渗滤液饱和膨润土掺砂混合土的膨胀与渗透特性

阮坤林,孙德安,傅贤雷

(上海大学土木工程系,上海200444)

膨润土是一种主要由蒙脱石矿物组成的黏土,具有低渗透性,较强的吸附性、膨胀性、可塑性、结合力和阳离子交换能力[1],常被用在垃圾填埋场的衬垫、竖向隔离墙中以及计划用作核废料深地质处置的缓冲材料.垃圾填埋场中会产生大量渗滤液,为了防止渗滤液流出,垃圾填埋场底部常设黏土-膨润土防渗材料[2-4],但在天然黏土缺乏地区,可采用膨润土掺砂混合土代替[5].垃圾填埋场内部温度较高,防渗材料容易产生裂隙,导致渗滤液的渗漏.加入一定比例的砂能够较好地提高膨润土的热传导性而不显著降低膨润土的抗渗能力.

Granthama等[6]在垃圾填埋场中使用膨润土与砂衬垫层进行了现场试验,结果表明膨润土掺砂混合土的渗透性满足要求;Chapuis[7]利用室内试验预测了膨润土掺砂混合土作为衬垫层的渗透性能,证明其渗透性能满足要求;Demdoum等[8]研究了分别利用水和渗滤液作为液相介质时,膨润土、钙质砂以及凝灰岩混合物的渗透特性.在实际工程中,膨润土掺砂混合土与渗滤液有直接接触.因此,在膨润土及其掺砂混合土渗透性的研究中,如果使用真实渗滤液作为饱和液体就更加准确.

Sari等[9]分别利用水和配制的模拟渗滤液饱和了膨润土防水毯(geosynthetic clay liner,GCL),研究2种液体饱和膨润土防水毯的膨胀变形和膨胀力;ren等[10]研究了渗滤液饱和下压实膨润土的膨胀特性;Kolstad等[11]利用多物种无机溶液,对膨润土防水毯进行饱和,研究其膨胀及渗透性能;蒋江红等[12]采用纯水作为饱和液体,研究了温度对膨润土膨胀性能的影响.在垃圾填埋场中,液体饱和混合土膨胀后,能够有效堵塞空隙,并且能够愈合垫层之间可能产生的裂缝.当渗滤液作为饱和液体时,有关温度对膨润土掺砂混合土膨胀性能的研究还很少,并且温度对膨胀性能的影响较大,因此有必要开展此研究.

本工作以垃圾填埋场中膨润土作为衬垫材料使用为背景,分别使用渗滤液和纯水作为饱和液体,比较2种液体饱和混合土的力学性能.现场监测数据表明,城市生活垃圾填埋场中衬垫温度能达到30～40◦C[13].因此,本工作首先在32◦C下用纯水和渗滤液饱和混合土,在竖向压力为50 kPa的条件下,进行有荷膨胀试验,然后利用固结试验测定渗透系数.同时,为研究温度对渗滤液饱和膨润土掺砂混合土的影响,分别在10◦C和20◦C的条件下,进行了相同试验.利用变水头试验,在32◦C下用渗滤液作为饱和液体测试渗透系数,对比2种方法测量的渗透系数.

1 试验材料

本工作所用膨润土取自新疆奇台县,为钠基膨润土;所用砂为福建标准砂,考虑到膨胀试样的厚度只有10 mm,剔除粒径大于0.5 mm的颗粒,故试验用的是细砂.膨润土和筛选后标准砂的物理指标如表1所示.本工作饱和渗透试验用的液体为渗滤液和纯水2种.渗滤液为无锡桃花山垃圾填埋场厂区现场取来的渗滤液原液,渗滤液水质指标如表2所示.经检验,各项指标在国家质量浓度统计范围内,符合选用标准.为防止渗滤液成分变化对实验结果的影响,渗滤液在试验使用之前已长时间静置,以保证其成分在试验期间保持稳定.而纯水采用不含有阳离子和有机物的去离子水.

表1 膨润土和砂的基本物理指标Table 1 Basic physical property of bentonite and sand

表2 试验用渗滤液成分及其质量浓度Table 2 Ingredient of leachate and its concentrations

2 试样制备

将膨润土和砂放在105◦C烘箱中,烘24 h后配样.本工作参考了芮巍等[14]的研究,分别选取掺砂率为0%、30%和50%,掺砂率定义为砂土干质量与土样总干质量之比.试样目标干密度为1.6 g/cm3,目标含水率为18%,厚度为10.0 mm,直径为61.8 mm.

3 试验方法

3.1 有荷膨胀

将压制好的非饱和试样置于固结仪上,施加1.0 kPa的竖向预压力,读取竖向位移表的数值,作为初始读数;分级加载至竖向压力50 kPa,在非饱和状态下固结稳定后,向固结仪容器内分别注入纯水和渗滤液.为严格控制试验过程中的温度,试验在恒温恒湿试验箱中进行.

3.2 变水头试验

配制同样目标含水率和干密度的不同掺砂率混合土,压实制样,在竖向压力为100、200和400 kPa的作用下,用渗滤液作为渗透液相介质进行变水头试验,测定其渗透系数.水管旁安置参考水管,作扣除蒸发量用.

3.3 固结试验测定渗透系数

膨润土的渗透系数很低,如果用常规渗透试验测量,试验时间就较长.本工作主要使用固结试验测定渗透系数,已有学者使用该方法测量膨润土及其混合物的渗透系数.Mishra等[15]利用该方法对各种膨润土和黏土-膨润土混合物的渗透系数进行了测量;Yamada等[16]利用该方法对名古屋黏土与砂或膨润土混合料的渗透性进行了研究.根据太沙基的1维固结理论,土的渗透系数为

式中:k为渗透系数(m/s);cv为固结系数(m2/s);mv为体积压缩系数(m2/kN);γω为水的重度(kN/m3).

4 有荷膨胀变形与膨胀力

4.1 有荷膨胀试验变形

4.1.1 饱和液体的影响

膨润土掺砂混合土的膨胀性能对其在垃圾填埋场中的应用至关重要,膨胀性能决定了混合土出现裂缝时的自愈能力.采用膨胀率εs来评价膨胀性能:

式中:h0为制样时试样的高度;Δh为侧限条件下膨胀时试样高度与初始试样高度之差.

图1显示在竖向压力50 kPa作用下32◦C时纯水和渗滤液饱和混合土的膨胀率随开始浸液体后的时间变化情况.从图中可以看到,在相同掺砂率条件下渗滤液饱和的膨胀变形小;在膨胀试验初期,渗滤液饱和混合土时的膨胀速率比纯水饱和的大.

最终膨胀率随掺砂率变化关系如图2所示.由图可知,渗滤液作为饱和液体时膨润土掺砂混合土的最终膨胀率,比纯水作为饱和液体时要小得多.当掺砂率为30%时,纯水饱和时的最终膨胀率约是渗滤液饱和的2倍.

图2 最终膨胀率随掺砂率变化Fig.2 Changes in final swelling rate changing with sand mixing rate

首先,在蒙脱石矿物中,一个较低价的正离子代替另一个较高价的正离子,造成正电荷不足,即负电荷过剩,过剩的负电荷由吸附在晶层表面的阳离子来补偿[17].溶液中的阳离子被吸附在黏土颗粒附近,由于静电吸引力的差异,黏土颗粒周围的阳离子分布不均匀.越接近黏土颗粒表面,静电吸引力越强,阳离子质量浓度越大.渗滤液中含有大量的胺盐,而胺盐中含有大量的有机阳离子.黏土对有机阳离子有强烈的偏好[17].

图3为黏土表面胺盐吸附作用示意图.图中有机阳离子代替原来存在于黏土表面上的阳离子吸附在黏土表面,直到所有交换位置都被胺盐占据,胺基牢牢地吸附水分子,此时黏土表面为碳氢键所覆盖,水化作用变弱,膨胀性也随之变弱.

图3 黏土表面胺盐吸附作用Fig.3 Adhesion of amine salt on clay surface

其次,膨润土有极强的阳离子交换性,能和溶液中的阳离子发生置换反应.渗滤液中含有大量的Ca2+、Mg2+等金属离子,当这些金属离子的质量浓度达到一定程度时,钠基膨润土中N+a会与其发生置换反应.根据Bradshaw等[18]的研究,当用渗滤液饱和钠基膨润土时,超过80%的N+a会被Ca2+等阳离子给置换出来.这些置换反应导致了双层结构的坍塌,蒙脱石矿物水化能力降低,进而导致膨润土颗粒可以彼此靠近形成絮体,而絮体的增加使得膨胀能力减少.

同时,由图2可以发现,用渗滤液和纯水饱和混合土时的最终膨胀率以及二者的差,均随掺砂量增大而减少,这与孙文静等[19]研究得到的结果一致.混合土膨胀主要是由于膨润土膨胀,掺砂量增大,使得膨润土含量减少,饱和液体对混合土膨胀性的影响也随之减小.

4.1.2 温度的影响

在10◦C和20◦C时,用渗滤液饱和不同掺砂率混合土的膨胀变形随时间变化的情况如图4所示.联合图1(b)和图4可以发现,在相同掺砂率条件下,温度越高混合土的膨胀率越低,这与Villar等[20]和谈云志等[21]的研究结果相同.

图4 10◦C和20◦C时渗滤液饱和混合土的膨胀率随时间变化Fig.4 Changes in swelling of mixtures saturated by leachate with time at 10◦C and 20◦C

温度是影响膨润土掺砂混合土膨胀的重要因素,在不同温度下膨润土掺砂混合土在渗滤液中饱和时的最终膨胀率随掺砂率变化情况如图5所示.图中,随着温度降低混合土的最终膨胀率增大,这是因为温度升高使得吸附于土颗粒上的结合水转化为自由水.根据Villar等[20]的研究,膨润土的膨胀性能主要由层间结合水引起,层间结合水的减少使得混合土膨胀变形减小;另外,根据何俊等[22]的研究,温度升高使得在渗滤液作用下吸附结合水膜厚度显著变薄.水膜厚度减小也是导致膨胀变形变小的一个重要原因.

图5 不同温度下渗滤液饱和膨润土掺砂混合土最终膨胀率随掺砂率变化Fig.5 Changes in final swelling rate of mixtures with sand mixing rate saturated by leachate at different temperatures

4.2 膨胀力

膨胀力的测定主要有4种方法,分别为恒体积法、预膨胀法、零膨胀法和膨胀-压缩法[23].本工作采用膨胀-压缩法测定膨润土掺砂混合土的膨胀力,即根据膨胀前试样的初始孔隙比,在压缩曲线时找到对应孔隙比的荷载,此荷载即为膨胀力.

4.2.1 不同液体饱和时的膨胀力

图6显示了用纯水和渗滤液饱和混合土的膨胀力随掺砂率变化情况.由图可知,低掺砂率时渗滤液饱和混合土的膨胀力比用水饱和的小;随着掺砂率的增大,2种不同液体饱和混合土时膨胀力的差距减少;当掺砂率为50%时2种液体饱和混合土的膨胀力几乎相等.混合土的膨胀主要是由膨润土的膨胀引起.当掺砂率较低时,混合土中膨润土比较多,纯水饱和混合土最终膨胀率比渗滤液饱和的大,膨胀完成时的孔隙比也就更大,压缩到初始孔隙比的应力(即膨胀力)就更大.之后随着掺砂率的增大,2种液体饱和混合土的膨胀完成时的最终膨胀率差距不大,压缩到初始孔隙比的应力也就差不多.

图6 膨胀力随掺砂率变化(32◦C)Fig.6 Changes in swelling pressure changing with sand mixing rate(32◦C)

4.2.2 不同温度下的膨胀力

图7显示了不同温度下渗滤液饱和膨润土掺砂混合土时的膨胀力随掺砂率的变化情况.图中,混合土的膨胀力随着温度的升高而降低,这是由于随温度降低,混合土的最终膨胀率变大,最终孔隙比增大.当孔隙比较大时,压缩到初始孔隙比的应力(即膨胀力)也就增大.

图7 不同温度下渗滤液饱和不同掺砂率混合土的膨胀力随掺砂率变化Fig.7 Changes in swelling pressure of bentonite and sand mixtures with sand mixing rate saturated by leachate at different temperatures

5 渗透系数

防渗衬垫系统除了需具有一定的强度和耐久性外,低渗透性是最重要的条件.用常规常水头和变水头试验方法测量膨润土的渗透系数时间很长,因此本工作除使用变水头试验方法进行测量外,主要使用固结试验测定渗透系数.通常,城市生活垃圾填埋场中衬垫温度在30～40◦C,故选择在32◦C条件下对2种液体的渗透系数进行试验研究;随后,研究温度对渗滤液饱和混合土渗透性能的影响;最后,在32◦C条件下使用渗滤液作为饱和介质进行变水头试验,测量并比较2种方法测量得到的渗透系数.

5.1 渗透液体对渗透系数的影响

图8显示不同掺砂率混合土的2种液体渗透系数随孔隙比的变化情况.图中,纯水和渗滤液分别用作渗透液体时,混合土的渗透系数都随着孔隙比的减少而减小,相近孔隙比下用水饱和混合土的渗透系数比用渗滤液饱和的渗透系数大一些.何俊等[22]利用配制的模拟渗滤液进行试验研究,发现在相同围压和温度条件下,模拟渗滤液饱和的混合土渗透系数比纯水饱和的更大.本工作使用真实渗滤液进行渗透实验,发现在相同孔隙比条件下纯水饱和混合土的渗透系数比渗滤液饱和的渗透系数要大,此试验结论与Demdoum等[8]、ren等[10]的研究结果相同.根据Rauen等[24]研究的不同渗滤液种类饱和液体,与纯水作为饱和液体相比,渗透系数大小关系也有一定的差异.

图8 不同掺砂率混合土的渗透系数随孔隙比变化Fig.8 Changes in hydraulic conductivity of mixtures with different sand mixing rates with void ratio

膨润土颗粒对有机盐有较强的吸附作用,有机盐大部分是有机悬浮物.渗透过程中有机悬浮物附着在土颗粒表面,有的甚至堵塞了土颗粒之间的孔隙,使膨润土掺砂混合土的渗透系数变小.同时,呈胶体状的细小颗粒和微生物吸附着水分子,也使渗透性减小[25].

5.2 温度对渗透系数的影响

图9显示了在不同竖向压力下混合土的渗滤液渗透系数随掺砂率和温度的变化情况,图中竖向压力取加载前后压力平均值.由图9可知,对于相同掺砂率的混合土,渗滤液渗透系数随温度的升高而增大;随着掺砂率增大,温度对混合物的渗透系数增大;当温度从10◦C增加到32◦C时,渗透系数在同一个数量级内变化,增大到了2～6倍.因为温度升高使得土中结合水膜变薄、自由水量增多,所以渗透系数增大.

图9 不同温度下渗滤液渗透系数随掺砂率变化Fig.9 Changes in hydraulic conductivity of mixtures with sand mixing rates using leachate at different temperatures

5.3 不同测定渗透系数的方法比较

图10为分别利用固结试验和变水头试验测得的渗滤液作为饱和液体时混合土渗透系数与孔隙比的关系.图中,在相同孔隙比条件下固结试验测得的渗透系数稍小于变水头试验测得的渗透系数,这与Shirazi等[26]的研究结果一致.正如Mesri等[27]所指出的,由于土骨架本身变形需要一定时间,而固结试验时土骨架会产生变形,故用固结试验测定的渗透系数比变水头试验法(土骨架不产生变形)测得的小.

通常,垃圾填埋场垫层渗透系数应小于1.0×10−7cm/s[28].根据本研究结果,在不同液体、温度以及试验方法的条件下,膨润土掺砂混合土的渗透系数均小于此值,说明其满足相关抗渗要求,是一种较好的垃圾填埋场衬垫材料.

6 结论

本工作通过一系列的膨胀试验、固结试验和变水头试验,研究了不同温度下膨润土掺砂混合土分别在纯水和渗滤液饱和下的膨胀和渗透特性,为膨润土掺砂混合土在实际工程中的应用提供了参考数据.

图10 2种方法测定渗滤液渗透系数的比较Fig.10 Comparisons of two methods for determining the hydraulic conductivity using leachate

(1)渗滤液对膨润土掺砂混合土的膨胀变形有较大的影响,相比于纯水作为饱和液体,渗滤液饱和膨润土掺砂混合土时,膨胀变形小得多,这是因为膨润土负电荷过剩对有机胺盐有吸附作用.另外,阳离子置换会损坏双层结构.

(2)当掺砂率较低时,渗滤液饱和混合土的膨胀力比纯水饱和的小,当掺砂率为50%时用渗滤液与纯水饱和时混合土的膨胀力几乎相同.温度升高,混合土膨胀变形、膨胀力减小,这是由于层间结合水减少以及吸附结合水膜厚度显著变薄.

(3)相近孔隙比下用水饱和混合土的渗透系数比用渗滤液饱和的稍大,主要是因为有机悬浮物附着,使得渗透通道变小、堵塞.渗透系数随温度的升高而增大.

(4)相同孔隙比条件下,固结试验测得的渗透系数略小于变水头试验测得的渗透系数,这主要是因为在固结试验时土骨架会产生变形,而由于土骨架本身变形需要一定时间,故在变水头试验时土骨架不产生变形.