚合反應使得蒙脫石晶層發生了剝離，形成插層、接枝，提高了膨潤土的吸水膨脹性，因此聚合物改性鈣基膨潤土表現出極低的滲透系數（圖3，＜1.0×10^-11m/s）。

圖8為鈉化鈣基膨潤土和Ca-BPC在去離子水和典型CCP滲濾液作用后的SEM圖像，由圖8（a）可以看出通過去離子滲透后的鈉化鈣基膨潤土主要呈片葉狀結構并分層分布^［30］，膨潤土顆粒間隙較大。圖8（b）為改性后膨潤土的SEM圖，圖中聚合物形成的水凝膠填充了膨潤土顆粒間的縫隙^［31］，使其結構更加致密，水流通道更加狹窄曲折，導致滲透系數更低。當鈉化鈣基膨潤土在典型燃煤產物滲濾液作用下滲透后，微觀結構呈蜂窩狀且出現具有許多大小孔徑不規則的塊狀結構（圖8（c）），使得滲透溶液更容易從孔洞中滲出，導致滲透系數增大。相比之下，Ca-BPC在燃煤產物作用滲透后并沒有出現較大的孔隙，表面均勻且致密（圖8（d）），生成的聚合物水凝膠仍保持黏性凝膠狀態，且具有足夠的量以阻塞主要流動路徑，從而繼續保持一個較低的滲透系數。

4 結 論

本文自主研發出了一種聚合物改性鈣基膨潤土，通過開展滲透試驗、自由膨脹指數試驗，研究了該聚合物改性鈣基膨潤土在CCP滲濾液作用下的防滲性能，并通過微觀測試，研究了聚合物改性鈣基膨潤土的改性機理，得出如下結論：

（1） 本文所考慮的CCP滲濾液作用下，隨著離子強度增大，鈉化鈣基膨潤土的滲透系數由4.83×10^-11m/s增大至2.3×10^-6m/s，而本文提出的Ca-BPC始終維持在10^-11 m/s數量級，表明改性后膨潤土的防滲性能顯著提升。

（2） 膨潤土的自由膨脹指數隨著滲濾液離子強度的增大而減小，未改性膨潤土在去離子水中的自由膨脹指數為12 mL/2g，而在天然堿灰滲濾液中降為6 mL/2g；相應地，本文提出的Ca-BPC由58 mL/2g降低到32 mL/2g。Ca-BPC在CCP溶液中仍能維持低滲透性，主要依賴于聚合物的高溶脹性能，而不依賴于膨潤土自身的溶脹性能。

（3） 鈉化鈣基膨潤土在CCP滲濾液作用下劣化的主要原因是滲濾液中的二價陽離子（主要為Ca²⁺）取代了鈉化鈣基膨潤土的結合Na+，造成雙電層厚度變小，蒙脫石晶層間距減小，進而導致膨脹性能下降。

（4） Ca-BPC中聚合物擴大了膨潤土蒙脫石片層間距，增強了鈣基膨潤土的溶脹性能；同時，聚合物形成的水凝膠填充了膨潤土顆粒間的縫隙，使其結構更加致密，水流通道更加狹窄曲折，導致滲透系數更低。

參考文獻：

［1］ 余國，張鵬程.2022年全球能源安全形勢評價：《全球能源安全報告》主要觀點［J］.國際石油經濟，2023，31（2）：1-6，83.

［2］ HOSSEINI S E.An outlook on the global development of renewable and sustainable energy at the time of covid-19［J］.Energy Research amp; Social Science，2020：101633.

［3］ 陸勝勇.垃圾和煤燃燒過程中二噁英的生成、排放和控制機理研究［D］.杭州：浙江大學，2004.

［4］ NAWAZ T，RAHMAN A，PAN S，et al.A review of landfill leachate treatment by microalgae：current status and future directions［J］.Processes，2020，8（4）：384.

［5］ 賈亞琪，李赫，王震洪.我國城市固體廢棄物現狀及處理技術研究進展［J］.環境保護前沿，2019，9（5）：717-725.

［6］ 馬利，崔自治，景鑫.封閉系統條件下膨潤土改性黏土的凍融特性研究［J］.人民長江，2021，52（4）：214-218.

［7］ 范日東.重金屬作用下土-膨潤土豎向隔離屏障化學相容性和防滲截污性能研究［D］.南京：東南大學，2017.

［8］ SCALIA IV J.Bentonite-polymer composites for containment applications［D］.Madison：University of Wisconsin-Madison，2012.

［9］ TRAUGER R，DARLINGTON J.Next-generation geosynthetic clay liners for improved durability and performance［R］.TR-220，Colloid Environmental Technologies Company，Arlington Heights，IL，2000.

［10］康祺禎，李靜靜，李育超，等.PAA-Na 改性膨潤土在酸堿鹽溶液中的滲透性［J］.浙江大學學報（工學版），2021，55（10）：1877-1884.

［11］何俊，王宇.膨潤土改性黏土中裂隙擴展規律的試驗研究［J］.人民長江，2013，44（1）：86-89.

［12］JOSEPH S，CRAIG H B，GRETCHEN L B，et al.Long-term hydraulic conductivity of a bentonite-polymer composite permeated with aggressive inorganic solutions［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2013，140（3）：04013025.

［13］楊玉玲.六偏磷酸鈉改良鈣基膨潤土系豎向隔離墻防滲控污性能研究［D］.南京：東南大學，2017.

［14］吳小緩，袁鵬，彭春艷.我國膨潤土行業發展現狀、主要問題及合理建議［C］∥國家建筑材料工業技術情報研究所.2017年中國非金屬礦科技與市場交流大會論文集.建筑材料工業技術情報研究所，2017：4.

［15］彭楊偉，孫燕.國內外膨潤土的資源特點及市場現狀［J］.金屬礦山，2012（4）：95-99，105.

［16］廖饒平.基于防滲性能的膨潤土有機改性制備方法及應用［D］.溫州：溫州大學，2017.

［17］YU C，LIAO R，CAI X Q，et al.Sodium polyacrylate modification method to improve the permeant performance of bentonite in chemical resistance［J］.Journal of Cleaner Production，2019，213：242-250.

［18］郭子赫，姜璐莎，王昆，等.干濕循環作用下聚合物改性膨潤土滲透特性研究［J］.土木工程學報，2023，56（增1）：55-63.

［19］王昆.干濕循環作用下新型聚合物改性膨潤土滲透性試驗研究［D］.武漢：華中科技大學，2022.

［20］中華人民共和國住房和城鄉建設部.土工試驗方法標準：GB/T 50123—2019［S］.北京：中國計劃出版社，2019.

［21］ASTM.Standard test method for swell index of clay mineral component of geosynthetic clayliner：ASTM D5890［S］.West Conshohocken，PA：ASTM，2011.

［22］QIAN X D，KOERNER R M，GRAY D H.Geotechnical aspects of landfill design and construction ［M］.Upper Saddle River：Prentice Hall，2002.

［23］EPRI.Comparison of risks for leachate from coal combustion product landfills and impoundments with risks for leachate from municipal solid waste landfill facilities ［R］.California：Electric Power Research Institute，2010.

［24］陳劍楠.土工合成織物粘土襯墊與燃煤產物滲濾液的化學相容性研究［D］.成都：西南交通大學，2018.

［25］ASTM.Standard test method for measurement of hydraulic conductivity of saturated porous materials using a flexible wall permeameter：ASTM D5084［S］.West Conshohocken：ASTM，2003.

［26］ASTM.Standard test method for evaluation of hydraulicproperties of geosynthetic clay liners permeated with potentially incompatible liquids：ASTM D6766［S］.West Conshohocken：ASTM，2009.

［27］ASTM.Standard test method for measuring the exchange complex and cation exchange capacity of ingorganic fine-grained soils：ASTM D7503-18［S］.West Conshohocken：ASTM，2018.

［28］EGLOFFSTEIN T A.Natural bentonites-influence of the ion exchange and partial desiccation on permeability and self-healing capacity of bentonites used in GCLs［J］.Geotextiles and Geomembranes，2001，19（7）：427-444.

［29］WANG H，JIANG L S，ZHANG C R，et al.Ca-bentonite/polymer nanocomposite geosynthetic clay liners for effective containment of hazardous landfill leachate［J］.Journal of Cleaner Production，2022，365：132825.

［30］劉正楠，張銳，唐德力，等.膨脹土微結構對膨脹行為的影響［J］.土木與環境工程學報（中英文），2024，46（2）：60-69.

［31］TIAN K，LIKOSW J，BENSON C H.Polymer elution and hydraulic conductivity of bentonite-polymer composite geosynthetic clay liners［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2019，145（10）：04019071.

（編輯：郭甜甜）

Study on permeability characteristics of modified bentonite under action of coal combustion product leachate

ZHANG Yan^1，2，3，QIU Jinwei³，LI Dan^1，2，HU Bo³

（1.School of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China； 2.Hubei Provincial Engineering Research Center of Urban Regeneration，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China； 3.Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract： Natural calcium-bentonite has weak impermeability and its impermeability will deteriorate sharply in salt solution.To solve these problems，we develop a polymer to modify calcium-bentonite.Based on permeability test and free expansion index test，the impermeability of the polymer modified calcium-bentonite under the action of coal combustion product leachates with different ionic strength and relative abundance of univalent/polyvalent cations was investigated.The modification mechanism of the polymer-modified calcium bentonite was also analyzed through the changes of binding cation concentration in soil，XRD test and SEM test.The results indicate that the impermeability of proposed polymer modified calcium-bentonite remains 10^-11 m/s under the action of coal combustion product leachates，which indicates that the impermeability of bentonite modified by polymer has been improved notably.The proposed polymer modified calcium-bentonite maintaining low permeability in the leachates of coal combustion products mainly depends on the high swelling property of the polymer instead of the swelling property of the bentonite.The hydrogel formed by the polymer in the polymer modified calcium bentonite fills the gaps among bentonite particles，which makes its structure more compact and the water flow channels narrow and tortuous，resulting in lower permeability coefficient.

Key words： polymer； bentonite； permeability； coal combustion product； leachate