寒区蒸发塘防渗材料的耐久性研究

张丽雅 李 健 肖建章

(中国水利水电科学研究院,北京 100048)

1 研究背景

蒸发塘防渗结构主要用于隔绝污染废液,防止其渗过防渗层,污染地下水,避免对环境造成危害。 防渗结构多由地基、防渗层和保护层组成,设计条件、废液特征和运行模式均对结构寿命有重要影响[1-3]。 工程中常用防渗材料为的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜和钠基膨润土防水毯(GCL)。 通常HDPE 土工膜在短期内工作性能良好,但长期运行过程中受化学和应力的协同作用以及接触的环境差异,对服役寿命有重要影响。 对其长期使用耐久性的研究目前还鲜有报道。 此外,运行过程中温度、物质组成、赋存条件、工作环境等因素交替作用也会导致防渗材料发生不同程度的损伤劣化,进而对蒸发塘的渗流及稳定带来严重影响,直接影响服役年限。 因此,为了解防渗结构的长久工作性能,系统开展寒区蒸发塘防渗材料的耐久性研究具有重要的现实意义。

HDPE 土工膜的耐久性与所选材料、保护措施(防止损害或应力集中)、接触液体化学性质及温度等因素相关,耐久性受到温度、溶液浓度及化学成分等的影响。 Aminabhavi et al.[4]研究了25℃、50℃和70℃条件下HDPE 土工膜在苯、甲苯、二甲苯、三甲基色氨酸苯、茴香醚、氯苯、1-氯奈、二氯甲、1,2-二氯乙烷、丙酮、甲基乙烷酮、甲基酮乙基酮、环乙酮和丁醛等14 种危废溶液中的吸附与解吸附作用、扩散性、渗透性和膨胀性,结果表明尽管HDPE 土工膜渗透系数会受温度和溶液种类影响,但整体仍能保持较低的渗透系数。Hsuan 等检测了在沥出液中使用7 年的HDPE 土工膜,发现HDPE 土工膜的内部结构和工程、水力属性均无显著变化[5]。 相反,Rowe 等对运行14 年后在渗沥液中取出的裸露在外土工膜进行检测,发现氧化诱导系数和张拉、断裂属性均非常低,熔融指数试验结果表明土工膜因聚合物的链式分离反应而产生了降解,土工膜严重开裂并在受力条件下极易开裂[6]。 上述研究表明,在保护良好、没有损害的条件下,埋深于土下对土工膜安全服役有利,但缺乏HDPE 的长期服役情况的分析研究。

Ruhl 等研究了5 种GCL 在7 类溶液和3 类水化条件下的渗透性试验,结果表明水化条件对GCL 的渗透性具有重要的影响,渗透系数存在明显差异[7]。Petrov 等对针织GCL 的试验表明盐浓度的增加和围压数量级的降低都会导致导水性的增加,高浓度盐水中水化的GCL 渗透性较大[8]。 冻融循环对GCL 渗透性影响方面,Rowe 等测试了100 次冻融循环对GCL 的影响[9];介玉新等利用自行设计的渗透试验装置对50 次冻融循环条件下的GCL 渗透性进行了研究[10],但当前国内外有关冻融循环对GCL 渗透性影响的试验分析较少,冻融次数也存在明显差异。

我国北方高寒地区温差大,作为浸水防渗材料,GCL 会因温度的变化而产生冻融循环,威胁到GCL 的工作性能及持久性。 蒸发塘所在区域属于干旱大陆性气候区,冬寒夏热,年温差变化较大,冬季寒冷冰冻期长,极端最低气温-33.4℃(1 月),最冷月的最低气温的平均值-22.5℃,最冷日气温平均值-25.3℃。 鉴于此,本文系统开展了强碱、强盐、强酸和生产废液条件下的材料耐腐蚀试验,对比分析浸泡前后HDPE 土工膜的力学性能、GCL 渗透性,评价腐蚀条件下的材料的耐久性,考虑蒸发塘建在季节性温差较大地区的气候特征,测试冻融循环次数对GCL 渗透性的影响。

2 试验原材料与试验方案

2.1 试验依据

防渗材料耐腐蚀试验主要依据土工布及其有关产品抗酸、碱液性能的试验方法(GB/T 17632)、ASTM D5332-17、ASTM D5747/ D5747—2008(2013)e1、ASTM D5819-18、土工合成材料耐久性评价方法选择导则、GCL41、ASTM D6141-14,GCL 渗透试验主要依据《钠基膨润土防水毯》(JG/T 193—2006)。

2.2 试验设备和试液

试验设备主要有样品浸泡箱、试验架、搅拌器等。试验溶液为ⓐ强酸液:1.25g/L;ⓑ强碱液:0.575g/L;ⓒ盐溶液:0.108g/L;ⓓ废液。 见图1 ~图3。

图2 部分试验样品

图3 配制试验溶液的化学试剂

2.3 试验方法

从样品上剪取5 组试样,其中4 组试样分别用于酸、碱、盐和废液中,1 组用作对照样。 按所需浓度配置溶液(见图4),液体量为试样重量的30 倍以上,将试样完全浸没。 冻融循环温度设置为-40℃冷冻,室内恒温20℃解冻。

将试样在不受任何有效机械应力的情况下放置在容器中,试样之间、试样与容器壁之间以及试样与液体表面之间的距离至少为10mm。 其间保持溶液的组成不变,在有效元素浓度降低,或者相态体系发生变化的情况下,按常规方法调节浓度或更换液体。 配液应当每天搅拌一次,当连续使用时至少每7d 添加或者更换一次,以保持初始时的pH 值。

浸渍样从液体中取出后,依次在试验用水、0.01mol/L 的碳酸钠溶液、纯净水水中充分清洗,对照样在温度为(60 ±1)℃的水中浸渍1h。 清洗后的试样在室温下晾干。

GCL 渗透试验采用柔壁渗透仪完成,柔壁渗透仪(见图5)由压力腔、测试单元(包括上下试样座、透水石、试样等)、柔性乳胶膜、滤出液导出管、围压输入管、渗滤液输入管等组成。 装样后根据测试采用的渗透压力确定围压,取围压比渗透压高0.3 ~0.5MPa,围压可通过加水压使乳胶膜紧贴试样,确保试样侧壁不渗漏,稳定后施加渗透压力,有液体渗出后计时,量测渗出液体体积,根据达西定律计算试样的渗透系数k:

图4 试验溶液配比过程

图5 柔壁渗透仪结构示意图

式中:k 为某一温度时的渗透系数,cm/s;Q 为时间t 内的渗透水量,mL;L 为试样高度,cm;A 为试样断面积,cm2;p 为渗透压力,kPa;t 为渗透时间,s。

3 试验结果与数据分析

双光面1.5cm 厚HDPE 土工膜测试中,拉伸强度分横纵两个方向测试,浸泡间分别为16 周和26 周。屈服强度和断裂强度试验方法按GB/T 1040 的规定进行,测试用Ⅱ型试样,试验速度选择F = 50 × (1 ±10%)mm/min,试验得到的屈服强度和断裂强度随不同腐蚀溶液浸泡时间的变化分布分别见图6 和图7。

图6 不同浸泡液体下屈服强度随浸泡日期的变化

图7 不同浸泡液体下断裂强度随浸泡日期的变化

通过对比分析可以看出,同一种腐蚀液体中,纵向强度要略大于横向强度;屈服强度和断裂强度随不同腐蚀溶液浸泡时间变化的规律相近,都是在浸泡后强度有略微的变化,表明在试验的浸泡时间内腐蚀溶液对土工膜的强度影响较小。

GCL 耐腐蚀渗透试验结果见图8 和图9。 测试表明,废液浸泡16 周时,渗透系数变化较小,浸泡至26周时,渗透系数略微上升,达到1.35 ×10-10m/s。 而饱和钙液浸泡16 周时,渗透系数略微上升,达5.48 ×10-10m/s;浸泡至26 周时,渗透系数为9.05×10-10m/s,变化较小,趋势渐稳。

图8 废液浸泡周数对GCL 渗透系数的影响

图9 饱和钙液浸泡周数对GCL 渗透系数的影响

冻融循环条件下,GCL(规格GCL-NP/N/5000)渗透系数的变化较小,基本位于10-11m/s 的量级内,见图10。

图10 冻融循环次数对GCL 渗透系数的影响

干湿循环条件下GCL(规格GCL-NP/N/5000)渗透系数的变化也较小,与冻融循环类似,基本位于10-11m/s 的量级内,见图11。

图11 干湿循环次数对GCL 渗透系数的影响

4 结 论

本文以我国北方高寒地区气候环境为试验条件,系统开展了蒸发塘防渗结构中HDPE 土工膜和GCL两种主要防渗材料的耐久性测试,结论如下:

a. 强碱、强盐、强酸和生产废液浸泡26 周情况下溶液腐蚀对双光面HDPE 土工膜强度影响较小,渗透系数均在i×10-10m/s,趋势渐稳。

b. GCL 在生产废液和饱和钙溶液浸泡26 周后其渗透性略增,但对防渗性能的影响不大;历经20 次的冻融和干湿循环作用后GCL 的渗透性无明显变化,基本位于10-11m/s 的量级内。

c. 相关研究成果已在内蒙古克什克腾旗蒸发塘工程中得到应用。