黏土固化注浆技术在垃圾填埋场防渗中的应用探讨

尹莲花

摘要：黏土固化剂是一种新的灌浆材料，黏土固化注浆技术在垃圾填埋场防渗施工中具有施工成本低、施工简单方便、堵水防渗效果好等特点，能显著提高防渗性能，还能大幅度降低工程的施工成本。文章从黏土固化注浆技术的主要特点，结合垃圾填埋场防渗施工的要求，探讨了黏土固化注浆技术在垃圾填埋场防渗中的具体应用。

关键词：黏土固化注浆技术；垃圾填埋场；防渗施工；黏土固化剂；灌浆材料 文献标识码：A

中图分类号：X705 文章编号：1009-2374（2016）24-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.043

黏土固化剂是一种由黏土和一定比例的结构剂组成的注浆材料，其中黏土为主要成分，这种固化剂具有良好的黏塑性和可渗性，堵水效果好，具有很好的封闭性，而且黏土作为主要材料来源十分广泛，价格便宜，成本低廉，能节省大量的资金，在防渗工程中有很大的优势。笔者根据武汉市陈家冲生活垃圾填埋场的防渗工程施工所采用的黏土固化注浆技术进行分析和研究，经总结，黏土固化注浆技术是一种非常经济适用的防渗方法。位于武汉市新洲区的陈家冲生活垃圾填埋场是武汉市十大重点环保垃圾填埋场之一，为防止垃圾填埋场的污染物渗入地下水污染下游黄冈、鄂州以及江西省的地下水，根据武汉市环保局的要求，对填埋场基本坝前1m左右采用垂直防渗帷幕，该帷幕上部地层为长江中下游冲积平原的砂土粉质地层，厚度约为5m，孔隙较大，土壤透水性好，地表水极易下渗。

1 黏土固化剂的化学机理及主要性能

1.1 黏土固化剂的化学机理

黏土固化剂的化学机理是其中的主要成分与水产生化学反应，生成大量的硅酸根、铝酸根和硫酸根，这三种根与水泥发生化学反应产生氢氧化钙水化铝酸三钙以及具有较大膨胀性的硫铝酸钙和无定型水化硅酸二钙，黏土固化剂溶于水后，通过与水发生化学反应吸收浆液中大量的水分，能够加速水泥的水化反应，产生具有一定强度的结石体，通过充填在空隙之中能够起到封住孔隙，防渗防漏的作用。黏土中的碱性金属物质与铝酸根和硅酸根发生化学反应产生明矾，在氢氧化钙和硫酸钙的作用下，明矾石出现膨胀生成胶凝钙矾石和具有一定韧性的胶凝物质，这些物质能够改善水泥集料界面的孔隙及应力状态，可以提高結石体的密实度和抗压强度，增加结石体的防渗效果。

1.2 黏土固化剂的主要性能

废弃填埋场属于特殊结构的建筑物，对结构的防渗性能有着更高的要求，选择防渗效果好的材料是防止有害物质渗入地下的关键环节，材料选择如果不恰当会破坏帷幕的密封性和防渗的持久性，因此在选择防渗材料时重点是对黏土固化剂的主要成分进行分析选择，从浆液的析水性能、渗透性能及耐久性把好关。

1.2.1 浆液的析水性能。浆液的析水性不能过高，析水率过高会使浆液中的结石体下沉使结石体与液体分离导致浆液的强度不均匀，影响到浆液的密实性。本次采用的黏土固化浆液的稳定性不太好，是一种沉淀析水率较高的悬浮体浆液，但是因填埋场帷幕地层缝隙较大，灌注过程中有利于地层中多余水分的排除，对浆液结石有一定的挤密效果，因此不影响防渗效果。

1.2.2 浆液的渗透性能。帷幕的抗渗性能对于废料填埋场密封处理的效果起着决定性的作用，为了起到防止污水扩散渗漏的作用，帷幕形成的封闭空间渗漏系数不能超过10-5cm/s，在试验过程中，我们以255型渗透仪对部分试样进行测试，根据测试结果，我们得知浆液中各组分的变化对结石的渗透性能的影响，水玻璃掺入比例越高抗渗性能越好，水泥比例增加也有增强抗渗性的效果，但是没有水玻璃明显，水固比则相反，浆液越稀结石的抗渗性能越差。

1.2.3 浆液的耐久性。帷幕注浆的目的是为了防渗，在施工的时候只是填充于裂缝之中，因此，固结物需要达到一定的强度才能抵抗静水压力，根据测算得出，在20m水头压力下结石体保持稳定性所需要承受的抗剪强度达到0.005～0.01MPa则为合格，本次试验中根据维卡仪测试结果显示7天后帷幕抗剪强度均超过0.03MPa，最高能够达到2～3MPa，而且由于在潮湿的环境下进行注浆体的养护，潮湿环境中的水分能够一定程度上增强结石体的强度，因此黏土固化注浆能够满足耐久性的强度要求，另外，黏土固化注浆液的黏土成分主要为高岭土，是一种具有一定惰性的土壤，其中活性阳离子含量少，表面为负电荷，矿物分子内聚能大，这些特点有助于帷幕对有害物质渗透到地下的阻挡效果，而且浆液结石具有良好的可塑性，在帷幕受到局部高压时结石体只会出现一定的变形而不会出现裂缝，不会影响帷幕的密封效果。

1.3 黏土固化注浆技术的经济指标

相比纯水泥进行基岩灌注，黏土固化注浆在材料费和人工费方面最少，节省成本10%以上，黏土固化剂浆液的主要组成材料为黏土、水泥和固化剂，其中黏土所占比例达到80%以上，水泥所占比例为20%，而固化剂的用量仅为水泥的15%，按照市场价水泥约为40元/kg，固化剂为7.5元/kg，而黏土仅为15元/吨，灌浆材料的综合成本可以节约20%以上，而且黏土固化浆液具有无析水性，胶凝时间可控等特点，形成的结石体具有膨胀性，在对帷幕进行灌注时可以对浆液的扩散距离进行控制，提高灌注的效率，减少浆液的流失，在节省人工方面更是比传统水泥灌浆方法节省机械和人工工时15%以上。传统的垃圾填埋场的防渗加固方法一般是对帷幕采用冲抓回填或者高压旋喷及土工膜技术作为防渗方法，这几种方法要么是防渗效果不好，要么是造价太高，要么是施工技术难度大，而黏土固化注浆技术防渗效果好、操作简单、经济效益显著。

2 黏土固化注浆技术在垃圾填埋场防渗中的应用试验

2.1 注浆试验孔布置

在布置试验孔的过程中，要根据帷幕线不同地段的不同地质条件和渗透性特点将注浆试验孔布置于填埋场的两侧，第一组布置3孔，呈等边三角形分布，布设于南端邻水一侧；第二组为2孔，布设于北端，孔距为3～5m，孔深以压水试验为控制依据，约为20～30m。

2.2 注浆参数的选取

注浆的浆液配合比一般来说要根据实验室的试验结果得出的参数来确定，但是由于每个工程项目的气候、水文、地质等条件各不相同，因此要获得良好的注浆效果就需要根据施工现场不同地段的单位吸水率选择进行浓度配比的设计，一般固液质量的比例为1∶3～1∶8不等。注浆段长一般为5～10m，具体长度要根据压水试验值的大小确定，注浆压力值的确定要结合地层情况按照按设计压力0.4～0.6MPa的要求适当调整，一般完整的基岩段注浆压力为0.4～0.7MPa，但是武汉市陈家冲垃圾填埋场地层为冲积扇地层，底下为砂土质地层，压力过大会导致地表冒浆现象的出现，因此要适当减小压力值，延长注浆的时间。

2.3 注浆工艺

在本次注浆过程中采用了上行式和下行式两种注浆方式，下行式注浆法主要是用于地层条件复杂的项目，对于一般情况则采用上形式注浆法，本次工程的地层条件较为复杂，因此采用的上行式和下行式相结合的方法，下行式注浆法能够弥补冲洗液漏失严重的问题，而上行式注浆法能够起到复注效果，有利于注浆效果的实现，两种方法相互结合符合本次施工的地层条件，堵漏效果好，注浆结果表明，对于地层松散的砂土地质浆液不能过稀，水的比例要适当减少，否则会出现冒浆的现象。

2.4 试验结果

本次压水试验分为注浆前和注浆后两部分进行，压水试验的校验地点位于第一组三角形的中心和第二组两孔的中间位置，根据压水试验的结果可以看出黏土固化注浆具有非常明显的防渗效果，平均防渗效果提高了50倍，由此可见采用黏土固化注浆防渗方法达到设计及规范要求的标准是可行的。

3 黏土固化注浆技术施工方法及注意要点

3.1 灌浆材料选择

黏土固化浆液的材料包括黏土、水泥和水，设备包括黏土打浆机，转速不低于400r/min的两个高速搅拌筒、泥浆泵和钻机等。黏土的黏粒不小于25%，塑性指数不低于15的所有自然土均可，以观音土或高岭土最佳，水泥为32.5以上的普通硅酸水泥，水的水质无明显化学污染的灌溉水或自来水，水中的活性粒子不能过高，黏土固化剂为专利产品。

3.2 制浆方法

首先将黏土用打浆机打碎掺水打成泥浆，然后用第一个高速搅拌筒搅拌1～2分钟，搅拌结束后对黏土量和水料比进行测试待用，按照配比干拌好水泥黏土固化剂，拌好后放入第一高速搅拌筒搅拌7分钟以上直至完全搅拌均匀，再放入第二高速搅拌筒搅拌7分钟待灌。

3.3 灌浆方法

黏土固化注浆的开灌水料比为2∶1，由于不同地层渗水性和湿度不同，注浆过程中对于吸浆量特别大的沙土地层可以充分利用注浆液胶凝时间的可控特点进行浆液水料比的调节或者通过间歇灌注的方式控制浆液扩散半径，减少浆液的流失度，还能节省施工时间，根据浆液基本无析水性的特点在终灌环节时当灌注达到设计压力值后续灌10～20分钟，可以再次节省施工时间。

3.4 注意要点

3.4.1 黏土固化注浆技术从试验结果看能够有效地防止垃圾填埋场污染物的下渗，下一步工作是要监测好对有害物质的防渗效果，收集浆液结石在有害物质防护能力方面的资料。

3.4.2 如果浆液吸水情况严重，可以添加一些优质膨润土到浆液中，增加固相颗粒的分散效果。

3.4.3 从现场的施工及测试结果来看，黏土固化注浆技术能够有效地防止污染物下滲，对环境污染的治理和防范有很大的效果，具有明显的经济效益，值得大力推广应用。

3.4.4 对于地质条件松散的地层需要适当地改进注浆工艺，避免因浆液水分过多导致冒浆现象的出现，混凝土防渗墙的填筑可以采用黏土与水泥混合料。

4 结语

黏土固化注浆技术是一种高效、环保、经济的防渗加固技术，具有操作简便、适用范围广、承载力高的特点，采用黏土固化剂进行防渗加固不但能显著提高垃圾填埋场及其他工程项目的防渗性能，延长工程的使用周期，还能大幅度降低工程的造价，随着工程应用领域的不断发展，黏土固化注浆技术一定能够发挥出更多更好的作用，为国民经济发展做出贡献。

参考文献

[1] 刘兆平.地球物理方法在垃圾填埋场的应用研究[D].中国地质大学（北京），2010.

[2] 靖向党，阮文军，代国忠.垃圾填埋场防渗技术的现状[J].长春工程学院学报（自然科学版），2006，（1）.

[3] 罗恒.注浆理论研究及其在公路工程中的应用[D].中南大学，2010.

（责任编辑：王 波）