膨润土在危废填埋场防渗系统粘土层改性中的应用

胡开亮 陈艳 翟志勇 黄显雄 邵明忠 王庆

(1.上田环境修复有限公司 江苏常州 213000； 2.光大环境修复(江苏)有限公司 南京 211100)

0 引言

固体废弃物填埋场分为柔性填埋场和刚性填埋场，在柔性填埋场工程设计中需采用水平防渗系统，防渗系统是固体废弃物填埋场(包括生活垃圾卫生填埋场、一般工业固体废弃物填埋场、危险废弃物填埋场等)发挥环保防渗功能的核心内容之一[1-2]。因而填埋场中的防渗层至关重要，必须起到有效截留、阻滞渗滤液中污染物质的作用，以保护填埋场周边生态环境，其渗透系数必须满足现行规范和标准的要求[3-4]。在各种类型填埋场防渗系统结构组成中，压实粘土是普遍应用的保护材料，针对压实粘土层，设计时通常会规定其渗透系数的指标要求。

在危废填埋处置领域，根据《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598—2019)的要求[5]，在双人工衬层的防渗结构中，主、次衬层均应具有渗透系数小于1.0×10-7cm/s的粘土衬层。而一般情况下，填埋场现场很难找到满足上述要求的天然粘土，需要对粘土材料进行改性，方可使其达到相关的指标要求。本文通过对某危废填埋场防渗工程采用膨润土进行粘土改性研究和实践应用，旨在为类似工程中膨润土改性粘土满足渗透系数指标要求提供参考。

1 基础条件

某危废填埋场防渗工程设计为双人工衬层结构，如表1所示，主衬层要求有厚度不小于0.3 m，且被人工改性、压实等措施后的饱和渗透系数小于1.0×10-7cm/s的粘土衬层；次衬层要求有厚度不小于0.5 m，且被人工改性、压实等措施后的饱和渗透系数小于1.0×10-7cm/s的粘土衬层。

表1 某危废填埋场防渗系统结构(从上至下)

根据项目现场地勘报告中的岩层地层结构及物理性质，在勘察深度范围内，将场地土层划分为5大层、6个亚层，各岩土工程地质分层、埋深、岩性特征及空间分布如表2所示。

表2 岩层结构及岩土特征 单位：m

根据地勘资料，本工程防渗系统结构中的粘土层可选取的天然材料为粉质粘土，其渗透系数经验值为1.2×10-6～6.0×10-5cm/s。

2 粘土改性方案

膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产材料，按蒙脱石可交换阳离子的含量、种类和电荷大小，膨润土可分为钙基膨润土(碱性土)、钠基膨润土(碱性土)和天然漂白土(酸性土或酸性白土)，其中钙基膨润土又涵盖了钙钠基和钙镁基等。

我国膨润土矿产资源丰富，蕴藏量世界排名第二。膨润土是一种廉价易得、应用广泛、效果明显的工程材料，其防渗用途已在建筑工程、水利工程中得到广泛应用。钠型膨润土吸水后体积会发生膨胀，可达原土的10～30倍，阳离子交换容量为800～1 000 meq/kg，比一般粘土高出许多倍，因此在土壤中添加膨润土不但可以减少土壤的孔隙度，而且可以提高衬层吸附污染物的能力，从而降低其渗透性。

一般来说，粘土系阻截材料的渗透性能随着膨润土掺量的增大而减小，但存在最优值，高于此值后，渗透系数不再显著降低。刘阳生等[6]研究了钠基膨润土掺加量对粘土阻截性能和渗透系数的影响，实验结果表明：当膨润土含量较低时，随着膨润土含量的增加，其渗透系数下降很快；但当膨润土含量超过6%～7%后，继续增加膨润土含量，其渗透系数下降不明显。目前，国内外对于钠基膨润土掺加量对粘土系阻截性能和渗透性的影响研究得到的结论基本一致，最优值一般为5%～7%。

因此在本工程中，采用膨润土作为粘土改性材料，所用膨润土为钠基膨润土(以下简称膨润土)。改性步骤如下，具体改性流程如图1所示。

(1)对现场筛选出的粘土(后称原土)取样送专业岩土实验室进行相关检测，通过击实试验取得最优含水率、最大干容重等参数后，检测原土的渗透系数。

(2)根据原土的渗透系数，进行膨润土掺入量的试验：按照不同掺入量进行多组试验，分别检测含水率、干容重、渗透系数等参数。

(3)在多组试验中，分析压实度、膨润土掺量等对材料及施工综合成本的影响，计算得出性价比相对更高的方案，即找到膨润土掺量和压实度的最优结合点，使其既满足渗透系数要求，又能最大程度节约材料及拌合、摊铺、压实成本。

(4)根据上述试验得出相关参数后，进入现场施工实验段步骤。

图1 粘土改性流程

3 应用情况及实验数据

本工程场区开挖的天然粘土通过摊铺、压实后，取样检测压实度和渗透系数，压实度检测采用环刀法，渗透系数检测采用变水头渗透试验法，检测结果显示渗透系数为3.6×10-7cm/s，不满足设计要求。具体检测数据如表3所示。

表3 压实天然粘土检测结果

粘性黄土的渗透系数可达10-6cm/s数量级[7]，根据相关实验研究，掺加一定量的钠基膨润土后，其渗透系数可降低至10-7cm/s数量级，膨润土性能指标如表4所示。本工程现场天然粘土的渗透系数已接近设计要求，结合上述相关实验研究情况，确定本工程分别以质量分数为2%、3%、4%、5%、6%、7%的膨润土掺量作为对比实验，取样检测其渗透系数，如表5和图2所示。

表4 膨润土性能指标检测结果

表5 膨润土不同掺量下粘土性能指标检测结果

图2 膨润土掺量与渗透系数和含水率的关系

根据现场实验数据，采用各项性能指标合格的钠基膨润土掺入天然粘土，其掺量为4%、压实度不小于94%时，检测渗透系数达到0.9×10-7cm/s，可满足设计要求。掺量增大至5%、6%、7%，其渗透系数下降不明显。考虑到工程现场实际施工过程中可能存在的拌合、压实均匀性的影响，实际施工确定的膨润土掺量为5%(实测渗透系数为0.8×10-7cm/s)。现场膨润土拌合及粘土层摊铺压实如图3、图4所示。

图3 膨润土拌合

图4 粘土层摊铺压实

4 结语

在本工程实践中，现场开挖的粉质粘土虽不能满足渗透系数指标要求，但经掺入钠基膨润土改性后可达到指标要求。相比外购合格的土源需要高昂的购土及运输费用，就地取土掺入膨润土进行改性仅增加膨润土材料及拌合作业费用，粘土土源无需付费，总体费用满足工程费用控制目标，综合比较，节约了一笔可观的工程费用。

因各地天然粘土性能差异，在实际工程应用中，应结合现场能采购到的膨润土材料，通过实验段的方法验证膨润土掺量与能达到渗透系数的关系，选取经济合理的膨润土掺量参数和粘土摊铺碾压的施工参数，以达到最佳的工程实施效果。

综上所述，本工程采用的膨润土改性粘土方案技术可行、经济合理，是一套较为理想的实施方案，对类似工程具有一定的参考意义。