溫度和塑料含量對(duì)垃圾土氣相滲透特性影響的試驗(yàn)研究

吳 珣 施建勇 李玉林 許高杰 劉路路 章 濤

(1 河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院, 南京 211100)(2 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210024)(3 東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 211189)(4 南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院, 南昌 330063)

填埋氣的運(yùn)移與填埋場(chǎng)氣體收集和控制[1]、覆蓋層的有效性[2]以及沉降變形[3]和邊坡穩(wěn)定[4]等密切相關(guān)，垃圾土的氣相滲透特性指標(biāo)是填埋場(chǎng)氣體運(yùn)移分析的關(guān)鍵參數(shù).

垃圾土氣相滲透系數(shù)的研究主要以室內(nèi)試驗(yàn)為主.彭緒亞等[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到垃圾土的氣相滲透系數(shù)隨著壓實(shí)密度的增加呈指數(shù)遞減，隨著含水率的增加呈線性遞減.Kallel等[6]利用氣相滲透儀得到垃圾土固有滲透系數(shù)隨著有效粒徑的增大而增大.魏海云等[7]采用室內(nèi)試驗(yàn)得到垃圾土氣相滲透系數(shù)隨著孔隙比的減小呈指數(shù)遞減，隨著飽和度的變化表現(xiàn)出2段線性關(guān)系，隨著垃圾土填埋齡期的增加而增大.Stoltz等[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了壓縮過(guò)程中垃圾土的氣相滲透率，得到垃圾土的氣相滲透率隨孔隙率或氣體體積分?jǐn)?shù)的增加而增大.Han等[9]采用滲透儀研究了顆粒級(jí)配和含水率對(duì)垃圾土氣相滲透系數(shù)的影響，得到單孔模型適合于描述氣體運(yùn)移.Zeng等[10]開(kāi)展垃圾土室內(nèi)氣相滲透試驗(yàn)，得到垃圾土氣相滲透系數(shù)隨法向應(yīng)力和降解時(shí)間的增大而減小.施建勇等[11-12]采用研制的氣相滲透試驗(yàn)儀研究發(fā)現(xiàn)，垃圾土氣相滲透系數(shù)隨飽和度的變化在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈3段線性關(guān)系.Xu等[13-14]針對(duì)破碎的現(xiàn)場(chǎng)垃圾樣開(kāi)展室內(nèi)氣相滲透試驗(yàn)，得到垃圾土的氣相滲透系數(shù)隨著含水率的增大而減小，固有滲透系數(shù)隨著深度的增加而減小.

填埋場(chǎng)中降解產(chǎn)生熱量，由于熱量運(yùn)移、外部環(huán)境或熱量管理措施的影響，填埋場(chǎng)內(nèi)的溫度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，且沿深度分布存在差異[15-16].溫度影響非飽和土的氣相滲透特性[17-18]，而垃圾土作為一種特殊的非飽和土，目前針對(duì)溫度對(duì)垃圾土氣相滲透特性影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道.另一方面，填埋場(chǎng)中垃圾土的成分復(fù)雜，其中塑料成分幾乎是不透氣材料，填埋場(chǎng)中塑料含量由于有機(jī)質(zhì)的降解會(huì)逐步增大，而目前的研究尚未考慮塑料含量對(duì)垃圾土氣相滲透系數(shù)的影響.

本文旨在通過(guò)影響垃圾土氣相滲透特性的因素變化試驗(yàn)，分析溫度和塑料含量對(duì)氣相滲透特性的影響規(guī)律，為實(shí)際填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)方案

對(duì)已有氣相滲透儀[12]進(jìn)行可調(diào)控溫度裝置的改裝，使其具備加熱和控溫試驗(yàn)功能.在氣相滲透儀試樣筒外壁布置加熱片，加熱片與溫度控制箱相連，通過(guò)溫度控制箱對(duì)加熱片進(jìn)行調(diào)節(jié).為了使進(jìn)入試樣的氣體與試樣溫度保持一致，在氣體壓縮機(jī)與試樣筒之間加裝氣體加熱器，加熱器可在試驗(yàn)最大通氣量條件下維持氣體溫度.試驗(yàn)裝置圖如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)裝置圖(單位：mm)

氣相滲透試驗(yàn)中試樣筒為內(nèi)徑10 cm、長(zhǎng)度60 cm的有機(jī)玻璃筒，試樣的長(zhǎng)度為54 cm，為了保證試樣的壓實(shí)度，將試樣分6層擊實(shí).將試樣筒安裝在儀器架上，連接管路并開(kāi)啟電源，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和減速機(jī)，將試樣筒緩慢進(jìn)行來(lái)回翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度為180°，從而使試樣中的水分保持均勻.啟動(dòng)試樣筒上的加熱片，并對(duì)試樣內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，等待試樣溫度達(dá)到設(shè)定值后打開(kāi)氣體壓縮機(jī)與氣體加熱器，監(jiān)測(cè)氣體加熱器出氣端的氣體溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，將其與試樣筒接通進(jìn)行試驗(yàn).通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)整進(jìn)氣壓力，待氣壓傳感器與流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定之后，記錄讀數(shù).

(1)

式中，P1為壓力顯示器1的讀數(shù)，kPa；P2為壓力顯示器2的讀數(shù)，kPa；L為試樣長(zhǎng)度，m；μ為氣體的黏滯系數(shù)，Pa·s；v為氣體流速，m/s.流速v采用如下公式計(jì)算得到：

(2)

式中，Q為流量計(jì)讀數(shù)；r為試樣的截面半徑，這里r=0.05 m.

垃圾土樣通過(guò)人工配制而成，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)與美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM-D 5084)中的要求，試樣各組分的最大粒徑控制在6 mm以內(nèi).考慮塑料含量對(duì)垃圾土滲透系數(shù)的影響，調(diào)研統(tǒng)計(jì)了我國(guó)典型城市生活垃圾中各組分的含量，塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%左右.有些礦化垃圾填埋場(chǎng)中，塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%以上[20].綜合考慮普通填埋場(chǎng)與礦化垃圾填埋場(chǎng)2種實(shí)際情況，在試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置了9種不同的配比，見(jiàn)表1.

表1 垃圾土配比 %

陳云敏等[21]針對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)得垃圾土的孔隙比e隨著填埋深度的增大逐漸減小，從3.5減小為1.0.涂帆等[22]統(tǒng)計(jì)得到中國(guó)和美國(guó)的填埋場(chǎng)垃圾土孔隙比的范圍均為1.0～3.7.本試驗(yàn)選擇試樣的孔隙比分別為3.50、3.25、3.00、2.75、2.50、2.25、2.00、1.75和1.50.

國(guó)外許多學(xué)者對(duì)實(shí)際填埋場(chǎng)中的溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，填埋場(chǎng)中垃圾土的溫度范圍見(jiàn)表2.基于此，本試驗(yàn)選擇20、25、30、35、40、45、50、55和60 ℃九個(gè)溫度.

表2 填埋場(chǎng)中垃圾土的溫度范圍 ℃

試驗(yàn)的組號(hào)見(jiàn)表3，試樣的初始含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))均為40%.A、B、C組試驗(yàn)分別進(jìn)行孔隙比、溫度和塑料含量對(duì)垃圾土氣相滲透性影響研究.通過(guò)不同初始參數(shù)試樣的滲透試驗(yàn)，分析孔隙比、溫度和塑料含量對(duì)垃圾土氣相滲透特性的影響規(guī)律.

表3 垃圾土的試驗(yàn)組號(hào)

試驗(yàn)裝置不同溫度下的溫度加熱與控制效果如圖2所示.試樣與氣體溫度均可達(dá)到設(shè)定溫度并維持穩(wěn)定，但達(dá)到設(shè)定溫度并維持穩(wěn)定存在滯后性.試樣安裝完成后，應(yīng)等待設(shè)定溫度對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間后再開(kāi)始試驗(yàn).

(a) 試樣加熱片

(b) 氣體加熱器

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重復(fù)試驗(yàn)和結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證裝置和方法的可靠性，對(duì)孔隙比2.0、塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的試樣在溫度20℃下分別進(jìn)行了3組重復(fù)性試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示.繪制壓力梯度ΔP/L與流速v的關(guān)系曲線，并根據(jù)式(1)對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算垃圾土的氣相滲透系數(shù).

圖3 重復(fù)試驗(yàn)的壓力梯度隨流速變化規(guī)律

3組重復(fù)試驗(yàn)的擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.999以上，計(jì)算得到3組重復(fù)試驗(yàn)的氣相滲透系數(shù)Kd分別為4.14×10-12、3.94×10-12和3.94×10-12m2.可以發(fā)現(xiàn)，3組試驗(yàn)得到Kd的最大值與最小值的誤差百分?jǐn)?shù)為5%，表明本試驗(yàn)的可靠性較高.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)垃圾土氣相滲透系數(shù)影響因素研究較多的有孔隙比、飽和度、試樣成分等，其中孔隙比的研究成果較為顯著，將本文的試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有部分文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示.由圖可見(jiàn)，本文試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)的結(jié)果有較好的一致性.

圖4 與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.2 孔隙比對(duì)垃圾土氣相滲透系數(shù)的影響

本試驗(yàn)中針對(duì)A組試樣研究了不同孔隙比的垃圾土氣相滲透特性的變化，選取了孔隙比分別為3.5、3.0、2.5、2.0和1.5，塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的試樣在溫度20 ℃時(shí)進(jìn)行氣相滲透試驗(yàn)，壓力梯度與流速關(guān)系曲線見(jiàn)圖5.由圖可見(jiàn)，在孔隙比較大時(shí)，試樣內(nèi)部孔隙較多，氣體迅速流經(jīng)試樣，無(wú)法在其內(nèi)部積聚，導(dǎo)致試樣壓力梯度小且流速大.隨著孔隙比的減小，氣體流經(jīng)試樣的難度增大，一部分氣體在試樣內(nèi)部積聚，導(dǎo)致試樣壓力梯度逐漸增大，而流速迅速減小.

圖5 不同孔隙比e的垃圾土壓力梯度與流速關(guān)系曲線

圖6為垃圾土氣相滲透系數(shù)Kd隨孔隙比的變化規(guī)律.可以發(fā)現(xiàn)，隨著孔隙比e的增大，垃圾土Kd增大明顯，當(dāng)e=3.5時(shí)，垃圾土Kd為e=1.5時(shí)的32倍.這是由于隨著孔隙比增大，試樣內(nèi)部孔隙增大或增多，氣體的滲流通道增大或增多，在滲流過(guò)程中遇到的阻力小.

圖6 垃圾土氣相滲透系數(shù)隨孔隙比變化規(guī)律

2.3 溫度對(duì)垃圾土氣相滲透系數(shù)的影響

本試驗(yàn)針對(duì)B組試樣研究了不同溫度下垃圾土氣相滲透特性的變化，選取了孔隙比為2.0、塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的試樣分別在20、30、40、50和60 ℃時(shí)進(jìn)行氣相滲透試驗(yàn)，壓力梯度與流速關(guān)系曲線見(jiàn)圖7.

圖7 不同溫度下垃圾土壓力梯度與流速關(guān)系曲線

圖8為垃圾土氣相滲透系數(shù)Kd隨溫度的變化規(guī)律.本文試驗(yàn)溫度選取填埋場(chǎng)常見(jiàn)的溫度區(qū)間20～60 ℃，可以看出，在此溫度區(qū)間內(nèi)，溫度對(duì)垃圾土的氣相滲透系數(shù)有一定的影響，隨著試樣溫度的升高，Kd隨之增大，當(dāng)溫度從20 ℃增大到60 ℃，Kd從3.94×10-12m2增大到5.55×10-12m2.這是由于隨著溫度的升高，氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度增大；另一方面，隨著溫度的升高，氣體的黏滯系數(shù)增大.由式(1)可知，在相同壓差下，隨著溫度升高，v增大，μ增大，從而氣相滲透系數(shù)Kd增大.

圖8 垃圾土氣相滲透系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

2.4 塑料含量對(duì)垃圾土氣相滲透系數(shù)的影響

本試驗(yàn)針對(duì)C組試樣研究了不同塑料含量的垃圾土氣相滲透特性的變化，選取了孔隙比為2.0、塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、15%、20%、25%和30%的試樣在溫度20 ℃時(shí)進(jìn)行氣相滲透試驗(yàn)，壓力梯度與流速關(guān)系曲線見(jiàn)圖9.

圖10為垃圾土氣相滲透系數(shù)Kd隨試樣中塑料含量的變化規(guī)律.隨著塑料含量的增加，試樣Kd先增大后減小.塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%試樣的Kd最小，且塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的試樣Kd大于塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的試樣.塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%試樣的Kd為塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%試樣的3倍.

圖9 不同塑料含量的垃圾土流速和壓力梯度關(guān)系曲線

圖10 垃圾土氣相滲透系數(shù)隨塑料含量變化規(guī)律

當(dāng)試樣中的塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到15%時(shí)，塑料含量增加，試樣中的有機(jī)質(zhì)成分的減少導(dǎo)致細(xì)顆粒含量減少，氣體在試樣中形成優(yōu)先流，導(dǎo)致試樣的氣相滲透系數(shù)增大.隨著塑料含量持續(xù)增加，試樣中的塑料出現(xiàn)堆積，塑料成分不具滲透性，使得氣體在試樣中的流通受阻，積聚效應(yīng)逐漸大于優(yōu)先流效應(yīng)，導(dǎo)致試樣氣相滲透系數(shù)減小.為了直觀地表現(xiàn)出塑料成分在垃圾土試樣中的積聚現(xiàn)象，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試樣進(jìn)行了拍照(見(jiàn)圖11)，試樣中的紅色成分為塑料成分，可以看出，試樣中隨著塑料含量增大，塑料積聚越發(fā)明顯.

(a) 10%

(b) 15%

(c) 20%

(d) 25%

(e) 30%

3 結(jié)論

1) 研制了溫控垃圾土氣相滲透儀，試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法具有可靠性和可重復(fù)性.

2) 孔隙比對(duì)垃圾土氣相滲透系數(shù)的影響顯著，塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%且處在20 ℃環(huán)境下，隨著試樣孔隙比的增大，氣相滲透系數(shù)增大，孔隙比從1.5增大至3.5時(shí)，氣相滲透系數(shù)增大了22倍.

3) 溫度影響垃圾土氣相滲透系數(shù)，在填埋場(chǎng)常見(jiàn)的20～60 ℃范圍中，隨著溫度的升高，氣相滲透系數(shù)逐漸增大.

4) 塑料含量對(duì)垃圾土氣相滲透系數(shù)的影響較為顯著，塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增大到15%，氣相滲透系數(shù)增大；塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增大到30%，氣相滲透系數(shù)逐漸減小，主要是由于不透氣成分塑料的積聚.