垃圾填埋場改性粘土防滲層防開裂性能研究

孫雪景 王占華

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118)

0 引言

城市生活中的垃圾填埋問題，是目前世界各國面臨的的環(huán)保問題研究的熱點之一[1-2].目前，處理城市垃圾的主要手段雖仍是填埋的方式,但其仍有一定的不足,主要表現(xiàn)在其受到雨水、地表水和地下水等外部因素的影響,造成其產(chǎn)生的滲濾液具有較大的毒性直接影響到環(huán)境污染[3-4].本文主要研究了垃圾防滲層防開裂性能的問題,并通過理論分析和實驗研究探討了在垃圾填埋過程中，加入粉煤灰對于提高天然粘土防滲層防開裂的效果.

1 填埋場改性填料的選擇及技術(shù)路線

根據(jù)改性天然粘土的目的,添加材料一方面其粒徑需極小,能夠填充在天然粘土中孔隙中,減小其空隙比,從而在一定程度上減小其滲透系數(shù);另一方面,希望添加的材料在于粘土的接觸面上能夠反應(yīng)生成一些難溶解、滲透性較低的穩(wěn)定密封物質(zhì)來進一步降低天然粘土的滲透系數(shù)[5].因此,實驗中改性填料選擇的依據(jù)主要有以下4點:

(1) 選擇的改性填料可與天然粘土或垃圾滲濾液中的污染物質(zhì)進行反應(yīng),產(chǎn)生一定的低溶解度,低滲透性且比較穩(wěn)定(最主要的不要受滲濾液中污染物質(zhì)的影響)的固封物質(zhì)[6].

(2) 填料不能減弱原防滲層材料的強度,吸附截污性能等一些對防止?jié)B濾液的泄露起重要作用的性狀.

(3) 填料不應(yīng)該有污染物質(zhì)的釋放,從而加劇防滲層防滲負(fù)荷[7-8].

(4) 填料在經(jīng)濟上應(yīng)該價格低廉,來源上數(shù)量大且易得.

本文所做的實驗通過結(jié)合不同粉煤灰含量配比的改性粘土的開裂情況,獲得一個最佳粉煤灰添加量的比較理想的防滲層材料，其技術(shù)路線圖如圖1所示.

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology route

2 粘土襯里破壞機理分析

目前，理論上對于垃圾填埋場中破壞天然粘土襯里主要存在3種表現(xiàn)形式,即開裂、開孔和解體.它們破壞導(dǎo)致的直接后果都是使粘土的滲透系數(shù)在短時間內(nèi)迅速增大,防滲層的防滲性能不能達(dá)到國家對防滲層的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和要求[9-10],由此使得滲濾液中的污染物泄露,從而進入周圍土壤及地下水環(huán)境中產(chǎn)生環(huán)境污染.

2.1 開裂

粘土開裂一般是在體積變化或者應(yīng)力作用下,在變形不協(xié)調(diào)的地方產(chǎn)生.目前，認(rèn)為有7種作用會導(dǎo)致這一現(xiàn)象，即物理化學(xué)作用、干濕膨脹作用、差異沉降作用、卸荷作用、構(gòu)造作用、斜坡活動作用及差異壓密作用.尤其以前3種作用影響更為顯著.物理化學(xué)作用指吸附在粘土顆粒上的水與其它相關(guān)溶劑發(fā)生作用時,礦物結(jié)構(gòu)中層與層之間產(chǎn)生的變化情況.如果是其屬性相關(guān)的小極性的溶劑,則它們與顆粒物之間產(chǎn)生相互作用力非常小,其吸附的也會很少.干濕膨脹作用是因為粘土?xí)实亩嗌俣a(chǎn)生膨脹收縮等作用,其作用的大小與粘土中強親水物質(zhì)的多少有著密切關(guān)系,強親水物質(zhì)的量越多,干濕縮脹作用就越明顯,而當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化,接觸面接觸的水分減少或者由于揮發(fā)作用使水分散失而形成一個相對干燥的環(huán)境時,粘土又會收縮,在這一脹一縮的過程中,粘土的體積會發(fā)生較大變化,很容易產(chǎn)生裂縫[11-12].差異沉降作用指在垃圾填埋場中壓實防滲層的基本土層時,壓實不均勻,或者即使壓實的相對比較均勻,但是土層上方的城市生活垃圾分布導(dǎo)致的荷載不均勻而使土層在下降過程中下降量不一樣,有大有小,當(dāng)發(fā)生這種不均勻沉降或者較大的沉降量時,容易使粘土襯里形成拉張裂縫或者剪切裂縫.

2.2 開孔

開孔是指在粘土襯里中產(chǎn)生平面上近似圓形的集中透水管道的現(xiàn)象.它是一種柔性漸變式的破壞,屬于機械穿透，主要分為管涌和穿透兩種情況.管涌是因為粘土中的一部分小顆粒物質(zhì)有可能與滲濾液中的某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)腐蝕而溶解或者因為機械侵蝕被沖刷帶走到土層中大孔隙中去,當(dāng)發(fā)生這些以后,滲濾液體在防滲層的滲透速度會增大,從而有足夠的能量搬運更大粒徑的顆粒.在粘土底端出口滲透處易形成孔洞,所產(chǎn)生的孔洞會進一步縮短滲透路徑,同時水力梯度增大,從而形成集中水流的管道.它主要取決于粘土顆粒的級配和滲濾液的遷移情況[13-14].穿透主要是指因為填埋場在機械作業(yè),或者是一些穴居動物,植物根系的穿透導(dǎo)致的粘土被破壞的情況.

2.3 解體

解體指的是粘土顆粒之間的緊密結(jié)構(gòu)被破壞而導(dǎo)致的土壤孔洞增大、密度減小、滲透系數(shù)迅猛增大的現(xiàn)象,它是防滲層整體的破壞與惡化,一旦發(fā)生,其危害相比開裂和開孔大得多.一般認(rèn)為，邊坡失穩(wěn)和凍融循環(huán)是導(dǎo)致粘土防滲層解體的主導(dǎo)形式[15-16].前者是因為填埋場所建位置的地質(zhì)條件決定的，而后者主要是因為周圍環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致水凍結(jié)和融化過程的反復(fù)進行使土樣發(fā)生膨脹和收縮,由體積變化導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的變化.

3 防開裂實驗過程

(1) 實驗?zāi)康? 天然粘土具有以開裂的特性,主要是由于其具有很強的吸水能力從而產(chǎn)生了高膨脹性能，使其在干燥的環(huán)境中更容易產(chǎn)生開裂問題,從而使防滲層的滲透系數(shù)迅速變大.這樣就會降低防滲層的防滲隔離的效果,使得污染物容易溢出,從而污染周邊場地環(huán)境.因此,防滲層的開裂問題是設(shè)計防滲層必須要考慮的問題之一,也是本文研究最主要的目的.

(2) 實驗設(shè)備與實驗方法. 實驗設(shè)備有輕型擊實儀、有機玻璃柱6個、其它實驗室常見儀器.實驗方法如下:分別取不同配比的改性粘土(比例分別為10%,15%,20%,25%,30%),重量在2kg,并且根據(jù)其他實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果,讓改性粘土的最佳含水率處于最佳狀態(tài),進行養(yǎng)護24h,然后置于有機玻璃柱中分層擊實,在靜水壓頭的作用下浸泡3d,讓試樣含水達(dá)到最大可能的飽和,將其取出置于實驗室條件下晾置20d,觀察各試樣開裂情況,記錄實驗現(xiàn)象.

4 防開裂實驗結(jié)果與討論

本實驗通過對改性粘土養(yǎng)護、擊實、飽水、曬晾等過程研究粉煤灰對壓縮粘土干燥后開裂情況的影響(見表1),評價指標(biāo)主要考慮裂縫數(shù)量,裂縫長度和寬度等3個方面.

表1 不同配比粉煤灰改性粘土的開裂情況Table 1 Cracking of different proportions of fly ash modified clay

實驗結(jié)果顯示,粉煤灰在很大程度上降低了改性粘土表面干燥開裂情況,天然粘土表面出現(xiàn)了長達(dá)121mm的裂縫,數(shù)量上與改性粘土相比也是最多的,達(dá)到9條.經(jīng)過改性的粘土之間開裂情況雖然變化規(guī)律不是很明顯,但是其與天然粘土比較具有相當(dāng)大的優(yōu)勢,裂縫條數(shù)都減少了,在20%這個配比上只有2條,裂縫長度也從天然粘土的121mm迅速10%改性粘土的15mm,隨著粉煤灰量得加入逐漸平穩(wěn)在20mm左右.

圖2 改性粘土裂縫長度變化情況Fig.2 Change in crack length of modified clay

在裂縫寬度這一角度來看,10%,15%改性粘土的開裂情況相比天然粘土而言略有上升趨勢(從1.2mm分別上升到1.5mm和1.9mm),這在防滲層中是不利的,但是在綜合考慮裂縫條數(shù)以及長度后,經(jīng)改性后粘土在防滲層干燥開裂方面相比天然粘土有較大改善,特別是20%這一配比的改性粘土,其寬度降低到0.2mm,并且在裂縫條數(shù)以及長度上都有比天然粘土更好的性能,可以充分起到揮防滲層的隔離、阻滯污染物污染環(huán)境的作用.

另外,從改性粘土試樣的周長也可以判斷粘土內(nèi)部的體積變化情況,從而判斷各試樣的開裂情況,因為所有試樣在晾置之前都是從一直徑大小的有機玻璃柱中取出,其周長應(yīng)該相等,而從實驗結(jié)果來看,各個試樣之間存在差別,這是由于各個試樣的體積變化大小不一導(dǎo)致的,周長越大,體積膨脹得越大,亦即體積的變化越大,間接反映了開裂情況的好壞.實驗中粘土的最大,為40.6cm,而20%改性粘土的最小,只有39.1cm,并且加入粉煤灰的改性粘土周長都要比天然粘土的周長小,表1中的數(shù)據(jù)可以說明,加入粉煤灰改性后確實有效地改善了原有的天然粘土的開裂性能.

天然粘土一般是因為體積收縮張力導(dǎo)致開裂嚴(yán)重,而這與飽和土壤中的水土體積比有直接聯(lián)系,而土中含有的粘土以及高塑性物質(zhì)越多,就更容易有更大體積的水,從而傾向于產(chǎn)生更大的體積收縮張力.粉煤灰的加入使天然粘土的可塑性降低(這與土壤類型、離子交換能力、在試樣中的相對含量,以及粘土中低塑性物質(zhì)的含量有關(guān)),它會降低粘土的飽水能力以及體積收縮張力.因此,經(jīng)改性后的粘土能夠有效地改善防滲層的開裂情況.另外,粘土中一般含水比較大的鈣含量,它能夠產(chǎn)生Ca2+和OH-,能生成硅酸鈣水合凝膠體,這種化學(xué)修飾能使經(jīng)改性后的粘土更具有硬而易碎性能,從而進一步降低粘土體積收縮張力.

5 結(jié)論

本文通過防滲層開裂實驗,驗證了經(jīng)粉煤灰改性后的粘土具有有效提高天然粘土的防開裂能力.實驗結(jié)果表明,無論從裂縫條數(shù)、寬度、長度以及由試樣周長間接反映出來的試樣內(nèi)部開裂情況都說明,經(jīng)改性后的粘土顯著地提高了天然粘土防開裂情況,結(jié)果顯示在添加粉煤灰的不同配比中,添加20%比例時取得的效果最好.