城市固体废弃物持水特性的室内试验

刘晓东,施建勇

(1.河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098;

2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098)

城市固体废弃物(municipal solid waste,MSW)收集时是非饱和的,填埋后也处于非饱和状态[1],与土不同,MSW为大孔隙介质,大尺寸组分含量较多,孔隙中含有大量的水和气,研究MSW的持水特性对于深入了解其非饱和特性具有十分重要的意义。MSW的持水特性可由土水特征曲线表示,它反映了MSW基质吸力与含水率的关系。确定MSW的持水特性能为填埋场垃圾渗滤液动态传输过程的预测提供依据,还能为填埋场中水、气运移分析提供重要参数,尤其MSW的非饱和渗透系数直接测试较困难,通过MSW的持水特性可以间接得到其非饱和渗透系数。目前关于MSW的持水特性研究文献比较少,Holmes[2]发现,随着垃圾中有机物的减少,MSW的持水率降低;Jang等[3]通过改进的Temple仪测量垃圾的土水特征曲线,分析了MSW的压实度对土水特征曲线的影响;Fungaroli等[4]指出持水率随着MSW粒径的减小而减小;魏海云[5]通过压力板仪和Temple仪对杭州市MSW的土水特征曲线进行了测试,研究了其组分和初始孔隙比对土水特征曲线的影响,张文杰等[6]用压力板仪测定了苏州七子山填埋场中MSW试样的土水特征曲线,得到了MSW持水特性随填埋深度的关系曲线。

本文采用非饱和固结仪进行MSW的持水特性试验。使用非饱和固结仪一方面可以量测MSW的持水特性在较大吸力范围内的变化,另一方面在试验过程中可以较精确地量测试样的体变,从而获得饱和度S和孔隙率n随吸力的变化关系,为进一步分析MSW的非饱和特性参数提供依据。通过对6组人工配制的MSW试样进行持水特性的对比试验,研究了初始孔隙比、有机物质量分数和荷载作用对MSW土水特征曲线的影响;同时还采用滤纸法进行MSW试样的土水特征曲线量测,并与用非饱和固结仪法得到的土水特征曲线进行了对比。

1 试样的选择

为了分析不同有机物质量分数、不同初始孔隙比与荷载作用对MSW土水特征曲线的影响,采用人工配制的MSW试样,利用非饱和固结仪进行了6组土水特征曲线测试试验,6组试验控制条件见表1,不同试样的组成见表2。使用滤纸法进行MSW试样的土水特征曲线量测时所用试样为S2和S6。

表1 对比试验控制条件

表2 不同试样的组成(干质量分数) %

2 试验方法与步骤

2.1 非饱和固结仪法

采用1.5MPa非饱和固结仪,测试方法为:对仪器密闭的压力室施加气压力,气压力将MSW试样中的孔隙水排出,试样放置在陶土板上,陶土板只允许水通过(自由气体不能通过),同时压力室与橡胶排水管相连,橡胶排水管与量管相连,保证试验过程中试样中的孔隙水压力为0kPa,这样试验平衡时试样的吸力即为该级气压力。逐级增加气压力,计算每级气压力下的含水率(本文含水率均为体积含水率),最后即可得到MSW的土水特征曲线。

非饱和固结仪法量测的具体步骤为:①将配制好的试样压入环刀(直径61.8mm,高 40mm),所配的试样最大粒径尺寸控制在环刀直径的1/10以内,并按照规范要求[7]进行抽气饱和,抽气饱和后将试样放入水中浸泡24h后取出即可进行试验;②将饱和的MSW试样放在压力室的陶土板上,陶土板要事先饱和,试样顶部放置一滤石,安装仪器的其他部件并确保仪器的密闭性;③对仪器压力室分级施加气压力,在每一级气压力作用下排水稳定时,读取量管里的水量变化,排水稳定标准为:在2h内MSW试样的排水量小于0.012mL;④施加最后一级气压力,待排水稳定后,读取量筒读数,释放压力室中的气压力,将试样取出称量试样的质量,然后放入烘箱烘干(60℃烘干 48h)得到试样的干质量,以此得出试样最终的含水率;⑤根据此含水率及之前每一级气压力下的排水量的变化,反算出前面各级气压力下的含水率,最后根据气压力与含水率的关系,绘制MSW的土水特征曲线。

2.2 滤纸法

滤纸法是建立在滤纸能够同具有一定吸力的土达到平衡(在水分流动意义上)的假设基础上的。通过让已知率定曲线的滤纸与土样接触,使得土与滤纸水分充分交换从而达到平衡后,可以认为土体吸力与滤纸吸力近似相等,从而通过滤纸含水率与率定曲线公式可以换算出相当于土样中的基质吸力值。滤纸法的优点是可以测量全吸力范围(0～10000kPa)内的曲线[8]。

同一商标的滤纸被认为具有同样的率定曲线。试验采用Whatman No.42型无灰滤纸,直径为70mm(未裁剪),其率定公式[9]为

式中:ψ为吸力,kPa;wf为含水率,%。

滤纸法量测的具体步骤为:①将配制好并饱和后的S2和S6试样置于大气中或在烘箱中烘干,至某一设计的含水率,取2块土样,将3张烘干后的滤纸置于两土样之间,并使滤纸与土样接触良好,接触处用胶带缠好密封,然后用保鲜膜将其密封包好;②将封装好的试样静置10d;③取下保鲜膜,称量中间一层滤纸和土样的质量,据此计算含水率,要保证在30s内完成,避免水分蒸发引起的误差;④根据滤纸的含水率,结合已知的滤纸率定公式(式(1)),得到试样的吸力值,根据此吸力值及对应的试样含水率,绘制出MSW试样的土水特征曲线。

3 试验结果与分析

3.1 MSW试样与一般土体的持水特性对比

图1为本文MSW试样和一般土体的土水特征曲线。由土水特征曲线可以得到土的进气值 ψb、残余含水率 θr与和饱和含水率 θs3个参数。其中 ψb是指空气进入土孔隙所必须达到的基质吸力值,它是土中最大孔隙尺寸的一种度量;θr是基质吸力的增加并不引起含水率的显著变化时的含水率,即土水特征曲线变化稳定阶段对应的含水率[8];θs为土水特征曲线上基质吸力为0kPa时对应的含水率。

图1 MSW试样与一般土体的土水特征曲线对比

由图1可以看出,MSW试样的含水率从低基质吸力开始就迅速下降,普通土体(细砂、粉土)的含水率从低基质吸力开始有一个几乎稳定不变的过程,随着基质吸力的增加,当达到某一吸力值后,其含水率才开始逐渐下降,最终趋于稳定,整个土水特征变化规律呈“S”形,突变点对应的吸力值即为进气值。由图1可以看出,MSW试样的进气值非常小,接近0kPa,Gonzalez等[10]试验细砂的进气值约为10kPa,Fredlund等[11]试样中粉土和砂混合物的进气值约为15kPa。试验中还进行了重塑黏土的土水特征曲线测量,从图1可以看出重塑黏土进气值最大,在试验吸力范围内没有出现突变点。但是MSW试样的饱和含水率和残余含水率与普通土体相比都较高,这主要是由于MSW试样含有大量的有机质,与普通土颗粒相比,有机质具有良好的保水和持水能力。

3.2 初始孔隙比对MSW试样土水特征曲线的影响

图2为有机物质量分数相同(w=60%)、初始孔隙比不同的MSW试样的土水特征曲线。由图2可以看出,对于有机物质量分数相同的MSW试样,随着初始孔隙比的逐渐增大,试样的 θs也逐渐增加,θr却逐渐减小。这主要是由于初始孔隙比越大,饱和状态下孔隙中能保留的水分就越多,从而导致 θs逐渐增大,MSW 试样在e=3.5时,θs=73.13%,当e=1.5 时 ,θs=59.12%;另一方面 ,随着初始孔隙比的增大,θr逐渐减小,其实 θr的大小主要受MSW中结合水的影响,但是对于有机物质量分数相同的MSW而言,孔隙比越大,颗粒间胶结越稀松,在高气压力的作用下,水更容易被排出,从而也会导致残余含水率有相应的减小。由图2还可以看出 ,MSW 试样在e=3.5时,θr=14.88%,当e=1.5时 ,θr=23.47%。

图2 不同初始孔隙比条件下试样的土水特征曲线

为更清晰显示MSW试样在低吸力阶段的持水特性,将图2中基质吸力为0～50kPa土水特征曲线放大如图3所示。由图3可以看出,孔隙率越大,其低基质吸力下的曲线越陡,这主要是由于大孔隙会导致排水更快,所以曲线更陡,另外3条曲线交于一点,在交点之前,初始孔隙比越大,相同的吸力对应的含水率越高,交点之后,初始孔隙比越大,相同吸力对应的含水率越小。

图3 不同初始孔隙比条件下试样在低吸力阶段的土水特征曲线

随着初始孔隙比的逐渐增大,MSW的 θr逐渐减小,这与侯长亮等[12]得到的规律一致,与魏海云[5]试验得到的“初始孔隙比越大,垃圾的残余含水率越大”的规律相反。魏海云[5]试验试样配制过程中包含大量的菜叶和骨肉,这些物质的持水能力很强,在一定的基质吸力试验范围内,保持在这些物质中的水分无法排出,从而导致其残余含水率较高。由此可见,使用不同成分配制出的MSW试样会得到不同的持水特性。

3.3 有机物质量分数对MSW土水特征曲线的影响

图4为初始孔隙比(e=1.5)相同、有机物质量分数不同的MSW试样的土水特征曲线。由图4可以看出,各组MSW试样的 θs几乎相同,都在60%左右,说明与初始孔隙比相比,有机物质量分数对于θs的影响很小。随着MSW中有机物质量分数的减小,其 θr也越来越小,这主要是由于有机物质量分数越小,MSW中无机物成分渣土(细粒成分)的含量越高,由于渣土的颗粒细小,且含有一定量的有机成分,所以增加了垃圾的持水能力。

图4 不同有机物质量分数条件下试样的土水特征曲线

将图4中低吸力阶段(0～50kPa)的土水特征曲线放大,得到图 5所示的土水特征曲线。由图5可以看出,有机物质量分数越低,其低基质吸力阶段的曲线越陡,这主要是由于相同初始孔隙比的条件下,有机物质量分数越低,其大孔隙越多,排水越快,所以曲线越陡;与图3土水特征曲线不同,图5的土水特征曲线没有交点,从试验一开始,相同吸力的条件下,有机物质量分数高的试样就对应小的含水率。

图5 不同有机物质量分数条件下试样在低吸力阶段的土水特征曲线

随着有机物质量分数的逐渐增大,MSW的 θr逐渐减小,这与侯长亮等[12]得到的规律一致,与魏海云[5]试验得到的“有机物质量分数越高,垃圾的θr越大”的规律相反。魏海云[5]试验的对比试样中有机物质量分数和初始孔隙比都不同,两个试样的有机物质量分数分别为51.9%和17.1%,初始孔隙比分别为3.2和 2.3,因此无法确定高的 θr就是由有机物质量分数影响的,也可能受到初始孔隙比不同的影响。另外魏海云[5]还做了一组初始孔隙比相同但有机物质量分数不同的对比试验,试验中魏海云选择40kPa和10kPa吸力对应的含水率作为试样的残余含水率,而在此吸力作用下,试样的含水率并没有稳定,若是选择稳定时的含水率作为试样的残余含水率,那么魏海云的试验反映的规律就和本文试验反映的规律相同。

3.4 荷载作用对MSW土水特征曲线的影响

图6为相同有机物质量分数、相同初始孔隙比条件下,荷载作用对MSW试样土水特征曲线的影响。试样都是先饱和后再加载或不加载。从图6可以看出,无荷载作用时,MSW在低气压力阶段的曲线更陡,其残余含水率也更低,这主要是由于MSW在荷载作用下,孔隙变得更加细小,持水能力增强,导致排水更加困难。

图6 荷载作用对试样土水特征曲线的影响

3.5 非饱和固结仪法与滤纸法的对比

对S2和S6试样用滤纸法进行了土水特征曲线的量测,非饱和固结仪法与滤纸法的试验结果如图7所示。

图7 非饱和固结仪法和滤纸法试验结果对比

从图7可以看出,使用滤纸法和非饱和固结仪法测得的土水特征曲线总趋势是相同的,但是在低吸力下两种方法得到的吸力值差别较大,相差10%～35%,即在相同含水率下,使用非饱和固结仪法得到的吸力值比使用滤纸法得到的吸力值要大,且土水特征曲线的变化更加平缓;而在高吸力阶段,两种方法得到的结果差别不大。产生这种现象的原因,一方面由于滤纸本身都是在高吸力下率定的,使用在低吸力阶段时会出现误差;另一方面试验过程中滤纸被剪裁成与土样的直径相同,在吸力平衡过程中,会有少量水分凝结在保鲜膜上,当吸力平衡结束拆除保鲜膜时,凝结的水珠可能会滑落到土样间的滤纸上,造成滤纸再次吸水,而滤纸对吸水很敏感,即使是少量的水进入滤纸,也会增加其含水率,导致吸力降低,试样的含水率越高,凝结在保鲜膜上的水珠越多,这种现象也就越明显,而在低含水率时,凝结的水珠很少甚至没有,所以得到的结果和非饱和固结仪法得到的结果比较相近。因此用滤纸法测MSW的土水特征曲线时,高吸力阶段的值更加合理,更有参考性,低吸力段(小于 100 kPa)不建议使用滤纸法。

4 MSW的孔隙大小分布指标分析

孔隙大小分布指标λ是一个表示孔径分布特征的常数,λ越小,表示孔隙尺寸分布越不均匀,它对于预测非饱和土的渗透性等特性具有十分重要的意义。

Brooks等[13]在用各类介质做了大量脱湿试验的基础上提出了Brooks-Corey公式:

式中:Se为有效饱和度;ψ为MSW的基质吸力;θ为含水率。

对式(2)两边同时取自然对数并整理得

按照式(3)对得到的6组试样数据进行整理,结果见表3。由表 3可以看出,MSW试样的进气值很小,都在1kPa左右;随着初始孔隙比的增加,MSW试样的进气值也在逐渐减小,这主要是由于大孔隙使得气体的进入更容易;有机物质量分数越低,MSW试样的进气值也越低,这主要是由于有机物质量分数越低,在相同初始孔隙比的条件下,大孔隙含量越大,从而使得气体的进入也更容易;荷载作用使得MSW试样的进气值增加,S1试样的进气值为4.58kPa,远大于没有荷载作用的MSW试样的进气值,说明荷载使得MSW的孔隙变小,透气更加困难;总体上各试样的 λ值都比较接近,在0.27～0.47之间,张文杰等[6]得到的 λ值为0.37,λ值都非常小,这也说明了MSW的不均匀性。以上结果同时也验证了前文所述的不同试样持水特性的合理性。

表3 土水特征拟合直线结果

由试验结果可以看出,随着初始孔隙比的增加,λ值在减小,随着有机物质量分数的增加,λ值也在增加。

5 结 论

a.与普通土体相比,MSW试样的进气值很低,定量验证表明在1kPa左右;随着初始孔隙比的逐渐增大,MSW试样的饱和含水率也逐渐增加,残余含水率却逐渐减小;随着MSW试样中有机物质量分数的增加,其残余含水率越来越小,饱和含水率几乎不变;荷载作用使得MSW残余含水率也变大。

b.用滤纸法测MSW的土水特征曲线时,低吸力阶段(0～100kPa)时误差较大,高吸力阶段的值更加合理,更有参考性。

c.孔隙大小分布指标 λ值非常小,在 0.27～0.47之间,表明了MSW的不均匀性,λ值随着初始孔隙比的增加而减小,随着有机物质量分数的增加而增加。

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