膨潤(rùn)土在危廢填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)粘土層改性中的應(yīng)用

胡開(kāi)亮 陳艷 翟志勇 黃顯雄 邵明忠 王慶

(1.上田環(huán)境修復(fù)有限公司 江蘇常州 213000； 2.光大環(huán)境修復(fù)(江蘇)有限公司 南京 211100)

0 引言

固體廢棄物填埋場(chǎng)分為柔性填埋場(chǎng)和剛性填埋場(chǎng)，在柔性填埋場(chǎng)工程設(shè)計(jì)中需采用水平防滲系統(tǒng)，防滲系統(tǒng)是固體廢棄物填埋場(chǎng)(包括生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)、一般工業(yè)固體廢棄物填埋場(chǎng)、危險(xiǎn)廢棄物填埋場(chǎng)等)發(fā)揮環(huán)保防滲功能的核心內(nèi)容之一[1-2]。因而填埋場(chǎng)中的防滲層至關(guān)重要，必須起到有效截留、阻滯滲濾液中污染物質(zhì)的作用，以保護(hù)填埋場(chǎng)周邊生態(tài)環(huán)境，其滲透系數(shù)必須滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求[3-4]。在各種類(lèi)型填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成中，壓實(shí)粘土是普遍應(yīng)用的保護(hù)材料，針對(duì)壓實(shí)粘土層，設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)規(guī)定其滲透系數(shù)的指標(biāo)要求。

在危廢填埋處置領(lǐng)域，根據(jù)《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598—2019)的要求[5]，在雙人工襯層的防滲結(jié)構(gòu)中，主、次襯層均應(yīng)具有滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm/s的粘土襯層。而一般情況下，填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)很難找到滿(mǎn)足上述要求的天然粘土，需要對(duì)粘土材料進(jìn)行改性，方可使其達(dá)到相關(guān)的指標(biāo)要求。本文通過(guò)對(duì)某危廢填埋場(chǎng)防滲工程采用膨潤(rùn)土進(jìn)行粘土改性研究和實(shí)踐應(yīng)用，旨在為類(lèi)似工程中膨潤(rùn)土改性粘土滿(mǎn)足滲透系數(shù)指標(biāo)要求提供參考。

1 基礎(chǔ)條件

某危廢填埋場(chǎng)防滲工程設(shè)計(jì)為雙人工襯層結(jié)構(gòu)，如表1所示，主襯層要求有厚度不小于0.3 m，且被人工改性、壓實(shí)等措施后的飽和滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm/s的粘土襯層；次襯層要求有厚度不小于0.5 m，且被人工改性、壓實(shí)等措施后的飽和滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm/s的粘土襯層。

表1 某危廢填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(從上至下)

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告中的巖層地層結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)，在勘察深度范圍內(nèi)，將場(chǎng)地土層劃分為5大層、6個(gè)亞層，各巖土工程地質(zhì)分層、埋深、巖性特征及空間分布如表2所示。

表2 巖層結(jié)構(gòu)及巖土特征 單位：m

根據(jù)地勘資料，本工程防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的粘土層可選取的天然材料為粉質(zhì)粘土，其滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為1.2×10-6～6.0×10-5cm/s。

2 粘土改性方案

膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產(chǎn)材料，按蒙脫石可交換陽(yáng)離子的含量、種類(lèi)和電荷大小，膨潤(rùn)土可分為鈣基膨潤(rùn)土(堿性土)、鈉基膨潤(rùn)土(堿性土)和天然漂白土(酸性土或酸性白土)，其中鈣基膨潤(rùn)土又涵蓋了鈣鈉基和鈣鎂基等。

我國(guó)膨潤(rùn)土礦產(chǎn)資源豐富，蘊(yùn)藏量世界排名第二。膨潤(rùn)土是一種廉價(jià)易得、應(yīng)用廣泛、效果明顯的工程材料，其防滲用途已在建筑工程、水利工程中得到廣泛應(yīng)用。鈉型膨潤(rùn)土吸水后體積會(huì)發(fā)生膨脹，可達(dá)原土的10～30倍，陽(yáng)離子交換容量為800～1 000 meq/kg，比一般粘土高出許多倍，因此在土壤中添加膨潤(rùn)土不但可以減少土壤的孔隙度，而且可以提高襯層吸附污染物的能力，從而降低其滲透性。

一般來(lái)說(shuō)，粘土系阻截材料的滲透性能隨著膨潤(rùn)土摻量的增大而減小，但存在最優(yōu)值，高于此值后，滲透系數(shù)不再顯著降低。劉陽(yáng)生等[6]研究了鈉基膨潤(rùn)土摻加量對(duì)粘土阻截性能和滲透系數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)膨潤(rùn)土含量較低時(shí)，隨著膨潤(rùn)土含量的增加，其滲透系數(shù)下降很快；但當(dāng)膨潤(rùn)土含量超過(guò)6%～7%后，繼續(xù)增加膨潤(rùn)土含量，其滲透系數(shù)下降不明顯。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鈉基膨潤(rùn)土摻加量對(duì)粘土系阻截性能和滲透性的影響研究得到的結(jié)論基本一致，最優(yōu)值一般為5%～7%。

因此在本工程中，采用膨潤(rùn)土作為粘土改性材料，所用膨潤(rùn)土為鈉基膨潤(rùn)土(以下簡(jiǎn)稱(chēng)膨潤(rùn)土)。改性步驟如下，具體改性流程如圖1所示。

(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)篩選出的粘土(后稱(chēng)原土)取樣送專(zhuān)業(yè)巖土實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)取得最優(yōu)含水率、最大干容重等參數(shù)后，檢測(cè)原土的滲透系數(shù)。

(2)根據(jù)原土的滲透系數(shù)，進(jìn)行膨潤(rùn)土摻入量的試驗(yàn)：按照不同摻入量進(jìn)行多組試驗(yàn)，分別檢測(cè)含水率、干容重、滲透系數(shù)等參數(shù)。

(3)在多組試驗(yàn)中，分析壓實(shí)度、膨潤(rùn)土摻量等對(duì)材料及施工綜合成本的影響，計(jì)算得出性?xún)r(jià)比相對(duì)更高的方案，即找到膨潤(rùn)土摻量和壓實(shí)度的最優(yōu)結(jié)合點(diǎn)，使其既滿(mǎn)足滲透系數(shù)要求，又能最大程度節(jié)約材料及拌合、攤鋪、壓實(shí)成本。

(4)根據(jù)上述試驗(yàn)得出相關(guān)參數(shù)后，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)驗(yàn)段步驟。

圖1 粘土改性流程

3 應(yīng)用情況及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本工程場(chǎng)區(qū)開(kāi)挖的天然粘土通過(guò)攤鋪、壓實(shí)后，取樣檢測(cè)壓實(shí)度和滲透系數(shù)，壓實(shí)度檢測(cè)采用環(huán)刀法，滲透系數(shù)檢測(cè)采用變水頭滲透試驗(yàn)法，檢測(cè)結(jié)果顯示滲透系數(shù)為3.6×10-7cm/s，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。具體檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 壓實(shí)天然粘土檢測(cè)結(jié)果

粘性黃土的滲透系數(shù)可達(dá)10-6cm/s數(shù)量級(jí)[7]，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，摻加一定量的鈉基膨潤(rùn)土后，其滲透系數(shù)可降低至10-7cm/s數(shù)量級(jí)，膨潤(rùn)土性能指標(biāo)如表4所示。本工程現(xiàn)場(chǎng)天然粘土的滲透系數(shù)已接近設(shè)計(jì)要求，結(jié)合上述相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究情況，確定本工程分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、3%、4%、5%、6%、7%的膨潤(rùn)土摻量作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，取樣檢測(cè)其滲透系數(shù)，如表5和圖2所示。

表4 膨潤(rùn)土性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表5 膨潤(rùn)土不同摻量下粘土性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

圖2 膨潤(rùn)土摻量與滲透系數(shù)和含水率的關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用各項(xiàng)性能指標(biāo)合格的鈉基膨潤(rùn)土摻入天然粘土，其摻量為4%、壓實(shí)度不小于94%時(shí)，檢測(cè)滲透系數(shù)達(dá)到0.9×10-7cm/s，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。摻量增大至5%、6%、7%，其滲透系數(shù)下降不明顯?？紤]到工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中可能存在的拌合、壓實(shí)均勻性的影響，實(shí)際施工確定的膨潤(rùn)土摻量為5%(實(shí)測(cè)滲透系數(shù)為0.8×10-7cm/s)?，F(xiàn)場(chǎng)膨潤(rùn)土拌合及粘土層攤鋪壓實(shí)如圖3、圖4所示。

圖3 膨潤(rùn)土拌合

圖4 粘土層攤鋪壓實(shí)

4 結(jié)語(yǔ)

在本工程實(shí)踐中，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的粉質(zhì)粘土雖不能滿(mǎn)足滲透系數(shù)指標(biāo)要求，但經(jīng)摻入鈉基膨潤(rùn)土改性后可達(dá)到指標(biāo)要求。相比外購(gòu)合格的土源需要高昂的購(gòu)?fù)良斑\(yùn)輸費(fèi)用，就地取土摻入膨潤(rùn)土進(jìn)行改性?xún)H增加膨潤(rùn)土材料及拌合作業(yè)費(fèi)用，粘土土源無(wú)需付費(fèi)，總體費(fèi)用滿(mǎn)足工程費(fèi)用控制目標(biāo)，綜合比較，節(jié)約了一筆可觀(guān)的工程費(fèi)用。

因各地天然粘土性能差異，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)能采購(gòu)到的膨潤(rùn)土材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)段的方法驗(yàn)證膨潤(rùn)土摻量與能達(dá)到滲透系數(shù)的關(guān)系，選取經(jīng)濟(jì)合理的膨潤(rùn)土摻量參數(shù)和粘土攤鋪碾壓的施工參數(shù)，以達(dá)到最佳的工程實(shí)施效果。

綜上所述，本工程采用的膨潤(rùn)土改性粘土方案技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，是一套較為理想的實(shí)施方案，對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考意義。