堿激發(fā)礦粉-膨潤土豎向阻隔屏障在某風(fēng)險阻控工程中的應(yīng)用

倪 浩 范日東 劉登峰 宋德君 杜延軍 劉文亮

(1 東南大學(xué)巖土工程研究所， 南京211189)(2 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海201620)(3 北京中巖大地科技股份有限公司， 北京100000)

針對工業(yè)污染場地潛在和已有的土、水污染問題，《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011—2020)》《土壤污染防治行動計劃》《中華人民共和國土壤污染防治法》等一系列法律法規(guī)均推薦基于風(fēng)險阻控的污染場地修復(fù)技術(shù).其中，豎向阻隔技術(shù)作為一種將污染物隔離、阻斷的手段，被《污染地塊土壤環(huán)境管理辦法》列為四大風(fēng)險管控措施之一.豎向阻隔技術(shù)根據(jù)材料類型可分為2大類：剛性豎向阻隔屏障和柔性豎向阻隔屏障，前者包括水泥系(水泥土、原位土-水泥-膨潤土等)、水泥系與土工膜復(fù)合、塑性混凝土等材料，后者包括膨潤土系(原位土-膨潤土)、膨潤土系-土工膜復(fù)合等材料[1].歐、美、日等于20世紀(jì)70年代已在工業(yè)污染場地進(jìn)行豎向阻隔工程實踐，其中美國多使用膨潤土系材料，英國等歐洲國家則大多采用水泥系材料[2].我國目前豎向阻隔工程中使用的材料以塑性混凝土和水泥為主，工程背景多用于垃圾填埋場的防滲墻和地下工程的防滲帷幕等.

長三角地區(qū)污染場地多分布在沿江、沿海，該地區(qū)地下水中硫酸鹽含量普遍偏高.已有研究[3-4]表明，水泥系材料容易在硫酸鹽環(huán)境下發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致豎向阻隔屏障表面空洞增加，滲透性能降低.而膨潤土系材料對場地要求嚴(yán)格且無抗壓強度.針對此，伍浩良等[2,5-6]研發(fā)了以?；郀t礦粉(GGBS)、活性氧化鎂(MgO)和膨潤土為成分的新型豎向阻隔材料(MSB)，以解決抗腐蝕和強度問題.一系列室內(nèi)試驗證明MSB豎向阻隔屏障材料和易性能良好，養(yǎng)護(hù)28 d無側(cè)限抗壓強度qu>100 kPa，在自來水和污染液作用下滲透系數(shù)k≤10-7cm/s，且在硫酸鹽作用下，MSB仍保持較高的無側(cè)限抗壓強度[6].

基于此，本文在某農(nóng)藥廠污染場地風(fēng)險阻控工程的依托下，采用2種施工工藝對MSB豎向阻隔材料進(jìn)行工程應(yīng)用.對施工后屏障進(jìn)行取芯，通過芯樣的表觀特征分析、室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗和滲透試驗，研究MSB材料在2種工藝施工條件下強度和滲透性能變化規(guī)律，為類似污染場地豎向阻隔工程實施提供重要技術(shù)依據(jù).

1 工程概況

該工程位于江蘇省某在產(chǎn)農(nóng)藥廠內(nèi)，場地污染調(diào)查結(jié)果表明，場地內(nèi)土壤主要污染物為甲苯、乙苯、氯乙烯、1，2-二氯乙烷等，污染深度4～20 m；地下水中污染物主要為1, 2-二氯乙烷，最大污染深度23 m.為防止污染物遷移至地表水和地下水，沿河流周邊使用高壓旋噴注漿法和深層攪拌法建造周長659 m、深度25 m、側(cè)面積16 478.1 m2的豎向阻隔屏障，屏障平面位置見圖1.選取MSB材料作為施工所用屏障材料.英國土木工程師學(xué)會(ICE)[7]在水泥-膨潤土豎向阻隔屏障技術(shù)指南中提出，該類材料在工后時間90 d時要求屏障的滲透系數(shù)k≤10-7cm/s；在工后時間28 d時要求qu≥100 kPa.該工程以此作為評價屏障阻隔性能優(yōu)良的指標(biāo).

圖1 豎向阻隔屏障位置及CPTU原位測試點平面示意圖

1.1 場地條件

場地所在區(qū)域地貌類型為濱海相沉積平原區(qū)，場地地層位于揚子地層區(qū)東部，基巖由中元古界海州群及張八嶺區(qū)域變質(zhì)巖系組成，中生界地層發(fā)育較完全，上第三系地層有分布，第四系以海相、三角洲相地層為主.為明確場地土層特性，對阻隔屏障附近原位土進(jìn)行孔壓靜力觸探(CPTU)，實測錐尖阻力qc、側(cè)壁摩阻力fs和孔隙水壓力u等參數(shù)，以直觀反映土類變化情況[8].Robertson[9]建議采用Qt1-Fr分類圖進(jìn)行土性分類，并提出基于土類指數(shù)Ic的土類劃分圖(見圖2).土類指數(shù)Ic定義為

式中，Qt1=(qt-σv0)/σ′v0為歸一化錐尖阻力；Fr=[fs/(qt-σv0)]×100%為歸一化摩阻比；σv0為總上覆土壓力；σ′v0為原位有效上覆應(yīng)力；qt=qc+(1-α)u為經(jīng)孔壓修正的錐尖阻力，α為探頭面積比.其中，Ic<1.31為砂礫(7分區(qū))、1.313.60為有機質(zhì)土(2分區(qū)).鑒于8、9分區(qū)是基于Qt1-Fr圖分類的，其與土類指數(shù)Ic無關(guān)，因此本文僅針對2分區(qū)～7分區(qū)進(jìn)行討論.

由圖2可知，在土層深度0～2.00 m數(shù)據(jù)較為分散，在3分區(qū)～6分區(qū)均有存在；2.00～5.00 m數(shù)據(jù)集中在4、5分區(qū)；5.00～20.65 m數(shù)據(jù)集中在5、6分區(qū)；20.65～26.70 m數(shù)據(jù)集中在2、3分區(qū).因此,25 m深度范圍內(nèi)原位土層自上而下可劃分為：雜填土(0～2.00 m)、砂質(zhì)粉土(2.00～5.00 m)、粉砂(5.00～20.65 m)、粉質(zhì)黏土(20.65～26.70 m).各層土體基本特性如表1所示，表中，ω為含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，e為孔隙比，γ為天然重度，Sr為飽和度，kh為水平滲透系數(shù).

圖2 利用Robertson分類法對CPTU數(shù)據(jù)進(jìn)行分類[9]

表1 場地土層基本物理特性指標(biāo)

1.2 施工工藝

豎向阻隔屏障材料選取MSB材料和一種親水性聚合物材料，其中?；郀t礦粉取自當(dāng)?shù)劁撹F廠，其7 d活性指數(shù)為78，密度為2.84 g/cm3, 比表面積為405 m2/kg，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 0.14%.膨潤土選取鈉化改性鈣基膨潤土，其蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.5%(干重比)，小于200目質(zhì)量分?jǐn)?shù)86%，膨脹指數(shù)為13.0 mL/(2g)；氧化鎂選自當(dāng)?shù)啬硰S家，其中活性氧化鎂含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為80%，活性為50.根據(jù)室內(nèi)滲透試驗和強度試驗結(jié)果，MSB材料和親水性聚合物材料干重之和占混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)選取15%或以上，水灰質(zhì)量比為1.0～1.8.采用混合攪拌的方法進(jìn)行現(xiàn)場屏障材料制備，具體步驟為：將膨潤土和親水性聚合物與GGBS進(jìn)行混合攪拌(一級攪拌)，攪拌過程中添加MgO再次混合攪拌(二級攪拌)，之后過濾及攪拌(三級攪拌)，攪拌時間約5 min，當(dāng)漿液均勻、無團聚顆粒時即認(rèn)為屏障材料制備完成.

采用深層攪拌法和高壓旋噴注漿法進(jìn)行施工.施工過程除滿足《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[10]有關(guān)規(guī)定外，針對MSB此類材料選定以下施工參數(shù)進(jìn)行施工：①對于深層攪拌法，攪拌樁樁徑850 mm，樁間距600 mm，二攪二噴；垂直度偏差不超過1%，搭接和施工設(shè)備垂直度的補正依靠重復(fù)套打來實現(xiàn)；在噴攪下沉?xí)r，鉆進(jìn)下沉速度不超過0.4 m/min，噴攪下沉到設(shè)計深度后，在樁端攪拌噴漿30 s后勻速攪拌提升，提升速度不大于0.8 m/min.②對于高壓旋噴注漿法，采用搭接打法，搭接350 mm，注漿壓力為25～30 MPa，鉆桿提升速度為15～20 cm/min.

2 現(xiàn)場試驗結(jié)果

2.1 現(xiàn)場取樣

采用GXY-1型巖芯鉆機，在距樁中心10 cm位置進(jìn)行鉆孔取樣.在高壓旋噴注漿法和深層攪拌法施工所形成屏障處各選取3個點位進(jìn)行取樣，取樣深度為0～25 m(見圖1)，芯樣結(jié)果如圖3所示.鉆芯結(jié)束后，鉆孔采用MSB漿液回灌封閉，取樣要求參考《水泥土試驗方法》(DGJ 32/TJ 154—2013)[11].通過芯樣的表觀特征分析、巖芯強度試驗等進(jìn)行綜合判斷，分析2種工藝的施工效果.豎向阻隔屏障取樣完整性評價標(biāo)準(zhǔn)參考《工業(yè)污染場地豎向阻隔技術(shù)規(guī)范》(HG/T 20715—2020)[12].由圖3可知，高壓旋噴1#點位芯樣局部松散，膠結(jié)一般，完整性欠佳，屬較差等級；其余芯樣取樣堅硬，均呈柱狀，連續(xù)性和完整性均較好，屬良好等級.這表明2種施工工藝均實現(xiàn)了MSB材料的均勻攪拌，屏障完整性較好.

(a) 高壓旋噴1#

(c) 高壓旋噴2#

(e) 高壓旋噴3#

2.2 無側(cè)限抗壓強度

對不同深度的試樣(共27個)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗.試驗按照ASTM D2166[13]規(guī)范測定，試驗設(shè)備采用CBR-2型承載比試驗儀，并搭配壓力及位移傳感器，控制軸向應(yīng)變速率為1%/min.工后時間和屏障深度對豎向阻隔屏障無側(cè)限抗壓強度的影響如圖4所示.由圖可以看出，采用高壓旋噴注漿施工工藝，工后40～70 d屏障無側(cè)限抗壓強度在1.6～2.6 MPa之間.采用深層攪拌施工工藝，工后40～65 d屏障無側(cè)限抗壓強度在1.8～2.5 MPa之間，兩者均滿足無側(cè)限抗壓強度要求(qu≥100 kPa).MSB材料能夠提供強度的原因是MgO與水發(fā)生反應(yīng)生成Mg(OH)2.而GGBS能在該堿性環(huán)境下發(fā)生水化反應(yīng)，反應(yīng)生成水合硅酸鹽、類沸石礦物以及大量水滑石類水化物(Mg6Al2(CO3)(OH)16·4H2O)，其中水合硅酸鹽和水滑石類化合物均能填充土體孔隙，最終提高屏障強度[6].

高壓旋噴注漿施工后屏障在淺部范圍內(nèi)(0～15 m)，隨著取樣深度增加無側(cè)限抗壓強度增大.但在屏障深部范圍(15～25 m)，工后40和65 d的屏障無側(cè)限抗壓強度減小(見圖4(a))，原因可能是：在屏障淺部，隨著深度增大屏障孔隙度和密度均減小，使屏障更加密實，從而導(dǎo)致屏障無側(cè)限抗壓強度的增加；而在屏障深部，由于上覆應(yīng)力的增加，施工難度增大，導(dǎo)致深部屏障攪拌相對不均勻，最終使得深部屏障無側(cè)限抗壓強度的減小.此外，隨著時間的推移(工后40～70 d)，屏障無側(cè)限抗壓強度將逐漸增加.圖4(b)顯示深層攪拌法施工后屏障的無側(cè)限抗壓強度隨著時間的增加而增大.工后65 d相對40 d，屏障的無側(cè)限抗壓強度增加幅度為5%～13%，原因可能是GGBS材料在堿性環(huán)境下形成水化產(chǎn)物的過程緩慢，導(dǎo)致MSB材料強度隨著時間增長而緩慢增加.因此在所測試工后時間內(nèi)，MSB墻體強度可能并未達(dá)到穩(wěn)定，屏障強度有可能將隨著時間的推移進(jìn)一步增加.

(a) 高壓旋噴

(b) 深層攪拌

2.3 滲透系數(shù)

取32組試樣進(jìn)行剛性壁滲透試驗，滲透溶液為自來水，測定該自來水pH值和電導(dǎo)率(EC)分別為7.41和224 μS/cm，試驗步驟參考《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)[14].圖5給出了2種工藝施工的豎向阻隔屏障在工后40～83 d，屏障滲透性能與取樣深度的關(guān)系.由圖可知，采用高壓旋噴注漿施工工藝，屏障滲透系數(shù)為5.0×10-8～9.0×10-8cm/s；而采用深層攪拌施工工藝，屏障滲透系數(shù)為4.5×10-8～9.0×10-8cm/s.以上結(jié)果表明，使用這2種施工工藝，屏障滲透系數(shù)均可小于1×10-7cm/s，滿足ICE關(guān)于該類材料工后時間90 d時滲透系數(shù)的要求.MSB材料滲透系數(shù)較低的原因在于材料中所含膨潤土可吸水膨脹，進(jìn)而減小溶液在土體中的流通孔隙，同時GGBS的水化反應(yīng)能生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，促使土顆粒之間更加緊密，兩部分共同作用使得MSB材料具有較低的滲透系數(shù).

(a) 高壓旋噴

(b) 深層攪拌

同時圖5表明，相同時間條件下，使用高壓旋噴注漿和深層攪拌工藝施工，屏障滲透系數(shù)隨深度變化不大，表明2種工藝施工的屏障均一性較好；且在相同深度下，使用高壓旋噴注漿施工工藝，屏障滲透系數(shù)隨時間并無特定規(guī)律；而使用深層攪拌施工工藝，屏障滲透性能在工后40和65 d無明顯差別，然而工后83 d 屏障滲透系數(shù)有明顯減小，減小幅度為21%～36%.這與無側(cè)限抗壓強度結(jié)果一致，即可認(rèn)為所取樣時間內(nèi)屏障的水化反應(yīng)仍在持續(xù)進(jìn)行.可以預(yù)判，隨水化過程的繼續(xù)發(fā)展，屏障孔隙度和密度將分別不斷減小和增加，以使得屏障更加緊密，最終屏障滲透系數(shù)將繼續(xù)降低.

3 討論

英國常見的剛性屏障材料為水泥-膨潤土(CB)，其滲透系數(shù)一般在10-5～10-6cm/s.為獲得更為優(yōu)越的防滲性能，工程上經(jīng)常摻入粒狀高爐礦粉以替代部分水泥形成爐渣-水泥-膨潤土阻隔屏障(Slag CB)，由此滲透系數(shù)一般可小于10-7cm/s[15].已有原位和室內(nèi)試驗研究[16-18]表明，水泥系豎向阻隔屏障材料滲透系數(shù)取決于膠結(jié)材料(水泥、礦粉)和膨潤土共同作用.將膠結(jié)材料與屏障中水的質(zhì)量之比定義為膠結(jié)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，比較CB、Slag CB和MSB間膠結(jié)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與滲透系數(shù)間的相互關(guān)系(見圖6).由圖6可以看出，這3類材料的防滲性能均隨工后時間的增加而增強.此外可以發(fā)現(xiàn)，除Evans[16]針對Slag CB設(shè)計了膠結(jié)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)34.12%外，所統(tǒng)計范圍內(nèi)膠結(jié)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.63%～23.54%之間，其中MSB可在較低膠結(jié)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)(13.16%)時維持低滲透系數(shù)(10-8～10-7cm/s)，表現(xiàn)出更為優(yōu)越的防滲性能.

圖6 豎向屏障材料滲透系數(shù)與膠結(jié)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖

Joshi等[19]研究發(fā)現(xiàn)，CB、Slag CB屏障材料在硫酸鹽作用下滲透特性將發(fā)生明顯變化.而伍浩良[6]研究表明：在30 mmol/L Na2SO4、Pb-Zn(含質(zhì)量濃度0.1 mg/L Pb、5 mg/L Zn)復(fù)合溶液作用下，相同工后時間(齡期)MSB屏障材料滲透系數(shù)較CB、Slag CB材料低1～2個數(shù)量級，但目前沒有文獻(xiàn)表明農(nóng)藥污染場地特征污染物作用對MSB屏障滲透系數(shù)有影響.因此，下一步將著重于開展原位壓水試驗和室內(nèi)污染物作用下滲透特性試驗研究，分析不同工后時間條件下MSB屏障原位和室內(nèi)滲透系數(shù)，以此明確特征污染物對MSB滲透系數(shù)的影響.

4 結(jié)論

1)采用三級攪拌工藝制備屏障材料，確保膨潤土水化及摻量控制.施工工藝為深層攪拌法和高壓旋噴注漿法，樁徑850 mm.取芯結(jié)果表明，2種施工工藝均實現(xiàn)了MSB材料的均勻攪拌，屏障完整性較好.

2)工后40～70 d，無側(cè)限抗壓強度為1.6～2.6 MPa，滿足工程的強度要求.高壓旋噴注漿工藝施工屏障的無側(cè)限抗壓強度隨著時間的增加而增大.屏障0～15 m范圍，無側(cè)限抗壓強度隨深度增加而增大，屏障深部(15～25 m)無側(cè)限抗壓強度有所降低.深層攪拌法施工屏障的無側(cè)限抗壓強度隨時間的增長，增大幅度為5%～13%.

3)室內(nèi)滲透試驗表明，自來水滲透作用下屏障滲透系數(shù)為4.5×10-8～9.0×10-8cm/s，滿足防滲要求.此外，2種施工工藝所形成屏障的滲透系數(shù)均未隨深度出現(xiàn)明顯變化.

4)不同工后時間條件下，MSB屏障原位壓水試驗和室內(nèi)污染物作用下滲透特性試驗需進(jìn)一步進(jìn)行研究，以明確特征污染物對MSB滲透系數(shù)的影響.