滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土的膨脹與滲透特性

阮坤林,孫德安,傅賢雷

(上海大學(xué)土木工程系,上海200444)

膨潤土是一種主要由蒙脫石礦物組成的黏土,具有低滲透性,較強(qiáng)的吸附性、膨脹性、可塑性、結(jié)合力和陽離子交換能力[1],常被用在垃圾填埋場(chǎng)的襯墊、豎向隔離墻中以及計(jì)劃用作核廢料深地質(zhì)處置的緩沖材料.垃圾填埋場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生大量滲濾液,為了防止?jié)B濾液流出,垃圾填埋場(chǎng)底部常設(shè)黏土-膨潤土防滲材料[2-4],但在天然黏土缺乏地區(qū),可采用膨潤土摻砂混合土代替[5].垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)部溫度較高,防滲材料容易產(chǎn)生裂隙,導(dǎo)致滲濾液的滲漏.加入一定比例的砂能夠較好地提高膨潤土的熱傳導(dǎo)性而不顯著降低膨潤土的抗?jié)B能力.

Granthama等[6]在垃圾填埋場(chǎng)中使用膨潤土與砂襯墊層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明膨潤土摻砂混合土的滲透性滿足要求;Chapuis[7]利用室內(nèi)試驗(yàn)預(yù)測(cè)了膨潤土摻砂混合土作為襯墊層的滲透性能,證明其滲透性能滿足要求;Demdoum等[8]研究了分別利用水和滲濾液作為液相介質(zhì)時(shí),膨潤土、鈣質(zhì)砂以及凝灰?guī)r混合物的滲透特性.在實(shí)際工程中,膨潤土摻砂混合土與滲濾液有直接接觸.因此,在膨潤土及其摻砂混合土滲透性的研究中,如果使用真實(shí)滲濾液作為飽和液體就更加準(zhǔn)確.

Sari等[9]分別利用水和配制的模擬滲濾液飽和了膨潤土防水毯(geosynthetic clay liner,GCL),研究2種液體飽和膨潤土防水毯的膨脹變形和膨脹力;ren等[10]研究了滲濾液飽和下壓實(shí)膨潤土的膨脹特性;Kolstad等[11]利用多物種無機(jī)溶液,對(duì)膨潤土防水毯進(jìn)行飽和,研究其膨脹及滲透性能;蔣江紅等[12]采用純水作為飽和液體,研究了溫度對(duì)膨潤土膨脹性能的影響.在垃圾填埋場(chǎng)中,液體飽和混合土膨脹后,能夠有效堵塞空隙,并且能夠愈合墊層之間可能產(chǎn)生的裂縫.當(dāng)滲濾液作為飽和液體時(shí),有關(guān)溫度對(duì)膨潤土摻砂混合土膨脹性能的研究還很少,并且溫度對(duì)膨脹性能的影響較大,因此有必要開展此研究.

本工作以垃圾填埋場(chǎng)中膨潤土作為襯墊材料使用為背景,分別使用滲濾液和純水作為飽和液體,比較2種液體飽和混合土的力學(xué)性能.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,城市生活垃圾填埋場(chǎng)中襯墊溫度能達(dá)到30～40?C[13].因此,本工作首先在32?C下用純水和滲濾液飽和混合土,在豎向壓力為50 kPa的條件下,進(jìn)行有荷膨脹試驗(yàn),然后利用固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù).同時(shí),為研究溫度對(duì)滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土的影響,分別在10?C和20?C的條件下,進(jìn)行了相同試驗(yàn).利用變水頭試驗(yàn),在32?C下用滲濾液作為飽和液體測(cè)試滲透系數(shù),對(duì)比2種方法測(cè)量的滲透系數(shù).

1 試驗(yàn)材料

本工作所用膨潤土取自新疆奇臺(tái)縣,為鈉基膨潤土;所用砂為福建標(biāo)準(zhǔn)砂,考慮到膨脹試樣的厚度只有10 mm,剔除粒徑大于0.5 mm的顆粒,故試驗(yàn)用的是細(xì)砂.膨潤土和篩選后標(biāo)準(zhǔn)砂的物理指標(biāo)如表1所示.本工作飽和滲透試驗(yàn)用的液體為滲濾液和純水2種.滲濾液為無錫桃花山垃圾填埋場(chǎng)廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)取來的滲濾液原液,滲濾液水質(zhì)指標(biāo)如表2所示.經(jīng)檢驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)在國家質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi),符合選用標(biāo)準(zhǔn).為防止?jié)B濾液成分變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,滲濾液在試驗(yàn)使用之前已長時(shí)間靜置,以保證其成分在試驗(yàn)期間保持穩(wěn)定.而純水采用不含有陽離子和有機(jī)物的去離子水.

表1 膨潤土和砂的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical property of bentonite and sand

表2 試驗(yàn)用滲濾液成分及其質(zhì)量濃度Table 2 Ingredient of leachate and its concentrations

2 試樣制備

將膨潤土和砂放在105?C烘箱中,烘24 h后配樣.本工作參考了芮巍等[14]的研究,分別選取摻砂率為0%、30%和50%,摻砂率定義為砂土干質(zhì)量與土樣總干質(zhì)量之比.試樣目標(biāo)干密度為1.6 g/cm3,目標(biāo)含水率為18%,厚度為10.0 mm,直徑為61.8 mm.

3 試驗(yàn)方法

3.1 有荷膨脹

將壓制好的非飽和試樣置于固結(jié)儀上,施加1.0 kPa的豎向預(yù)壓力,讀取豎向位移表的數(shù)值,作為初始讀數(shù);分級(jí)加載至豎向壓力50 kPa,在非飽和狀態(tài)下固結(jié)穩(wěn)定后,向固結(jié)儀容器內(nèi)分別注入純水和滲濾液.為嚴(yán)格控制試驗(yàn)過程中的溫度,試驗(yàn)在恒溫恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行.

3.2 變水頭試驗(yàn)

配制同樣目標(biāo)含水率和干密度的不同摻砂率混合土,壓實(shí)制樣,在豎向壓力為100、200和400 kPa的作用下,用滲濾液作為滲透液相介質(zhì)進(jìn)行變水頭試驗(yàn),測(cè)定其滲透系數(shù).水管旁安置參考水管,作扣除蒸發(fā)量用.

3.3 固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù)

膨潤土的滲透系數(shù)很低,如果用常規(guī)滲透試驗(yàn)測(cè)量,試驗(yàn)時(shí)間就較長.本工作主要使用固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù),已有學(xué)者使用該方法測(cè)量膨潤土及其混合物的滲透系數(shù).Mishra等[15]利用該方法對(duì)各種膨潤土和黏土-膨潤土混合物的滲透系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量;Yamada等[16]利用該方法對(duì)名古屋黏土與砂或膨潤土混合料的滲透性進(jìn)行了研究.根據(jù)太沙基的1維固結(jié)理論,土的滲透系數(shù)為

式中:k為滲透系數(shù)(m/s);cv為固結(jié)系數(shù)(m2/s);mv為體積壓縮系數(shù)(m2/kN);γω為水的重度(kN/m3).

4 有荷膨脹變形與膨脹力

4.1 有荷膨脹試驗(yàn)變形

4.1.1 飽和液體的影響

膨潤土摻砂混合土的膨脹性能對(duì)其在垃圾填埋場(chǎng)中的應(yīng)用至關(guān)重要,膨脹性能決定了混合土出現(xiàn)裂縫時(shí)的自愈能力.采用膨脹率εs來評(píng)價(jià)膨脹性能:

式中:h0為制樣時(shí)試樣的高度;Δh為側(cè)限條件下膨脹時(shí)試樣高度與初始試樣高度之差.

圖1顯示在豎向壓力50 kPa作用下32?C時(shí)純水和滲濾液飽和混合土的膨脹率隨開始浸液體后的時(shí)間變化情況.從圖中可以看到,在相同摻砂率條件下滲濾液飽和的膨脹變形小;在膨脹試驗(yàn)初期,滲濾液飽和混合土?xí)r的膨脹速率比純水飽和的大.

最終膨脹率隨摻砂率變化關(guān)系如圖2所示.由圖可知,滲濾液作為飽和液體時(shí)膨潤土摻砂混合土的最終膨脹率,比純水作為飽和液體時(shí)要小得多.當(dāng)摻砂率為30%時(shí),純水飽和時(shí)的最終膨脹率約是滲濾液飽和的2倍.

圖2 最終膨脹率隨摻砂率變化Fig.2 Changes in final swelling rate changing with sand mixing rate

首先,在蒙脫石礦物中,一個(gè)較低價(jià)的正離子代替另一個(gè)較高價(jià)的正離子,造成正電荷不足,即負(fù)電荷過剩,過剩的負(fù)電荷由吸附在晶層表面的陽離子來補(bǔ)償[17].溶液中的陽離子被吸附在黏土顆粒附近,由于靜電吸引力的差異,黏土顆粒周圍的陽離子分布不均勻.越接近黏土顆粒表面,靜電吸引力越強(qiáng),陽離子質(zhì)量濃度越大.滲濾液中含有大量的胺鹽,而胺鹽中含有大量的有機(jī)陽離子.黏土對(duì)有機(jī)陽離子有強(qiáng)烈的偏好[17].

圖3為黏土表面胺鹽吸附作用示意圖.圖中有機(jī)陽離子代替原來存在于黏土表面上的陽離子吸附在黏土表面,直到所有交換位置都被胺鹽占據(jù),胺基牢牢地吸附水分子,此時(shí)黏土表面為碳?xì)滏I所覆蓋,水化作用變?nèi)?膨脹性也隨之變?nèi)?

圖3 黏土表面胺鹽吸附作用Fig.3 Adhesion of amine salt on clay surface

其次,膨潤土有極強(qiáng)的陽離子交換性,能和溶液中的陽離子發(fā)生置換反應(yīng).滲濾液中含有大量的Ca2+、Mg2+等金屬離子,當(dāng)這些金屬離子的質(zhì)量濃度達(dá)到一定程度時(shí),鈉基膨潤土中N+a會(huì)與其發(fā)生置換反應(yīng).根據(jù)Bradshaw等[18]的研究,當(dāng)用滲濾液飽和鈉基膨潤土?xí)r,超過80%的N+a會(huì)被Ca2+等陽離子給置換出來.這些置換反應(yīng)導(dǎo)致了雙層結(jié)構(gòu)的坍塌,蒙脫石礦物水化能力降低,進(jìn)而導(dǎo)致膨潤土顆?？梢员舜丝拷纬尚躞w,而絮體的增加使得膨脹能力減少.

同時(shí),由圖2可以發(fā)現(xiàn),用滲濾液和純水飽和混合土?xí)r的最終膨脹率以及二者的差,均隨摻砂量增大而減少,這與孫文靜等[19]研究得到的結(jié)果一致.混合土膨脹主要是由于膨潤土膨脹,摻砂量增大,使得膨潤土含量減少,飽和液體對(duì)混合土膨脹性的影響也隨之減小.

4.1.2 溫度的影響

在10?C和20?C時(shí),用滲濾液飽和不同摻砂率混合土的膨脹變形隨時(shí)間變化的情況如圖4所示.聯(lián)合圖1(b)和圖4可以發(fā)現(xiàn),在相同摻砂率條件下,溫度越高混合土的膨脹率越低,這與Villar等[20]和談云志等[21]的研究結(jié)果相同.

圖4 10?C和20?C時(shí)滲濾液飽和混合土的膨脹率隨時(shí)間變化Fig.4 Changes in swelling of mixtures saturated by leachate with time at 10?C and 20?C

溫度是影響膨潤土摻砂混合土膨脹的重要因素,在不同溫度下膨潤土摻砂混合土在滲濾液中飽和時(shí)的最終膨脹率隨摻砂率變化情況如圖5所示.圖中,隨著溫度降低混合土的最終膨脹率增大,這是因?yàn)闇囟壬呤沟梦接谕令w粒上的結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水.根據(jù)Villar等[20]的研究,膨潤土的膨脹性能主要由層間結(jié)合水引起,層間結(jié)合水的減少使得混合土膨脹變形減小;另外,根據(jù)何俊等[22]的研究,溫度升高使得在滲濾液作用下吸附結(jié)合水膜厚度顯著變薄.水膜厚度減小也是導(dǎo)致膨脹變形變小的一個(gè)重要原因.

圖5 不同溫度下滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土最終膨脹率隨摻砂率變化Fig.5 Changes in final swelling rate of mixtures with sand mixing rate saturated by leachate at different temperatures

4.2 膨脹力

膨脹力的測(cè)定主要有4種方法,分別為恒體積法、預(yù)膨脹法、零膨脹法和膨脹-壓縮法[23].本工作采用膨脹-壓縮法測(cè)定膨潤土摻砂混合土的膨脹力,即根據(jù)膨脹前試樣的初始孔隙比,在壓縮曲線時(shí)找到對(duì)應(yīng)孔隙比的荷載,此荷載即為膨脹力.

4.2.1 不同液體飽和時(shí)的膨脹力

圖6顯示了用純水和滲濾液飽和混合土的膨脹力隨摻砂率變化情況.由圖可知,低摻砂率時(shí)滲濾液飽和混合土的膨脹力比用水飽和的小;隨著摻砂率的增大,2種不同液體飽和混合土?xí)r膨脹力的差距減少;當(dāng)摻砂率為50%時(shí)2種液體飽和混合土的膨脹力幾乎相等.混合土的膨脹主要是由膨潤土的膨脹引起.當(dāng)摻砂率較低時(shí),混合土中膨潤土比較多,純水飽和混合土最終膨脹率比滲濾液飽和的大,膨脹完成時(shí)的孔隙比也就更大,壓縮到初始孔隙比的應(yīng)力(即膨脹力)就更大.之后隨著摻砂率的增大,2種液體飽和混合土的膨脹完成時(shí)的最終膨脹率差距不大,壓縮到初始孔隙比的應(yīng)力也就差不多.

圖6 膨脹力隨摻砂率變化(32?C)Fig.6 Changes in swelling pressure changing with sand mixing rate(32?C)

4.2.2 不同溫度下的膨脹力

圖7顯示了不同溫度下滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土?xí)r的膨脹力隨摻砂率的變化情況.圖中,混合土的膨脹力隨著溫度的升高而降低,這是由于隨溫度降低,混合土的最終膨脹率變大,最終孔隙比增大.當(dāng)孔隙比較大時(shí),壓縮到初始孔隙比的應(yīng)力(即膨脹力)也就增大.

圖7 不同溫度下滲濾液飽和不同摻砂率混合土的膨脹力隨摻砂率變化Fig.7 Changes in swelling pressure of bentonite and sand mixtures with sand mixing rate saturated by leachate at different temperatures

5 滲透系數(shù)

防滲襯墊系統(tǒng)除了需具有一定的強(qiáng)度和耐久性外,低滲透性是最重要的條件.用常規(guī)常水頭和變水頭試驗(yàn)方法測(cè)量膨潤土的滲透系數(shù)時(shí)間很長,因此本工作除使用變水頭試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量外,主要使用固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù).通常,城市生活垃圾填埋場(chǎng)中襯墊溫度在30～40?C,故選擇在32?C條件下對(duì)2種液體的滲透系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究;隨后,研究溫度對(duì)滲濾液飽和混合土滲透性能的影響;最后,在32?C條件下使用滲濾液作為飽和介質(zhì)進(jìn)行變水頭試驗(yàn),測(cè)量并比較2種方法測(cè)量得到的滲透系數(shù).

5.1 滲透液體對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖8顯示不同摻砂率混合土的2種液體滲透系數(shù)隨孔隙比的變化情況.圖中,純水和滲濾液分別用作滲透液體時(shí),混合土的滲透系數(shù)都隨著孔隙比的減少而減小,相近孔隙比下用水飽和混合土的滲透系數(shù)比用滲濾液飽和的滲透系數(shù)大一些.何俊等[22]利用配制的模擬滲濾液進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在相同圍壓和溫度條件下,模擬滲濾液飽和的混合土滲透系數(shù)比純水飽和的更大.本工作使用真實(shí)滲濾液進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在相同孔隙比條件下純水飽和混合土的滲透系數(shù)比滲濾液飽和的滲透系數(shù)要大,此試驗(yàn)結(jié)論與Demdoum等[8]、ren等[10]的研究結(jié)果相同.根據(jù)Rauen等[24]研究的不同滲濾液種類飽和液體,與純水作為飽和液體相比,滲透系數(shù)大小關(guān)系也有一定的差異.

圖8 不同摻砂率混合土的滲透系數(shù)隨孔隙比變化Fig.8 Changes in hydraulic conductivity of mixtures with different sand mixing rates with void ratio

膨潤土顆粒對(duì)有機(jī)鹽有較強(qiáng)的吸附作用,有機(jī)鹽大部分是有機(jī)懸浮物.滲透過程中有機(jī)懸浮物附著在土顆粒表面,有的甚至堵塞了土顆粒之間的孔隙,使膨潤土摻砂混合土的滲透系數(shù)變小.同時(shí),呈膠體狀的細(xì)小顆粒和微生物吸附著水分子,也使?jié)B透性減小[25].

5.2 溫度對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖9顯示了在不同豎向壓力下混合土的滲濾液滲透系數(shù)隨摻砂率和溫度的變化情況,圖中豎向壓力取加載前后壓力平均值.由圖9可知,對(duì)于相同摻砂率的混合土,滲濾液滲透系數(shù)隨溫度的升高而增大;隨著摻砂率增大,溫度對(duì)混合物的滲透系數(shù)增大;當(dāng)溫度從10?C增加到32?C時(shí),滲透系數(shù)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)變化,增大到了2～6倍.因?yàn)闇囟壬呤沟猛林薪Y(jié)合水膜變薄、自由水量增多,所以滲透系數(shù)增大.

圖9 不同溫度下滲濾液滲透系數(shù)隨摻砂率變化Fig.9 Changes in hydraulic conductivity of mixtures with sand mixing rates using leachate at different temperatures

5.3 不同測(cè)定滲透系數(shù)的方法比較

圖10為分別利用固結(jié)試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)測(cè)得的滲濾液作為飽和液體時(shí)混合土滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系.圖中,在相同孔隙比條件下固結(jié)試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)稍小于變水頭試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù),這與Shirazi等[26]的研究結(jié)果一致.正如Mesri等[27]所指出的,由于土骨架本身變形需要一定時(shí)間,而固結(jié)試驗(yàn)時(shí)土骨架會(huì)產(chǎn)生變形,故用固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定的滲透系數(shù)比變水頭試驗(yàn)法(土骨架不產(chǎn)生變形)測(cè)得的小.

通常,垃圾填埋場(chǎng)墊層滲透系數(shù)應(yīng)小于1.0×10?7cm/s[28].根據(jù)本研究結(jié)果,在不同液體、溫度以及試驗(yàn)方法的條件下,膨潤土摻砂混合土的滲透系數(shù)均小于此值,說明其滿足相關(guān)抗?jié)B要求,是一種較好的垃圾填埋場(chǎng)襯墊材料.

6 結(jié)論

本工作通過一系列的膨脹試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn),研究了不同溫度下膨潤土摻砂混合土分別在純水和滲濾液飽和下的膨脹和滲透特性,為膨潤土摻砂混合土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了參考數(shù)據(jù).

圖10 2種方法測(cè)定滲濾液滲透系數(shù)的比較Fig.10 Comparisons of two methods for determining the hydraulic conductivity using leachate

(1)滲濾液對(duì)膨潤土摻砂混合土的膨脹變形有較大的影響,相比于純水作為飽和液體,滲濾液飽和膨潤土摻砂混合土?xí)r,膨脹變形小得多,這是因?yàn)榕驖櫷霖?fù)電荷過剩對(duì)有機(jī)胺鹽有吸附作用.另外,陽離子置換會(huì)損壞雙層結(jié)構(gòu).

(2)當(dāng)摻砂率較低時(shí),滲濾液飽和混合土的膨脹力比純水飽和的小,當(dāng)摻砂率為50%時(shí)用滲濾液與純水飽和時(shí)混合土的膨脹力幾乎相同.溫度升高,混合土膨脹變形、膨脹力減小,這是由于層間結(jié)合水減少以及吸附結(jié)合水膜厚度顯著變薄.

(3)相近孔隙比下用水飽和混合土的滲透系數(shù)比用滲濾液飽和的稍大,主要是因?yàn)橛袡C(jī)懸浮物附著,使得滲透通道變小、堵塞.滲透系數(shù)隨溫度的升高而增大.

(4)相同孔隙比條件下,固結(jié)試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)略小于變水頭試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù),這主要是因?yàn)樵诠探Y(jié)試驗(yàn)時(shí)土骨架會(huì)產(chǎn)生變形,而由于土骨架本身變形需要一定時(shí)間,故在變水頭試驗(yàn)時(shí)土骨架不產(chǎn)生變形.