分散劑改良土-膨潤土豎向隔離墻材料黏度試驗研究

楊玉玲 杜延軍 范日東 陳左波

(東南大學(xué)巖土工程研究所，南京 210096)

分散劑改良土-膨潤土豎向隔離墻材料黏度試驗研究

楊玉玲 杜延軍 范日東 陳左波

(東南大學(xué)巖土工程研究所，南京 210096)

摘 要:為改善土-膨潤土豎向隔離墻材料的分散性，增強隔離墻阻滯污染物能力，對添加3種不同磷酸鹽分散劑的土-膨潤土回填料進(jìn)行了黏度試驗，研究了不同分散劑摻量下回填料表觀黏度的變化規(guī)律.試驗結(jié)果表明:3種磷酸鹽分散劑均可顯著減小土-膨潤土回填料表觀黏度;分散劑摻量從0%增加到0.1%，回填料表觀黏度急劇下降，繼續(xù)增加分散劑摻量，回填料表觀黏度趨于平穩(wěn)或略有增長;添加磷酸鹽分散劑后，增加膨潤土含量對回填料分散性影響不大，可通過添加磷酸鹽分散劑的方法提高回填料對膨潤土的負(fù)載量;六偏磷酸鈉分散效果稍優(yōu)于三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉.同時，建議0%，5%，10%膨潤土含量回填料對應(yīng)的3種分散劑最優(yōu)摻量為0.05%，0.1～0.5%，0.5%.磷酸鹽分散劑在改善隔離墻材料分散性、提高墻體對污染物的阻滯能力方面具有潛在的工程實用價值.

關(guān)鍵詞:隔離墻;土-膨潤土;分散劑;表觀黏度;最優(yōu)摻量

近年來我國污染事故頻發(fā)，由此引起了社會各界對污染修復(fù)問題的高度重視［1-2］.防止污染物隨地下水遷移而導(dǎo)致污染范圍擴(kuò)大的有效措施之一是修建土-膨潤土豎向隔離墻阻擋污染物運移［3-5］.

低滲透性是隔離墻材料發(fā)揮作用的重要前提之一，要求墻體滲透系數(shù)不大于10－9m/s.然而在污染物的影響下，膨潤土土顆粒表面雙電層厚度被壓縮，土顆粒間形成絮凝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土-膨潤土回填料滲透系數(shù)增大.Katsumi等［6-7］研究了土-膨潤土滲透系數(shù)在氯鹽溶液長期作用下的變化情況，結(jié)果表明溶液中的高價陽離子使土粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土-膨潤土滲透滲透系數(shù)可增大超過一個數(shù)量級.

增大膨潤土含量可降低土-膨潤土回填料的滲透系數(shù)，但膨潤土具有高液限和吸水膨脹性，增大膨潤土含量的同時會導(dǎo)致現(xiàn)場的原位土與膨潤土拌和困難，產(chǎn)生“抱團(tuán)”現(xiàn)象.在土-膨潤土回填料中添加分散劑，可防止回填料在污染物影響下發(fā)生絮凝，保持隔離墻墻體分散性和低滲透性，保證隔離墻阻滯污染物的有效性并延長隔離墻服役壽命.

表觀黏度是指非牛頓流體所受剪切應(yīng)力和剪切速率的比值，能夠表征非牛頓流體在運動狀態(tài)下抵抗剪切變形能力的程度［8］.可通過表觀黏度來評價土-膨潤土回填料的分散性，確定分散劑的最優(yōu)摻量［9-11］.

現(xiàn)有研究主要針對磷酸鹽改良高嶺土或膨潤土漿液的黏度特性［9-10］，多屬于陶瓷制造的注漿成型技術(shù)領(lǐng)域或壩基防滲的滲透注漿技術(shù)領(lǐng)域.而在環(huán)境巖土的隔離墻技術(shù)中，針對磷酸鹽改良高嶺土-膨潤土隔離墻材料黏度特性的研究仍鮮見報道.且由于文獻(xiàn)報道的漿液的含水率與本文所用回填料的含水率差別較大，必將導(dǎo)致材料黏度特征有所變化，因此這些研究結(jié)果不宜直接用于判斷隔離墻回填料的分散效果.

本文選用六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉3種磷酸鹽作為分散劑，以添加分散劑的高嶺土-膨潤土混合回填料作為豎向隔離墻材料進(jìn)行了系列黏度試驗，探討在分散劑作用下回填料表觀黏度的變化特性，評價通過添加磷酸鹽類分散劑提高隔離墻回填料分散性能的可行性，并在對比各分散劑分散效果的基礎(chǔ)上，給出了分散劑最優(yōu)摻量值建議.

1 試驗

1.1 試驗材料及試樣制備

由于不同場地中用于隔離墻混合土的原位土物化特性不同，故本試驗選用具有普遍工程適用意義的商用高嶺土代替原位土，膨潤土為商用膨潤土，土的基本物理特性見表1.磷酸鹽類分散劑分別為:化學(xué)試劑六偏磷酸鈉，分子式(NaPO3)6;三聚磷酸鈉，分子式Na5P3O10;十水合焦磷酸鈉，分子式Na4P2O7·10H2O.

表1 高嶺土和膨潤土的基本物理特性

土-膨潤土回填料的制備參照美國石油協(xié)會頒布的《鉆井液材料規(guī)范》(API 13A)［12］，將高嶺土、膨潤土干粉和分散劑與蒸餾水混合，用水泥凈漿攪拌機均勻攪拌20 min，倒入容器密封靜置16 h(恒溫20℃)，再次攪拌5 min，回填料倒入燒杯進(jìn)行表觀黏度測量.

1.2 試驗方法

試驗設(shè)計的膨潤土含量為0%，5%，10%;分散劑摻量為 0%，0.01%，0.05%，0.1%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%.其中膨潤土含量或分散劑摻量分別為膨潤土的干土質(zhì)量或分散劑質(zhì)量與高嶺土和膨潤土的干土質(zhì)量和之比.土-膨潤土回填料的含水率按隔離墻施工要求的回填料坍落度范圍(100～150 mm)，取中值(125 mm)對應(yīng)含水率作為試樣控制含水率.坍落度試驗按照ASTM C143/C143M-12［13］進(jìn)行.如圖 1 所示，膨潤土含量為0%，5%，10%的回填料的設(shè)計含水率分別為34.56% ，48.55% ，61.50%.

圖1 根據(jù)坍落度試驗結(jié)果確定的黏度試驗控制含水率

黏度測量儀器為NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)黏度計，測量溫度為20℃.不同分散劑摻量下土-膨潤土回填料黏度值變化范圍較大，單一轉(zhuǎn)子的量程不能覆蓋所有回填料表觀黏度值，試驗選用2，3，4號轉(zhuǎn)子對不同膨潤土和分散劑摻量回填料進(jìn)行黏度測量，轉(zhuǎn)速均為12 r/min.首先選用小體積(4號)轉(zhuǎn)子對燒杯中回填料進(jìn)行黏度量測，當(dāng)測量值超過轉(zhuǎn)子量程(顯示屏百分計標(biāo)度在20～90%之間為正常值)時，改用大體積(3號，2號)轉(zhuǎn)子.本試驗黏度值取為啟動轉(zhuǎn)子后2 min時的讀數(shù)值.

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑摻量與表觀黏度關(guān)系

圖2 不同膨潤土含量下分散劑摻量與表觀黏度關(guān)系曲線

圖2為不同膨潤土含量下分散劑摻量與表觀黏度關(guān)系曲線.由圖可見，3種磷酸鹽分散劑均能顯著減小土-膨潤土回填料表觀黏度，表觀黏度隨分散劑摻量變化趨勢基本一致，分散劑摻量增加，表觀黏度急劇下降，隨后趨于平穩(wěn)或稍有增長，這一趨勢與 Yoon等［9］和 Papo等［10］的試驗結(jié)果一致.Yoon等［9］在膨潤土漿體中加入焦磷酸鈉，發(fā)現(xiàn)焦磷酸鈉能有效降低漿體表觀黏度;Papo等［10］對比三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉摻量與高嶺土漿體(載土量55%)表觀黏度關(guān)系時得到以下結(jié)論:隨分散劑摻量增加，漿體表觀黏度呈先減小后平穩(wěn)的趨勢.由于文獻(xiàn)［9-10］的試驗過程采用了較高剪切速率和較低土體含量，因此文獻(xiàn)［9-10］中漿液的表觀黏度值與本文的回填料表觀黏度值差別較大.

Sridharan等［14］認(rèn)為對于高嶺土，孔隙水中離子價位較低的Na+置換土顆粒表面高價位離子Ca2+，會使雙電層厚度增加.分散劑把Na+引入到土-膨潤土回填料中，置換土顆粒反離子層中的高價陽離子(如Ca2+，Mg2+等)，使黏土顆粒雙電層變厚;此外，溶液中形成微溶的鈣鹽或可溶的鈣絡(luò)合物又可促進(jìn)離子交換［8］.黏土顆粒帶正電荷的邊或未被Na+置換的Ca2+點位吸附高價陰離子(如磷酸根離子)，使顆粒表面負(fù)電荷密度增大;即使土顆粒的邊呈負(fù)電荷，高價陰離子置換低價陰離子后也會增加顆粒表面負(fù)電荷密度，使土顆粒間斥力增大［8，15］.分散劑可增大土顆粒雙電層厚度，增加土顆粒邊-面或邊-邊的斥力，阻止土顆粒相互接觸，使土顆粒保持分散結(jié)構(gòu)，因而可降低回填料表觀黏度值，起到增強回填料分散性能的效果.

回填料中分散劑摻量越低，膨潤土含量越高，則回填料表觀黏度值越大.回填料平均表觀黏度值及其差值在表2中列出，其中D1表示膨潤土含量5%和0%的回填料平均表觀黏度值的差值;D2表示膨潤土含量10%和5%的回填料平均表觀黏度值的差值.由表可知，分散劑摻量從0%增加到0.5%，D1和D2降低一個數(shù)量級.分散劑摻量為1.0%時，D1和D2降至其最小值.添加分散劑后，不同膨潤土含量回填料的表觀黏度值在較大分散劑摻量范圍內(nèi)(0.5% ～2.0%)保持相近.

由圖2和表2可見，對3種磷酸鹽分散劑，在0.5% ～2.0%分散劑摻量下，土-膨潤土表觀黏度值均較低，回填料表現(xiàn)出較好的分散性，此時增大膨潤土含量，表觀黏度值增量較小，可認(rèn)為增加膨潤土含量對回填料分散性影響不大.因此可通過添加分散劑的方法增大隔離墻材料的膨潤土負(fù)載量，以獲得具有更低滲透系數(shù)的墻體材料，同時保證回填料拌和的均勻性，防止土顆粒“抱團(tuán)”.

表2 回填料平均表觀黏度值及差值 Pa·s

2.2 不同磷酸鹽分散效果比較

圖3 分散劑種類對分散劑摻量與表觀黏度關(guān)系的影響

本文定義表觀黏度開始出現(xiàn)平穩(wěn)趨勢時所對應(yīng)的分散劑摻量為最優(yōu)摻量.圖3(a)對比了3種磷酸鹽分散劑在膨潤土含量為0%條件下分散劑摻量與回填料表觀黏度的變化關(guān)系曲線，可看出3種磷酸鹽分散劑分散效果相當(dāng)，最優(yōu)摻量均為0.05%.六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉在最優(yōu)摻量時，回填料表觀黏度值僅為不摻分散劑時的3.3%，2.9%，7.3%;在0.05～0.5%摻量范圍內(nèi)，回填料表觀黏度保持為較低值;分散劑摻量大于0.5%，表觀黏度有回彈趨勢.這是由于分散劑和土顆粒間發(fā)生離子交換和絡(luò)合作用使土顆粒間斥力增大，當(dāng)離子交換達(dá)到平衡，表觀黏度值最低［10-11］;分散劑摻量繼續(xù)增大，所提供的電解質(zhì)離子超過土顆粒的離子交換容量所需值，回填料中未參與離子交換的大量電解質(zhì)離子使土顆粒雙電層厚度減小，回填料分散狀態(tài)被破壞，回填料重新發(fā)生絮凝導(dǎo)致表觀黏度增大.

由圖3(b)可見，膨潤土含量為5%時，六偏磷酸鈉最優(yōu)摻量為0.1%，此時回填料表觀黏度值僅為不摻分散劑時的2.0%;三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉最優(yōu)摻量為0.5%，最優(yōu)摻量下表觀黏度值僅為不摻分散劑時的2.6%，6.7%.三聚磷酸鈉摻量大于1.0%時，回填料表觀黏度仍有回彈趨勢，說明三聚磷酸鈉作用下，離子交換較快達(dá)到平衡;六偏磷酸鈉和焦磷酸鈉摻量達(dá)最優(yōu)后，分散劑摻量增加，回填料表觀黏度保持平穩(wěn).六偏磷酸鈉和焦磷酸鈉能在較大摻量范圍內(nèi)保持回填料的分散性，分散效果較好，三聚磷酸鈉分散效果稍差.

膨潤土含量為10%時，3種分散劑最優(yōu)摻量均為0.5%，如圖3(c)所示.六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉最優(yōu)摻量下表觀黏度值僅為不摻分散劑時的6.3%，5.7%，8.9%，達(dá)最優(yōu)摻量后，表觀黏度值在較大分散劑摻量范圍內(nèi)(0.5%～2.0%)保持較低值.焦磷酸鈉分散效果較其他2種分散劑稍弱.圖4描述了不同膨潤土含量下，3種分散劑最優(yōu)摻量的變化趨勢，可由圖4預(yù)測中間膨潤土含量的分散劑最優(yōu)摻量.回填料膨潤土含量越高，分散劑最優(yōu)摻量呈增大趨勢，說明分散劑與膨潤土間的離子交換能力和絡(luò)合作用能力比高嶺土大.

綜上所述，與三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉相比，六偏磷酸鈉能較大程度地降低表觀黏度，膨潤土含量5%時最優(yōu)摻量值較低，能在很大摻量范圍內(nèi)使表觀黏度保持較低值，且表觀黏度回彈小，分散效果好;三聚磷酸鈉能較大程度地降低表觀黏度，其分散性能稍優(yōu)于焦磷酸鈉.

圖4 分散劑最優(yōu)摻量隨膨潤土摻量的變化關(guān)系

3 結(jié)論

1)土-膨潤土回填料中摻加磷酸鹽分散劑，回填料表觀黏度大幅降低，分散劑摻量超過一定值后表觀黏度趨于平穩(wěn)，這表明分散劑能顯著增加回填料分散性，使回填料保持分散結(jié)構(gòu)，防止回填料發(fā)生絮凝.

2)分散劑摻量達(dá)到0.5%后，增加膨潤土含量，回填料表觀黏度變化不大，回填料分散性不會被顯著減弱，可通過添加分散劑的方法提高隔離墻材料的膨潤土承載量，同時保持材料分散性，保證土和膨潤土拌和均勻性，防止土顆?！氨F(tuán)”，從而得到滲透系數(shù)更低的隔離墻材料.

3)膨潤土含量為0%時，3種分散劑最優(yōu)摻量相同，均為0.05%;膨潤土含量為5%時，六偏磷酸鈉最優(yōu)摻量為0.1%，其余二者均為0.5%;膨潤土含量為10%時，3種分散劑最優(yōu)摻量均為0.5%.

4)六偏磷酸鈉能較大程度地降低回填料表觀黏度，在較大摻量范圍內(nèi)使回填料表觀黏度保持平穩(wěn)趨勢，達(dá)到較好的分散結(jié)構(gòu)，且最優(yōu)摻量值在膨潤土含量5%時較小，分散效果優(yōu)于三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉.

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Experimental study on viscosity of soil-bentonite vertical cut-off wall backfills amended with dispersant

Yang Yuling Du Yanjun Fan Ridong Chen Zuobo
(Institute of Geotechnical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:Three types of phosphate dispersants，including sodium hexametaphosphate，sodium tripolyphosphate and sodium pyrophosphate，are added to the soil-bentonite backfill in vertical cutoff wall in order to improve dispersed structure of the backfill and enhance its performance of mitigating contaminants.The apparent viscosity of the backfill amended with dispersant is measured and the relationship between the dispersant content and the apparent viscosity of the backfill is studied.The test results show that the apparent viscosity reduces significantly when the backfill is amended with three types of dispersants.The apparent viscosity decreases sharply when the dispersant content is increased from 0%to 0.1%，while further increase makes the apparent intensity maintain stable or show a slight rebound.Due to the negligible effect of bentonite content on the disperse property of the backfill amended with dispersant，the bentonite loading of the backfill can be increased by the addition of dispersant.The dispersive capacity of sodium hexametaphosphate is slightly better than those of the others.The optimum contents of the dispersant are 0.05%，0.1%to 0.5%，and 0.5%corresponding to the backfills with bentonite contents of 0%，5%，and 10%.The phosphate dispersant has a potential to be used in engineering applications to improve the dispersity of cutoff wall backfills and enhance the performance of the wall to retard contaminant migration.

Key words:cutoff wall;soil-bentonite;dispersant;apparent viscosity;optimum content

中圖分類號:X820.6

A

1001－0505(2014)03-0650-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.035

收稿日期:2013-10-06.

楊玉玲(1986—)，女，博士生;杜延軍(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，duyanjun@seu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51278100)、江蘇省自然科學(xué)杰出青年基金資助項目(BK2012022).

楊玉玲，杜延軍，范日東，等.分散劑改良土-膨潤土豎向隔離墻材料黏度試驗研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，44(3):650-654.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.035］