带缺陷膨润土防水毯的渗透试验

何 俊,肖衡林,孔祥怡

(湖北工业大学土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430068)

膨润土防水毯(geosynthetic clay liner,简称GCL)是由单位面积质量大约为5kg/m2的膨润土夹在土工织物中间或黏结在土工膜上制成的衬垫材料。由于其厚度小,能较好地适应不均匀沉降,且具有良好的自愈能力,因此在岩土工程和水利工程等领域中应用日益广泛。GCL的自愈能力是由于其中蒙脱石含量高、交换性阳离子主要为钠离子的膨润土遇水膨胀而产生的。Mazzieri等[1]对破损的胶结型GCL的渗透试验研究发现,在直径为10 cm的试样中设置直径为3cm的孔洞渗透系数增大约1个数量级,但离子交换作用的发生将使GCL的自愈能力大幅度减弱。Sivakumar等[2]采用硬性壁渗透仪对带缺陷的针刺型和缝合型GCL进行渗透试验,试样直径为14.5cm,设置孔洞直径为6～55mm,试验发现直径小于30mm的孔洞能够自愈。Egloffstein[3]指出,当上覆土层厚度超过75cm后钙基膨润土具有一定的自愈能力,但不能使较宽的干燥裂缝愈合。李宪[4]、陈生水等[5]分别通过柔性壁渗透试验研究发现,当直径为10 cm的试样中穿孔孔径为1 cm和4.5mm时,渗透系数超过1×10-9m/s。已有成果虽然指出离子交换作用对GCL的自愈能力有影响,但仍多以水为对象进行研究。笔者通过试验研究存在圆形缺陷的GCL的渗透性能,探讨自来水和CaCl2溶液渗滤时GCL的自愈能力。

1 试验材料和方法

试验选用的GCL由上海盈帆工程材料有限公司生产,采用针刺方法将钠基膨润土颗粒固定于2层土工布之间,单位面积质量大于4.8kg/m2,膨润土中蒙脱石的质量分数约为85%～90%。在GCL试样中间开圆孔用于模拟运输和施工等过程中出现的缺陷,孔径为 5～11mm。由于钙离子和氯离子是垃圾填埋场渗滤液中常见的污染物离子,而渗滤液中高价阳离子的存在是影响GCL防渗性能的一个重要因素,且用作封场材料时钙离子与GCL膨润土中的钠离子的离子交换是一种较为常见的现象,故分别以自来水和0.05mol/L的CaCl2溶液为渗滤溶液研究带缺陷GCL的渗透性能。

采用上海土工公路仪器有限公司生产的STPZS-1膨润土防水垫渗透仪进行渗透试验。该仪器采用柔性壁试验方法测量渗透系数,能有效防止试验过程中的侧漏,且反压饱和效果较好。根据中国建筑工业行业标准JG/T 193—2006《钠基膨润土防水毯》[6]中的规定进行渗透试验,围压设定为35kPa,在15kPa的压力下反压饱和 48h,温度控制在(22±2)℃。自来水或CaCl2溶液饱和48h后,下游压力保持15kPa不变,增大上游压力至18kPa左右,调节上下游水管水头到适当高度,定时观测上下游压力和水位,计算渗透系数。试验过程中水力梯度在40～70之间。

JG/T193—2006《钠基膨润土防水毯》[6]中规定,渗透试验终止的标准为最后连续3次测试进口流量与出口流量的比在0.75～1.25之间,流量没有明显的上升或下降趋势,流量在平均流量值的0.75～1.25之间。CaCl2溶液渗滤时,由于离子交换需要时间,随着试验时间的增长渗透系数可能逐渐增大。试验终止的标准包括孔隙体积流量最小为1～2、出入口浓度达到化学平衡(一般以渗入液和渗出液的pH值之比、电导率之比接近1来控制)[7-9]。由于文中CaCl2溶液渗滤时pH值和电导率变化相对较小,且选择的溶液浓度较大,故没有以 pH值之比、电导率之比接近1作为终止标准。CaCl2溶液渗滤时孔隙体积流量超过4。

上下游设定压力和水位后,上游水位下降,下游水位上升。由于上游管中水量有限,为使足够多渗滤液通过试样,需要逐次补充上游水量,称一次上游水位下降的过程为一次渗透。

2 试验结果分析

2.1 自来水渗滤

自来水在完好和带有缺陷的GCL中渗滤时,渗透系数k随孔隙体积流量PVF的变化见图1。从图1可以看出,k随PVF的增大有减小的趋势。PVF的计算公式为

式中:Q为流过试样的水量,通过上游和下游水位的变化来确定;HGCL为试样高度;Hs为GCL中固体的高度;A为试样面积,为试验结束后用卡尺测量确定;HBent为膨润土颗粒的高度;HGEO为土工织物的高度;MBent和MGEO分别为单位面积上膨润土和土工织物的质量;ρBent和 ρGEO分别为膨润土和土工织物的相对密度;w0为膨润土风干含水率。

图1 自来水渗滤时 k随PVF的变化

缺陷直径为11mm时渗透速度v与水力梯度i的关系见图2,当两者的关系曲线为直线时,直线的斜率即为渗透系数。但图2中两者的关系曲线为上凹型,曲线斜率随水力梯度的增大而增大,即渗透系数随水力梯度的增大有增大的趋势,不能严格服从达西定律。因此,渗透系数随PVF的增大略有减小的原因可能是,在试验过程中,随着上游水位的下降和下游水位的上升水力梯度逐渐降低。

图2 缺陷直径为11mm时 v与i的关系

渗透系数与缺陷直径的关系如图3所示,图中渗透系数为达到稳定标准的平均渗透系数。由图3可见,渗透系数随缺陷直径的增大而增大;缺陷直径不超过9mm时,渗透系数小于 1×10-9m/s,符合规范中对衬垫渗透系数的要求;当缺陷直径超过9mm后,渗透系数显著增大,不能满足要求,该结论与文献[4]中结论一致。

2.2 CaCl2溶液渗滤

图3 自来水渗滤时 k与缺陷直径的关系

当GCL在0.05mol/L的 CaCl2溶液水化和渗滤时,一次渗透过程中k随PVF的增大有减小的趋势(图4),其规律与自来水渗滤时一致。

图4 一次渗透过程中 k随PVF的变化

以每次渗透达到稳定时的平均渗透系数为纵坐标,每次渗透结束时的PVF值为横坐标,两者之间的关系见图5。由图5可见,k随PVF的增大呈增大的趋势。这个规律与图4不同,主要原因在于控制因素有差异。一次渗滤时,溶液与土的作用时间相对较短,渗透系数的变化可能受试验过程中水力梯度变化的影响较大(如2.1节所述)。图5中渗透系数为每次渗滤达到相对稳定时的平均渗透系数,渗透时间相对较长。完好GCL每次渗透稳定时渗透系数与水力梯度的关系见图6。由图 6可见,两者之间没有显著的相关性。由此可以认为,多次渗滤时水力梯度的差异不是造成渗透系数变化的主要原因。因此,平均渗透系数随PVF的增大应为溶液与膨润土发生相互作用引起的。随着渗滤时间的增长,土与溶液之间发生离子交换作用,溶液对土结构的影响增大,结合水膜厚度减小,可供溶液流动的空间相对增大,渗透系数增大。

图5 CaCl2溶液渗滤稳定时 k随PVF的变化

图6 每次渗透稳定时k与i的关系

分别取PVF为1.5～2.5和3.5～4.5范围内渗透系数的平均值进行比较,发现渗透系数随缺陷直径的增大而增大;CaCl2溶液渗滤时完好GCL的渗透系数约为4×10-8m/s,约为自来水渗滤时完好GCL渗透系数的400倍,比带11mm缺陷的GCL的渗透系数还大约7倍,表明0.05mol/L的CaCl2溶液对GCL渗透性的影响比11mm缺陷带来的影响更大。

3 讨 论

GCL的防渗性能、自愈能力与其中膨润土的水化膨胀密切相关。采用固结仪研究GCL的膨胀性能,加6.25kPa的压力用以模拟GCL铺设后及时上覆保护土层的情况,试样压缩稳定后注入水或CaCl2溶液,记录膨胀量直至稳定。其中,变形稳定的标准为24 h变形量小于0.001mm[8]。试验结果见图7,由图 7可知,自来水和CaCl2溶液水化时GCL的膨胀量差别较大,分别为2.24mm和1.05mm。相同压力下GCL膨胀量越大,吸附的结合水越多,形成的分散凝胶态蒙脱石片越多,水与颗粒之间的相互作用越强,液体越不易通过;CaCl2溶液作用下结合水膜薄,溶液渗滤时孔隙较大,而渗流路径远不如自来水渗滤时曲折,因此CaCl2溶液渗滤时比自来水渗滤时渗透系数增大很多。

图7 自来水和CaCl2溶液水化时GCL膨胀量的比较

在渗透试验中,带缺陷的GCL试样水化时缺陷附近的膨润土膨胀使得缺陷逐渐愈合,缺陷直径逐渐减小。当缺陷直径较小时,水化后能够完全愈合,其渗透系数相比完好GCL的渗透系数增大不多。例如0.05mol/L的CaCl2溶液渗滤,带5mm缺陷的GCL的渗透系数与完好GCL的渗透系数相差不大,表明GCL有一定的自愈能力。渗透试验结束后观察试样发现,自来水和0.05mol/L的CaCl2溶液渗滤,缺陷直径较大(分别为11mm和7mm)时缺陷不能完全愈合,故渗透系数增大较显著,前者超过 1×10-9m/s,后者达10-7m/s。GCL在 CaCl2溶液中的水化膨胀量小于在自来水中的膨胀量,因此其在溶液中能够愈合的缺陷直径比在自来水中小。

4 结 论

a.CaCl2溶液渗滤时,离子交换需要一定的时间,渗透系数随着PVF的增大呈增大趋势。

b.自来水渗滤时,GCL中缺陷直径达11mm时缺陷不能完全愈合,致使渗透系数超过1×10-9m/s。

c.0.05mol/L的 CaCl2溶液渗滤时,完好GCL的渗透系数比自来水渗滤时增大约400倍;渗透系数随缺陷直径的增大而增大,当直径达7mm时缺陷不能完全愈合,渗透系数达1×10-7m/s。溶液和缺陷的共同影响使GCL的防渗性能很差。

:

[1]MAZZIERI F,PASQUALINI E.Permeability of damaged geosynthetic clay liners[J].Geosynthetics International,2000,7(2):101-118.

[2]SIVAKUMAR BG L,SPORERH,ZANZINGER H,et al.Selfhealing properties of geosynthetic clay liners[J].Geosynthetics International,2001,8(5):461-471.

[3]EGLOFFSTEIN T A.Natural bentonites-influence of the ion exchange and partial desiccation on permeability and selfhealing capacity of bentonites used in GCLs[J].Geotextiles and Geomembranes,2001,19:427-444.

[4]李宪.GCL防渗特性及填埋场防渗系统的研究[D].南京:河海大学,2005.

[5]陈生水,郑澄锋,杨明昌.新型防渗材料膨润土垫的试验研究[J].水利水运工程学报,2006(3):34-38.

[6]JG/T 193—2006 钠基膨润土防水毯[S].

[7]PETROV R J,ROWE R K,QUIGLEY R M.Comparison of laboratory-measured GCL hydraulicconductivity based on three permeameter types[J].Geotechnical Testing Journal,1997,20(1):49-62.

[8]李志斌,徐超.竖向应力作用下GCL的膨胀特性和渗透性能[J].岩土工程学报,2007,29(12):1876-1880.

[9]LEE JM,SHACKELFORD C D.Impact of bentonite quality on hydraulic conductivity of geosynthetic clay liners[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2005,131(1):64-77.