基于常規(guī)三軸試驗(yàn)PBFC防滲漿材破壞形態(tài)機(jī)理分析

盛炎民，代國(guó)忠，李書進(jìn),2

(1.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，常州 213032；2.中鐵藍(lán)焰構(gòu)件有限公司，常州 213032)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，伴隨而來的是數(shù)以億噸計(jì)的日常生活垃圾，面對(duì)大量的生活垃圾，當(dāng)前許多城市選擇衛(wèi)生填埋的方式進(jìn)行處置，由此產(chǎn)生一種新的污染物—垃圾滲濾液。垃圾滲濾液當(dāng)中BOD5、COD以及重金屬離子等成分是其主要污染成分，且相較于其它成分含量較高[1-2]。垂直防滲墻就是在這種情況下產(chǎn)生的，其作用主要是為防止?jié)B濾液向垃圾填埋場(chǎng)周圍地下水及地層擴(kuò)散和遷移，保持垃圾填埋場(chǎng)周圍水土生態(tài)環(huán)境保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)前一般以壓力灌漿法、高壓噴射注漿法和深層攪拌注漿法三種方法進(jìn)行垂直防滲墻體的澆筑[3]。建造垂直防滲墻一般以水泥、膨潤(rùn)土及粉煤灰為主要成分，同時(shí)，在不同的垂直防滲墻應(yīng)用環(huán)境下可以添加不同的外加劑來調(diào)節(jié)其各方面性能[4-5]。在垃圾填埋堆放過程中，垂直防滲墻不會(huì)承擔(dān)很大的豎向荷載，但會(huì)承受較大的水平荷載，由此會(huì)使得墻體會(huì)產(chǎn)生一定的水平位移，當(dāng)墻體水平位移與周圍土體水平位移不一致時(shí)，會(huì)使得墻體出現(xiàn)裂縫，影響墻體的正常使用功能，這要求垂直防滲墻與周圍的土體的彈性模量相似，以達(dá)到防滲墻的變形與周圍的土體變形相協(xié)調(diào)的目的[6-7]。經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，以水泥和土為主要成分制備的防滲墻體的彈性模量是適當(dāng)?shù)?50～80 MPa)，它的剛度與周圍的土體相似，其柔性較好且滲透系數(shù)較低，作用在墻面上的應(yīng)力分布均勻，墻體不易產(chǎn)生裂縫，適合垃圾填埋場(chǎng)防滲工程[8]。

為此，本文采用聚乙烯醇(PVA)為改性劑對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行有機(jī)化處理，配制出聚乙烯醇改性膨潤(rùn)土-粉煤灰-水泥防滲漿材(簡(jiǎn)稱PBFC防滲漿材，或稱之為漿材)，并探討漿材各組分對(duì)PBFC漿材抗剪強(qiáng)度的影響，為制備滿足垃圾填埋場(chǎng)垂直防滲工程設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器：漿材的抗剪強(qiáng)度主要采用三軸應(yīng)力應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)儀器如圖1所示。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)S試驗(yàn)儀及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
Fig.1 Stress-strain triaxial tester and control system

1.2 試驗(yàn)步驟

(1)在漿材攪拌均勻后30 min內(nèi)，將漿材倒入準(zhǔn)備好的模具中，模具直徑為61.8 mm，高度120 mm，在模具內(nèi)壁涂抹凡士林。然后將成型的試樣放在水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)試樣進(jìn)行裁切和整平。

(2)試樣養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，本文三軸試驗(yàn)采用不排水不固結(jié)試驗(yàn)(UU試驗(yàn))，試驗(yàn)過程采用按剪切速率進(jìn)行采樣，剪切速率為1 mm/min，采用單級(jí)加載的方式，最大剪切量為6 mm。應(yīng)力應(yīng)變?nèi)S試驗(yàn)儀在試驗(yàn)過程中會(huì)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)中，達(dá)到試驗(yàn)結(jié)束條件后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止試驗(yàn)。

(3)試驗(yàn)完成后，需關(guān)閉排水閥，卸載試樣周圍壓力，排除壓力缸內(nèi)的水，拆除試樣，切勿將試樣小顆粒散落在試驗(yàn)儀器的任何小孔上，拆除試樣后用毛巾將試驗(yàn)儀器擦干凈，導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 PBFC防滲漿材配制

2.1 PBFC防滲漿材的基本組成及制備

試驗(yàn)所用PBFC防滲漿材由膨潤(rùn)土、水泥、粉煤灰、聚乙烯醇等配制而成。膨潤(rùn)土為鈉基膨潤(rùn)土，水泥為P·O 42.5水泥，粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰。采用1788型聚乙烯醇作為膨潤(rùn)土的改性劑，對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行有機(jī)化處理。在改性后的膨潤(rùn)土中依次加入水泥、粉煤灰，然后加入適量的水稍微攪拌，然后將漿材用攪拌機(jī)攪拌10 min，至漿材均勻。

2.2 PBFC防滲漿材的試驗(yàn)方案

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以190 g/L膨潤(rùn)土，180 g/L粉煤灰，200 g/L水泥，2 g/L碳酸鈉，2 g/L聚乙烯醇，余之為水為基準(zhǔn)配比配制防滲漿材，分別改變水泥和膨潤(rùn)土摻量，測(cè)試不同配比防滲漿材的28 d抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)配比見表1。

3 結(jié)果與討論

3.1 防滲漿材的破壞機(jī)制

圖2和圖3顯示了防滲漿材在進(jìn)行三軸剪切時(shí)的破壞情況。

表1 PBFC防滲漿材的單因素試驗(yàn)配比Table 1 Single factor proportion of PBFC anti-seepage slurry

圖2 試塊發(fā)生典型剪切破壞
Fig.2 Typical shear destruction of test samples

圖3 試塊發(fā)生楔形與劈裂剪切破壞
Fig.3 Wedge and splitting shear destruction of test samples

如圖2所示，部分試塊的破壞為典型剪切破壞，即出現(xiàn)一條45°至60°傾角的剪切裂縫，裂縫貫穿試塊一端，將試塊分為兩部分。

如圖3所示，部分試塊的破壞類型為楔形與劈裂剪切破壞，豎向裂縫首先出現(xiàn)在試塊頂部，而后向下延申，使試塊產(chǎn)生劈裂剪切破壞，劈裂至試塊三分之一部位時(shí)產(chǎn)生斜向傾角裂縫，沿著這個(gè)裂縫又產(chǎn)生楔形破壞。

從材料的破壞機(jī)制來看，典型截切破壞與楔形及劈裂剪切破壞均有張拉裂縫產(chǎn)生，且裂縫形式具有自上而下的特點(diǎn)。張拉裂縫的主要產(chǎn)生原因是由于隨著豎向三軸應(yīng)力逐漸增大，由此產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力超過試塊抗拉強(qiáng)度，從而造成材料的破壞。

3.2 不同圍壓條件下防滲漿材的應(yīng)力應(yīng)變曲線

按照既定試驗(yàn)方案，應(yīng)對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的不同配比的PBFC防滲漿材試塊進(jìn)行圍壓為100 kPa，200 kPa和300 kPa的三軸抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)共獲得不同條件下應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)45組。圖4為漿材固結(jié)后在不同圍壓條件下，通過不固結(jié)不排水三軸抗壓試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系圖。

圖4 不同圍壓條件下漿固結(jié)體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain curves of slurry consolidation under different confining pressures

從圖4中的曲線可以看出，不同條件情況下硬化防滲漿材試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)基本相同的屈服方式。在屈服點(diǎn)的選取上，將第一次達(dá)到峰值并出現(xiàn)下降時(shí)的應(yīng)力作為該曲線對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力，極限應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值作為該曲線的極限應(yīng)變。以試驗(yàn)組B4為例，在不同圍壓狀態(tài)下，試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)隨著應(yīng)變的增大，試塊的應(yīng)力呈現(xiàn)先直線性增大，然后應(yīng)力下降再增大，最后保持平穩(wěn)的狀態(tài)，且在應(yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)，試樣達(dá)到其極限應(yīng)力值，可以得知，試塊的極限應(yīng)變值在0.5%～1.5%范圍內(nèi)。觀察其他試驗(yàn)組的關(guān)系曲線圖也可以得出在進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)時(shí)，防滲漿材試塊的極限應(yīng)變值在0.5%～1.5%范圍內(nèi)，此時(shí)可以認(rèn)為試塊已經(jīng)破壞，試塊應(yīng)力達(dá)到其極限應(yīng)力。

表2為防滲漿材的極限應(yīng)力(偏差應(yīng)力)及對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)變，其中極限應(yīng)力的部分作為繪制莫爾應(yīng)力圓并獲得抗剪強(qiáng)度參數(shù)的依據(jù)。

從表2可以看出，在進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)時(shí)，防滲漿材試塊的極限應(yīng)變值在0.5%～1.5%范圍內(nèi)，此時(shí)可以認(rèn)為試塊已經(jīng)破壞，當(dāng)試塊達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為其極限應(yīng)力。由圖5可以看出，在不同的圍壓狀態(tài)下，隨著水泥摻量的增加，防滲漿材試塊的極限應(yīng)力值先增大后減小，當(dāng)水泥摻量為200 g/L時(shí)，防滲漿材試塊的極限應(yīng)力值達(dá)到最大值。隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，漿材試塊的極限應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

表2 防滲漿材力學(xué)性能參數(shù)(極限應(yīng)力，極限應(yīng)變及抗剪強(qiáng)度參數(shù))Table 2 Mechanical properties of anti-seepage slurry (ultimate stress, ultimate strain and shear strength parameters)

注：εpeak為試樣發(fā)生破壞時(shí)的極限應(yīng)變(%)；σ1-σ3為試樣發(fā)生破壞時(shí)的極限應(yīng)力(kPa)；C為試樣的黏聚強(qiáng)度(kPa)；φ為試樣的內(nèi)摩擦角(°)。

圖5 不同圍壓狀態(tài)下硬化漿材試塊的極限應(yīng)力隨水泥和膨潤(rùn)土摻量的變化
Fig.5 Changes of limit stress of hardened slurry under different confining pressure with the content of cement and bentonite

3.3 防滲漿材的硬化及破壞機(jī)理

在防滲漿材的主要成分中，水泥和膨潤(rùn)土是決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵，因?yàn)椴牧系膹?qiáng)度主要來源于水泥和膨潤(rùn)土的硬化。本文制備的PBFC防滲漿材是一種自硬性膠凝材料。有研究表明當(dāng)水泥加入到膨潤(rùn)土中并倒入水后，水泥首先會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)。水泥中的硅酸三鈣(C3S)，硅酸二鈣(C2S)，鋁酸三鈣(C3A)及鐵鋁酸四鈣(CaAF)會(huì)與水發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成水化硅酸鈣膠體(CSH gel)，水化鋁酸鈣膠體(CAH gel)和氫氧化鈣(CH)等產(chǎn)物[9]。產(chǎn)物中的氫氧化鈣向溶液中釋放Ca2+和OH-。其中，游離的Ca2+會(huì)與鈉基膨潤(rùn)土中的Na+發(fā)生置換，形成鈣基膨潤(rùn)土，鈣基膨潤(rùn)土在分散性和膨脹系數(shù)上均弱于鈉基膨潤(rùn)土。這一系列的化學(xué)變化是導(dǎo)致材料發(fā)生絮凝的原因。于此同時(shí)，水泥水化反應(yīng)釋放出的OH-使泥漿的pH值升高。使得膨潤(rùn)土內(nèi)部的二氧化硅(SiO2)和三氧化二鋁(Al2O3)成分向外溶解。這些SiO2和Al2O3會(huì)與水泥水化產(chǎn)生的CH繼續(xù)反應(yīng)，從而在膨潤(rùn)土表面再次凝聚形成CSH和CAH膠體，從而加強(qiáng)了各微粒之間的粘結(jié)性，這一反應(yīng)又被稱為火山灰反應(yīng)。

隨著水泥和膨潤(rùn)土用量的增加，水泥的水化反應(yīng)及與膨潤(rùn)土凝聚反應(yīng)使得試塊內(nèi)部的粘結(jié)作用增強(qiáng)，從而使得試塊的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。但是隨著水泥摻量進(jìn)一步增加，在水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量Ca2+會(huì)導(dǎo)致膨潤(rùn)土向鈣基膨潤(rùn)土轉(zhuǎn)化，從而膨潤(rùn)土的分散性和膨脹性變差，導(dǎo)致材料內(nèi)部的粘結(jié)作用降低，試塊的抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)膨潤(rùn)土摻量較少時(shí)，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，水泥水化產(chǎn)物CH與膨潤(rùn)土發(fā)生火山灰反應(yīng)生成CSH和CAH膠體，使得防滲漿材的抗剪強(qiáng)度有一定提高，而膨潤(rùn)土摻量進(jìn)一步增加，大量的Ca2+與鈉基膨潤(rùn)土中Na+發(fā)生離子置換作用，使得鈣基膨潤(rùn)土在防滲漿材的占比提高，從而導(dǎo)致防滲漿材的抗剪強(qiáng)度降低。

4 結(jié) 論

(1)防滲漿材試塊的剪切破壞形式主要有三種，典型剪切破壞、楔形剪切破壞和劈裂剪切破壞，這三種破壞形式主要是由于在加載圍壓狀態(tài)下加載軸向荷載使得材料內(nèi)部產(chǎn)生張拉應(yīng)力，當(dāng)張拉應(yīng)力達(dá)到材料內(nèi)部的極限抗拉應(yīng)力時(shí)，有張裂縫產(chǎn)生，試塊沿張裂縫方向而產(chǎn)生破壞。

(2)防滲漿材的極限應(yīng)變?cè)?.5%～1.5%范圍內(nèi)，且隨著水泥和膨潤(rùn)土用量的增加，水泥的水化反應(yīng)及與膨潤(rùn)土凝聚反應(yīng)使得試塊內(nèi)部的粘結(jié)作用增強(qiáng)，從而使得試塊的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。但是隨著水泥和膨潤(rùn)土摻量進(jìn)一步增加，試塊的抗剪強(qiáng)度降低。