利用膨潤土的膨脹和稠度特性對GCL滲透系數(shù)進行預(yù)測的試驗研究

摘要：以土工合成粘土襯墊（Geosynthetic Clay Liner， GCL）在尾礦庫防滲層中的應(yīng)用為背景，研究不同濃度重金屬離子（Cu和Zn）作用下，膨潤土的自由膨脹量、液限及GCL滲透系數(shù)的變化規(guī)律，并分析它們之間的對應(yīng)關(guān)系。試驗結(jié)果顯示，當(dāng)重金屬離子濃度在0.01 mol/L到0.1 mol/L之間遞增時，膨潤土的自由膨脹量和液限會隨著重金屬離子濃度的增大而大幅度減小，但當(dāng)重金屬離子濃度從0.1 mol/L增加到0.5 mol/L時，膨潤土的自由膨脹量和液限則只有微小變化。在滲透試驗中，當(dāng)滲透溶液中重金屬離子濃度小于0.01 mol/L時，GCL的滲透系數(shù)能夠保持穩(wěn)定；但當(dāng)重金屬離子濃度大于0.02 mol/L后，GCL的滲透系數(shù)會隨著滲透溶液中重金屬離子的濃度增加而不斷升高。研究結(jié)果表明，當(dāng)尾礦庫滲濾液中重金屬離子濃度大于0.02 mol/L時，GCL的滲透系數(shù)與膨潤土的自由膨脹量和液限之間具有良好的數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系，可以利用自由膨脹量和液限對滲透系數(shù)進行預(yù)測。

關(guān)鍵詞：土工合成粘土襯墊；膨潤土；自由膨脹量；液限；滲透系數(shù)

中圖分類號：TU411 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）05-0066-06

Abstract：Geosynthetic clay liner （GCL） has been increasingly used as a hydraulic barrier for tailing impoundment. Under the action of different concentrations of heavy metal ions （heavy metal compounds are CuCl2 and ZnCl2）， the change regulation of the free swell index， liquid limits and GCL hydraulic conductivity is researched， and the correspondences between them are analyzed. It is shown that when the concentration of heavy metal ions ranges from 0.01 mol/L to 0.1 mol/L， the free swell index and liquid limits decease with the increase of concentrations of heavy metal ions. However， further increasing of the heavy metals ions concentration （ from 0.01 mol/L to 0.5 mol/L） can’t cause the two index properties decrease continually. In the permeation test， when the concentration of heavy metal ions ranges is lower than 0.01 mol/ L， the hydraulic conductivity of GCL can remain stable. By contrast， when the concentration of heavy metal ions is up to 0.02 mol/L， the hydraulic conductivity of GCL increases with the increase of heavy metals ions concentration. Results of the study show that the index properties of a bentonite has good correspondence with the hydraulic conductivity of the corresponding GCL when the heavy metal ions concentration is higher than 0.02 mol/L and they can be used to estimate the hydraulic conductivity.

Key words：geosynthetic clay liner （GCL）；bentonite；free swell index；liquid limits；hydraulic conductivity

土工合成粘土襯墊層（Geosynthetic Clay Liner， GCL）是一種新型防滲材料，與傳統(tǒng)壓實粘土襯墊層相比，它具有滲透系數(shù)低（k<1.0×10-9cm/s）、施工簡單、能夠承受較大變形等特點，故被廣泛應(yīng)用到金屬礦山尾礦庫的防滲工程中[1-2]。然而，金屬礦山尾礦庫的滲濾液中往往含有大量的重金屬污染物，它們能夠改變GCL內(nèi)膨潤土顆粒的理化性質(zhì)和賦存狀態(tài)，進而對GCL的防滲性能產(chǎn)生不利影響；而GCL防滲性能的穩(wěn)定與否對整個尾礦庫周圍地下水污染控制的效果起到?jīng)Q定性作用。所以，GCL防滲性能在尾礦庫滲濾液長期作用下的變化規(guī)律問題，已經(jīng)成為環(huán)境巖土工程領(lǐng)域一個重要的研究內(nèi)容[3]。目前，這類問題的研究主要通過開展長期的滲透試驗來完成，也就是使用柔性壁滲透儀（Flexible Wall Permeameter）來測定GCL的滲透系數(shù)，并觀察其滲透系數(shù)隨滲透時間的延長而出現(xiàn)的變化情況[4-6]，以便對GCL的防滲性能做出合理判斷。

然而，這種研究方法在實際應(yīng)用中卻存在著一些問題[7]。首先，利用柔性壁滲透儀測定GCL的滲透系數(shù)往往需要持續(xù)很長時間，它無法為許多急需要試驗結(jié)果的工程項目服務(wù)。另外，柔性壁滲透儀是一種相對復(fù)雜的土工試驗設(shè)備，它的操作方法較為繁瑣，只有具備豐富經(jīng)驗的試驗人員才能夠操作。同時，柔性壁滲透儀在使用過程中需要長時間持續(xù)不斷的空氣壓力，而大多數(shù)土工實驗室無法提供此類條件。所以，利用柔性壁滲透儀測定GCL的滲透系數(shù)，并不是一種理想的研究GCL防滲性能變化規(guī)律的試驗方法。

Lee等[8]和Katsumi等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在侵蝕性溶液作用下，GCL的滲透系數(shù)與其內(nèi)部所含膨潤土的自由膨脹量和液限之間存在著良好的數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系；基于此，他們提出可以利用膨潤土的自由膨脹量試驗和液限試驗來代替滲透試驗，用于分析GCL的滲透系數(shù)變化規(guī)律。畢竟，膨潤土自由膨脹量和液限的測定要比GCL滲透系數(shù)的測定簡單容易得多。以GCL在垃圾填埋場襯墊層中的應(yīng)用為背景，相關(guān)研究已經(jīng)證實這種方法是可行的[8]。然而，這種研究方法是否適用于GCL在尾礦庫襯墊層中的應(yīng)用尚無法確定。因為，在垃圾填埋場滲濾液中，影響膨潤土理化性質(zhì)的主要成分是Ca2+，而在尾礦庫滲濾液中，影響膨潤土理化特性的主要成分是各種重金屬離子[10]。為此，擬測定尾礦庫滲濾液作用下膨潤土的自由膨脹量、液限以及GCL的滲透系數(shù)，并分析它們之間的數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系，討論利用膨潤土的自由膨脹量試驗和液限試驗來研究GCL防滲性能變化規(guī)律的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

以市場上廣泛銷售使用的針刺型鈉基GCL為試驗對象，其基本性質(zhì)如表1所示。將ZnCl2和CdCl2（分析純）溶解到蒸餾水中，配制成重金屬離子濃度分別為0.01 mol/L、0.02 mol/L、0.05 mol/L、0.1 mol/L和0.5 mol/L的溶液5份，溶液中Zn2+和Cd2+的濃度各占一半；使用滴管向各重金屬溶液中加入2 mol/L的鹽酸溶液一滴，以抑制溶液中Zn2+水解。

1.2 自由膨脹試驗

用剪刀將GCL中的針刺線剪斷，取出其中的膨潤土，風(fēng)干后過0.5 mm篩；然后在105 ℃的溫度下烘干至恒重，冷卻后待用。根據(jù)ASTM D 5890-06進行自由膨脹試驗。以配制好的重金屬離子溶液作為膨潤土的分散液。向容積為100 mL的量筒中注入90 mL重金屬離子溶液，然后將2 g膨潤土分20次緩慢加入到重金屬離子溶液的表面，每次加入后暫停10 min，待膨潤土完全分散到溶液中后，再加入下一次。全部膨潤土加入完畢后，用重金屬離子溶液淋洗量筒壁，并將量筒加滿至100 mL。將溶液靜置24 h，然后記錄量筒中土面的高度。試驗中同時設(shè)置以蒸餾水作為分散液的空白對照試驗。

1.3 液限測定試驗

將GCL中的膨潤土取出后，風(fēng)干并過0.5 mm篩。分別稱取200 g代表性土樣5份。將土樣用5種不同濃度的重金屬溶液進行浸潤后，裝入塑料袋，放到密閉的保濕器中，靜置24 h；試驗中同時采用蒸餾水制作空白試樣，以便對比分析。根據(jù)ASTM D 4318，采用碟式液限儀測定土樣的液限。試驗中每一土樣進行5次，碟式液限儀擊數(shù)控制在15～35次之間。

1.4 滲透試驗

GCL的滲透試驗參照ASTM D 5084-10和ASTM D6766-12進行操作。首先根據(jù)Daniel等[11]的方法進行滲透試樣制備，用記號筆在大塊方形GCL上標(biāo)記出若干直徑為102 mm的圓，然后，沿著圓周用洗瓶將GCL內(nèi)的膨潤土潤濕，最后，用剪刀沿著圓周將試樣剪出。將試樣安裝到柔性壁滲透性中，以蒸餾水作為水化溶液（Hydrating Liquid）對試樣進行為期7 d的反壓飽和處理。然后，以蒸餾水作為滲透溶液對GCL試樣進行滲透試驗，測定各個試樣的基準(zhǔn)滲透系數(shù)（Base Hydraulic Conductivity）。當(dāng)試樣滲透系數(shù)穩(wěn)定，并滿足ASTM D6766-12所規(guī)定的試驗停止時，停止試驗。隨后，將滲透溶液換成不同濃度（0.01～0.5 mol/L）的重金屬溶液，進行滲透試驗。在本試驗中，通過外部壓力系統(tǒng)向GCL試樣施加圍壓為35 kPa，變水頭管初始水位高度設(shè)定為187.5 cm。在滲透試驗過程中，定期收集滲出液，并測量其電導(dǎo)率（EC），當(dāng)滲出溶液的EC值與滲入液EC平衡時停止試驗[12]。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 自由膨脹試驗結(jié)果

圖1是膨潤土的自由膨脹量隨分散溶液中重金屬離子濃度增加而表現(xiàn)出的變化情況。從圖1中可以看出，膨潤土的自由膨脹量隨著重金屬離子濃度的增加而不斷減小。膨潤土顆粒吸附重金屬離子，進而造成其表面擴散雙電層被壓縮，應(yīng)該是其膨脹量下降的主要原因。當(dāng)重金屬離子濃度在0.01到0.1 mol/L范圍內(nèi)遞增時，膨潤土的膨脹量快速下降；而當(dāng)重金屬離子濃度從0.1 mol/L增大到0.5 mol/L時，膨潤土膨脹量的降低幅度則很小。Jo等[13]在研究NaCl、KCl等金屬溶液對膨潤土自由膨脹量的影響時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液中陽離子濃度超過0.1 mol/L時，膨潤土的膨脹量不會再出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象。

2.2 液限測定試驗結(jié)果

膨潤土的液限隨浸潤溶液中重金屬離子濃度的增加而產(chǎn)生的變化情況如圖2所示。隨著浸潤溶液中重金屬離子濃度的增加，膨潤土液限不斷下降，從最初的305%降低到了98%。與自由膨脹量的變化趨勢類似，當(dāng)重金屬離子濃度由0.01 mol/L增大到0.1 mol/L時，膨潤土液限快速減??；但當(dāng)重金屬離子濃度從0.1 mol/L繼續(xù)增大后，膨潤土液限的變化則趨于穩(wěn)定。表面擴散雙電層被壓縮變薄所引起的持水能力下降，應(yīng)該是膨潤土液限降低的根本原因。根據(jù)不同陽離子在膨潤土顆粒表面吸附親和力的變化規(guī)律，浸潤溶液中的Zn2+和Cd2+很容易與膨潤土顆粒表面的Na+離子發(fā)生交換反應(yīng)；

由于Zn2+和Cd2+相對于Na+具有更高的電荷，所以，在維持?jǐn)U散雙電層電荷總量不變的情況下，膨潤土顆粒外擴散雙電層中的離子數(shù)目必然減少，最終擴散雙電層變薄。而溶液中重金屬離子濃度越高，膨潤土顆粒表面被交換的Na+的數(shù)目越多，導(dǎo)致雙電層被壓縮的幅度越大，持水能力下降更加嚴(yán)重，最終液限不斷減小。

在重金屬離子濃度為0.02 mol/L、0.05 mol/L和0.1 mol/L三種溶液滲透作用下，GCL的滲透系數(shù)變化規(guī)律基本類似，都是在持續(xù)穩(wěn)定一段時間后開始逐漸升高，并最終分別達到1.1×10-8、6.6×10-8和9.5×10-8 cm/s，如圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）所示；3個試樣的最終滲透系數(shù)比基準(zhǔn)滲透系數(shù)高出Shackelford等[15]曾用ZnCl2溶液作為滲透溶液研究GCL滲透系數(shù)的變化情況，其所得試驗結(jié)果也顯示，當(dāng)滲透溶液中重金屬離子濃度大于0.02 mol/L后，GCL的滲透系數(shù)會逐漸增大。在本試驗中，滲透溶液所含Cu2+和Zn2+對膨潤土顆粒表面擴散雙電層的壓縮進而引起顆粒間孔隙增大，應(yīng)該是GCL滲透系數(shù)的根本原因。有必要指出的是，雖然試驗所用的3種滲透溶液中離子濃度成倍增加，但對應(yīng)的GCL滲透系數(shù)并沒有表現(xiàn)出類似的線性變化規(guī)律。這種現(xiàn)象在Lee等[8]開展的使用CaCl2溶液滲透GCL的試驗中也存在。

當(dāng)滲透溶液中重金屬離子濃度達到0.5 mol/L時，GCL的滲透系數(shù)在試驗開始后會迅速增大，在20 d左右的時間內(nèi)就升高至5.4×10-7 cm/s，這比其基準(zhǔn)滲透系數(shù)升高了近2個數(shù)量級，如圖3（e）所示。這是因為，滲透溶液中高濃度的重金屬離子能夠快速大量置換膨潤土顆粒表面的Na+，使膨潤土顆粒表面的擴散雙電層被更快更大幅度地壓縮。另外，由于溶液中重金屬離子濃度較高，部分離子可以進入到膨潤土顆粒表面的固定層中；而重金屬離子進入到固定層中后將會使膨潤土顆粒表面的Zeta電位下降的更快，從而導(dǎo)致膨潤土顆粒外部擴散雙電層更快、更大幅度地變薄，顆粒間孔隙變得更大，最終引起滲透系數(shù)快速升高[16]。

圖4是GCL的最終滲透系數(shù)與滲透溶液中重金屬離子濃度的關(guān)系。從圖中可以看出，GCL的滲透系數(shù)隨著滲透溶液中重金屬離子濃度的增加而不斷升高。與自由膨脹量和液限的變化趨勢類似，當(dāng)滲透溶液中重金屬離子濃度較低時，隨著重金屬離子濃度的增加，GCL滲透系數(shù)升高的幅度較為明顯；但當(dāng)滲透溶液中重金屬離子濃度較高時，GCL滲透系數(shù)隨著溶液中重金屬濃度的增加只表現(xiàn)出較小的變化趨勢。這種變化趨勢與GCL內(nèi)膨潤土的自由膨脹量和液限隨溶液中重金屬離子濃度改變而表現(xiàn)出的變化趨勢基本是一致的。

2.4 自由膨脹量和液限與滲透系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系

圖5是GCL試樣最終滲透系數(shù)與膨潤土自由膨脹量和液限之間的非線性擬合對應(yīng)關(guān)系。從圖5中可以看出，可以從自由膨脹量為12 mL/2 g和液限為200%處（所用溶液重金屬濃度為0.01 mol/L）劃分為兩個部分。在分界點的右側(cè)，雖然膨潤土的自由膨脹量和液限發(fā)生改變，但GCL的滲透系數(shù)與自由膨脹量和液限之間不能同步變化如下：這部分試驗是在低濃度重金屬溶液（<0.01 mol/L）作用下完成的，在自由膨脹量和液限試驗中，膨潤土顆粒與重金屬溶液能夠充分接觸，所以，較低濃度的重金屬溶液可以使膨潤土顆粒外擴散雙電層被壓縮，促使它們的自由膨脹量和液限出現(xiàn)比較明顯的變化；然而，在滲透系數(shù)測定試驗中，由于GCL試樣內(nèi)膨潤土顆粒彼此之間緊密結(jié)合，所以，重金屬溶液與膨潤土顆粒之間的接觸并不充分，膨潤土顆粒外擴散雙電層被壓縮的幅度有限，故滲透系數(shù)并未出現(xiàn)明顯的變化，這一現(xiàn)象在Lee等[8]的研究中也曾出現(xiàn)過。當(dāng)自由膨脹量低于12 mL/2 g和液限低于200%后（重金屬濃度≥0.02 mol/L），之所以會出現(xiàn)滲透系數(shù)與自由膨脹量和液限之間同步變化的現(xiàn)象，是因為在這一階段，所用的溶液中重金屬離子濃度較高，雖然在GCL試樣中滲透溶液與膨潤土顆粒之間的接觸仍然不夠充分，但由于存在著較高的濃度梯度，重金屬溶液可以使膨潤土顆粒外擴散雙電層大幅度壓縮，進而導(dǎo)致其滲透系數(shù)增大；所以滲透系數(shù)的變化與自由膨脹量和液限之間的變化基本同步。

基于以上結(jié)果，可以認(rèn)為：當(dāng)滲透溶液中重金屬離子的濃度較高時（重金屬濃度≥0.02 mol/L），可以通過自由膨脹量和液限測定試驗來代替滲透系數(shù)試驗，進行GCL長期防滲性能變化規(guī)律的研究；但是，當(dāng)滲透溶液中重金屬離子濃度較低時（重金屬濃度<0.01 mol/L），則不能使用自由膨脹量和液限測定試驗來代替滲透試驗進行GCL長期防滲性能變化規(guī)律研究；在這種情況下，為得到真實的結(jié)果，必須進行滲透系數(shù)測定試驗。

3 結(jié) 論

1）在自由膨脹和液限試驗中，膨潤土的自由膨脹量和液限隨著重金屬溶液中離子濃度的增大而不斷減小。當(dāng)溶液中重金屬濃度在0.01 mol/L到0.1 mol/L之間變化時，自由膨脹量和液限的變化幅度較大；但當(dāng)重金屬離子濃度超過0.1 mol/L后，二者的變化幅度則很小。

2）在滲透試驗中，當(dāng)滲透溶液中重金屬離子濃度較低，如本試驗所用0.01 mol/L時，GCL的滲透系數(shù)并不會增大；但當(dāng)重金屬濃度超過此值時，GCL的滲透系數(shù)會出現(xiàn)了1～2個數(shù)量級的升高。

3）GCL滲透系數(shù)的變化趨勢與自由膨脹量和液限的變化趨勢之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系；當(dāng)滲透溶液中重金屬離子濃度超過0.02 mol/L時，可以利用膨潤土的自由膨脹量和液限變化趨勢對GCL的長期防滲性能做出合理的預(yù)判。

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（編輯 胡 玲）