寒區(qū)蒸發(fā)塘防滲材料的耐久性研究

張麗雅 李 健 肖建章

(中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100048)

1 研究背景

蒸發(fā)塘防滲結(jié)構(gòu)主要用于隔絕污染廢液,防止其滲過防滲層,污染地下水,避免對環(huán)境造成危害。 防滲結(jié)構(gòu)多由地基、防滲層和保護層組成,設(shè)計條件、廢液特征和運行模式均對結(jié)構(gòu)壽命有重要影響[1-3]。 工程中常用防滲材料為的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜和鈉基膨潤土防水毯(GCL)。 通常HDPE 土工膜在短期內(nèi)工作性能良好,但長期運行過程中受化學(xué)和應(yīng)力的協(xié)同作用以及接觸的環(huán)境差異,對服役壽命有重要影響。 對其長期使用耐久性的研究目前還鮮有報道。 此外,運行過程中溫度、物質(zhì)組成、賦存條件、工作環(huán)境等因素交替作用也會導(dǎo)致防滲材料發(fā)生不同程度的損傷劣化,進而對蒸發(fā)塘的滲流及穩(wěn)定帶來嚴(yán)重影響,直接影響服役年限。 因此,為了解防滲結(jié)構(gòu)的長久工作性能,系統(tǒng)開展寒區(qū)蒸發(fā)塘防滲材料的耐久性研究具有重要的現(xiàn)實意義。

HDPE 土工膜的耐久性與所選材料、保護措施(防止損害或應(yīng)力集中)、接觸液體化學(xué)性質(zhì)及溫度等因素相關(guān),耐久性受到溫度、溶液濃度及化學(xué)成分等的影響。 Aminabhavi et al.[4]研究了25℃、50℃和70℃條件下HDPE 土工膜在苯、甲苯、二甲苯、三甲基色氨酸苯、茴香醚、氯苯、1-氯奈、二氯甲、1,2-二氯乙烷、丙酮、甲基乙烷酮、甲基酮乙基酮、環(huán)乙酮和丁醛等14 種危廢溶液中的吸附與解吸附作用、擴散性、滲透性和膨脹性,結(jié)果表明盡管HDPE 土工膜滲透系數(shù)會受溫度和溶液種類影響,但整體仍能保持較低的滲透系數(shù)。Hsuan 等檢測了在瀝出液中使用7 年的HDPE 土工膜,發(fā)現(xiàn)HDPE 土工膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工程、水力屬性均無顯著變化[5]。 相反,Rowe 等對運行14 年后在滲瀝液中取出的裸露在外土工膜進行檢測,發(fā)現(xiàn)氧化誘導(dǎo)系數(shù)和張拉、斷裂屬性均非常低,熔融指數(shù)試驗結(jié)果表明土工膜因聚合物的鏈?zhǔn)椒蛛x反應(yīng)而產(chǎn)生了降解,土工膜嚴(yán)重開裂并在受力條件下極易開裂[6]。 上述研究表明,在保護良好、沒有損害的條件下,埋深于土下對土工膜安全服役有利,但缺乏HDPE 的長期服役情況的分析研究。

Ruhl 等研究了5 種GCL 在7 類溶液和3 類水化條件下的滲透性試驗,結(jié)果表明水化條件對GCL 的滲透性具有重要的影響,滲透系數(shù)存在明顯差異[7]。Petrov 等對針織GCL 的試驗表明鹽濃度的增加和圍壓數(shù)量級的降低都會導(dǎo)致導(dǎo)水性的增加,高濃度鹽水中水化的GCL 滲透性較大[8]。 凍融循環(huán)對GCL 滲透性影響方面,Rowe 等測試了100 次凍融循環(huán)對GCL 的影響[9];介玉新等利用自行設(shè)計的滲透試驗裝置對50 次凍融循環(huán)條件下的GCL 滲透性進行了研究[10],但當(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)凍融循環(huán)對GCL 滲透性影響的試驗分析較少,凍融次數(shù)也存在明顯差異。

我國北方高寒地區(qū)溫差大,作為浸水防滲材料,GCL 會因溫度的變化而產(chǎn)生凍融循環(huán),威脅到GCL 的工作性能及持久性。 蒸發(fā)塘所在區(qū)域?qū)儆诟珊荡箨懶詺夂騾^(qū),冬寒夏熱,年溫差變化較大,冬季寒冷冰凍期長,極端最低氣溫-33.4℃(1 月),最冷月的最低氣溫的平均值-22.5℃,最冷日氣溫平均值-25.3℃。 鑒于此,本文系統(tǒng)開展了強堿、強鹽、強酸和生產(chǎn)廢液條件下的材料耐腐蝕試驗,對比分析浸泡前后HDPE 土工膜的力學(xué)性能、GCL 滲透性,評價腐蝕條件下的材料的耐久性,考慮蒸發(fā)塘建在季節(jié)性溫差較大地區(qū)的氣候特征,測試凍融循環(huán)次數(shù)對GCL 滲透性的影響。

2 試驗原材料與試驗方案

2.1 試驗依據(jù)

防滲材料耐腐蝕試驗主要依據(jù)土工布及其有關(guān)產(chǎn)品抗酸、堿液性能的試驗方法(GB/T 17632)、ASTM D5332-17、ASTM D5747/ D5747—2008(2013)e1、ASTM D5819-18、土工合成材料耐久性評價方法選擇導(dǎo)則、GCL41、ASTM D6141-14,GCL 滲透試驗主要依據(jù)《鈉基膨潤土防水毯》(JG/T 193—2006)。

2.2 試驗設(shè)備和試液

試驗設(shè)備主要有樣品浸泡箱、試驗架、攪拌器等。試驗溶液為?強酸液:1.25g/L;?強堿液:0.575g/L;?鹽溶液:0.108g/L;?廢液。 見圖1 ~圖3。

圖2 部分試驗樣品

圖3 配制試驗溶液的化學(xué)試劑

2.3 試驗方法

從樣品上剪取5 組試樣,其中4 組試樣分別用于酸、堿、鹽和廢液中,1 組用作對照樣。 按所需濃度配置溶液(見圖4),液體量為試樣重量的30 倍以上,將試樣完全浸沒。 凍融循環(huán)溫度設(shè)置為-40℃冷凍,室內(nèi)恒溫20℃解凍。

將試樣在不受任何有效機械應(yīng)力的情況下放置在容器中,試樣之間、試樣與容器壁之間以及試樣與液體表面之間的距離至少為10mm。 其間保持溶液的組成不變,在有效元素濃度降低,或者相態(tài)體系發(fā)生變化的情況下,按常規(guī)方法調(diào)節(jié)濃度或更換液體。 配液應(yīng)當(dāng)每天攪拌一次,當(dāng)連續(xù)使用時至少每7d 添加或者更換一次,以保持初始時的pH 值。

浸漬樣從液體中取出后,依次在試驗用水、0.01mol/L 的碳酸鈉溶液、純凈水水中充分清洗,對照樣在溫度為(60 ±1)℃的水中浸漬1h。 清洗后的試樣在室溫下晾干。

GCL 滲透試驗采用柔壁滲透儀完成,柔壁滲透儀(見圖5)由壓力腔、測試單元(包括上下試樣座、透水石、試樣等)、柔性乳膠膜、濾出液導(dǎo)出管、圍壓輸入管、滲濾液輸入管等組成。 裝樣后根據(jù)測試采用的滲透壓力確定圍壓,取圍壓比滲透壓高0.3 ~0.5MPa,圍壓可通過加水壓使乳膠膜緊貼試樣,確保試樣側(cè)壁不滲漏,穩(wěn)定后施加滲透壓力,有液體滲出后計時,量測滲出液體體積,根據(jù)達西定律計算試樣的滲透系數(shù)k:

圖4 試驗溶液配比過程

圖5 柔壁滲透儀結(jié)構(gòu)示意圖

式中:k 為某一溫度時的滲透系數(shù),cm/s;Q 為時間t 內(nèi)的滲透水量,mL;L 為試樣高度,cm;A 為試樣斷面積,cm2;p 為滲透壓力,kPa;t 為滲透時間,s。

3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

雙光面1.5cm 厚HDPE 土工膜測試中,拉伸強度分橫縱兩個方向測試,浸泡間分別為16 周和26 周。屈服強度和斷裂強度試驗方法按GB/T 1040 的規(guī)定進行,測試用Ⅱ型試樣,試驗速度選擇F = 50 × (1 ±10%)mm/min,試驗得到的屈服強度和斷裂強度隨不同腐蝕溶液浸泡時間的變化分布分別見圖6 和圖7。

圖6 不同浸泡液體下屈服強度隨浸泡日期的變化

圖7 不同浸泡液體下斷裂強度隨浸泡日期的變化

通過對比分析可以看出,同一種腐蝕液體中,縱向強度要略大于橫向強度;屈服強度和斷裂強度隨不同腐蝕溶液浸泡時間變化的規(guī)律相近,都是在浸泡后強度有略微的變化,表明在試驗的浸泡時間內(nèi)腐蝕溶液對土工膜的強度影響較小。

GCL 耐腐蝕滲透試驗結(jié)果見圖8 和圖9。 測試表明,廢液浸泡16 周時,滲透系數(shù)變化較小,浸泡至26周時,滲透系數(shù)略微上升,達到1.35 ×10-10m/s。 而飽和鈣液浸泡16 周時,滲透系數(shù)略微上升,達5.48 ×10-10m/s;浸泡至26 周時,滲透系數(shù)為9.05×10-10m/s,變化較小,趨勢漸穩(wěn)。

圖8 廢液浸泡周數(shù)對GCL 滲透系數(shù)的影響

圖9 飽和鈣液浸泡周數(shù)對GCL 滲透系數(shù)的影響

凍融循環(huán)條件下,GCL(規(guī)格GCL-NP/N/5000)滲透系數(shù)的變化較小,基本位于10-11m/s 的量級內(nèi),見圖10。

圖10 凍融循環(huán)次數(shù)對GCL 滲透系數(shù)的影響

干濕循環(huán)條件下GCL(規(guī)格GCL-NP/N/5000)滲透系數(shù)的變化也較小,與凍融循環(huán)類似,基本位于10-11m/s 的量級內(nèi),見圖11。

圖11 干濕循環(huán)次數(shù)對GCL 滲透系數(shù)的影響

4 結(jié) 論

本文以我國北方高寒地區(qū)氣候環(huán)境為試驗條件,系統(tǒng)開展了蒸發(fā)塘防滲結(jié)構(gòu)中HDPE 土工膜和GCL兩種主要防滲材料的耐久性測試,結(jié)論如下:

a. 強堿、強鹽、強酸和生產(chǎn)廢液浸泡26 周情況下溶液腐蝕對雙光面HDPE 土工膜強度影響較小,滲透系數(shù)均在i×10-10m/s,趨勢漸穩(wěn)。

b. GCL 在生產(chǎn)廢液和飽和鈣溶液浸泡26 周后其滲透性略增,但對防滲性能的影響不大;歷經(jīng)20 次的凍融和干濕循環(huán)作用后GCL 的滲透性無明顯變化,基本位于10-11m/s 的量級內(nèi)。

c. 相關(guān)研究成果已在內(nèi)蒙古克什克騰旗蒸發(fā)塘工程中得到應(yīng)用。