城市固體廢棄物持水特性的室內(nèi)試驗(yàn)

劉曉東,施建勇

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098;

2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

城市固體廢棄物(municipal solid waste,MSW)收集時(shí)是非飽和的,填埋后也處于非飽和狀態(tài)[1],與土不同,MSW為大孔隙介質(zhì),大尺寸組分含量較多,孔隙中含有大量的水和氣,研究MSW的持水特性對(duì)于深入了解其非飽和特性具有十分重要的意義。MSW的持水特性可由土水特征曲線表示,它反映了MSW基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系。確定MSW的持水特性能為填埋場(chǎng)垃圾滲濾液動(dòng)態(tài)傳輸過(guò)程的預(yù)測(cè)提供依據(jù),還能為填埋場(chǎng)中水、氣運(yùn)移分析提供重要參數(shù),尤其MSW的非飽和滲透系數(shù)直接測(cè)試較困難,通過(guò)MSW的持水特性可以間接得到其非飽和滲透系數(shù)。目前關(guān)于MSW的持水特性研究文獻(xiàn)比較少,Holmes[2]發(fā)現(xiàn),隨著垃圾中有機(jī)物的減少,MSW的持水率降低;Jang等[3]通過(guò)改進(jìn)的Temple儀測(cè)量垃圾的土水特征曲線,分析了MSW的壓實(shí)度對(duì)土水特征曲線的影響;Fungaroli等[4]指出持水率隨著MSW粒徑的減小而減小;魏海云[5]通過(guò)壓力板儀和Temple儀對(duì)杭州市MSW的土水特征曲線進(jìn)行了測(cè)試,研究了其組分和初始孔隙比對(duì)土水特征曲線的影響,張文杰等[6]用壓力板儀測(cè)定了蘇州七子山填埋場(chǎng)中MSW試樣的土水特征曲線,得到了MSW持水特性隨填埋深度的關(guān)系曲線。

本文采用非飽和固結(jié)儀進(jìn)行MSW的持水特性試驗(yàn)。使用非飽和固結(jié)儀一方面可以量測(cè)MSW的持水特性在較大吸力范圍內(nèi)的變化,另一方面在試驗(yàn)過(guò)程中可以較精確地量測(cè)試樣的體變,從而獲得飽和度S和孔隙率n隨吸力的變化關(guān)系,為進(jìn)一步分析MSW的非飽和特性參數(shù)提供依據(jù)。通過(guò)對(duì)6組人工配制的MSW試樣進(jìn)行持水特性的對(duì)比試驗(yàn),研究了初始孔隙比、有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和荷載作用對(duì)MSW土水特征曲線的影響;同時(shí)還采用濾紙法進(jìn)行MSW試樣的土水特征曲線量測(cè),并與用非飽和固結(jié)儀法得到的土水特征曲線進(jìn)行了對(duì)比。

1 試樣的選擇

為了分析不同有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同初始孔隙比與荷載作用對(duì)MSW土水特征曲線的影響,采用人工配制的MSW試樣,利用非飽和固結(jié)儀進(jìn)行了6組土水特征曲線測(cè)試試驗(yàn),6組試驗(yàn)控制條件見(jiàn)表1,不同試樣的組成見(jiàn)表2。使用濾紙法進(jìn)行MSW試樣的土水特征曲線量測(cè)時(shí)所用試樣為S2和S6。

表1 對(duì)比試驗(yàn)控制條件

表2 不同試樣的組成(干質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2 試驗(yàn)方法與步驟

2.1 非飽和固結(jié)儀法

采用1.5MPa非飽和固結(jié)儀,測(cè)試方法為:對(duì)儀器密閉的壓力室施加氣壓力,氣壓力將MSW試樣中的孔隙水排出,試樣放置在陶土板上,陶土板只允許水通過(guò)(自由氣體不能通過(guò)),同時(shí)壓力室與橡膠排水管相連,橡膠排水管與量管相連,保證試驗(yàn)過(guò)程中試樣中的孔隙水壓力為0kPa,這樣試驗(yàn)平衡時(shí)試樣的吸力即為該級(jí)氣壓力。逐級(jí)增加氣壓力,計(jì)算每級(jí)氣壓力下的含水率(本文含水率均為體積含水率),最后即可得到MSW的土水特征曲線。

非飽和固結(jié)儀法量測(cè)的具體步驟為:①將配制好的試樣壓入環(huán)刀(直徑61.8mm,高 40mm),所配的試樣最大粒徑尺寸控制在環(huán)刀直徑的1/10以內(nèi),并按照規(guī)范要求[7]進(jìn)行抽氣飽和,抽氣飽和后將試樣放入水中浸泡24h后取出即可進(jìn)行試驗(yàn);②將飽和的MSW試樣放在壓力室的陶土板上,陶土板要事先飽和,試樣頂部放置一濾石,安裝儀器的其他部件并確保儀器的密閉性;③對(duì)儀器壓力室分級(jí)施加氣壓力,在每一級(jí)氣壓力作用下排水穩(wěn)定時(shí),讀取量管里的水量變化,排水穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為:在2h內(nèi)MSW試樣的排水量小于0.012mL;④施加最后一級(jí)氣壓力,待排水穩(wěn)定后,讀取量筒讀數(shù),釋放壓力室中的氣壓力,將試樣取出稱量試樣的質(zhì)量,然后放入烘箱烘干(60℃烘干 48h)得到試樣的干質(zhì)量,以此得出試樣最終的含水率;⑤根據(jù)此含水率及之前每一級(jí)氣壓力下的排水量的變化,反算出前面各級(jí)氣壓力下的含水率,最后根據(jù)氣壓力與含水率的關(guān)系,繪制MSW的土水特征曲線。

2.2 濾紙法

濾紙法是建立在濾紙能夠同具有一定吸力的土達(dá)到平衡(在水分流動(dòng)意義上)的假設(shè)基礎(chǔ)上的。通過(guò)讓已知率定曲線的濾紙與土樣接觸,使得土與濾紙水分充分交換從而達(dá)到平衡后,可以認(rèn)為土體吸力與濾紙吸力近似相等,從而通過(guò)濾紙含水率與率定曲線公式可以換算出相當(dāng)于土樣中的基質(zhì)吸力值。濾紙法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量全吸力范圍(0～10000kPa)內(nèi)的曲線[8]。

同一商標(biāo)的濾紙被認(rèn)為具有同樣的率定曲線。試驗(yàn)采用Whatman No.42型無(wú)灰濾紙,直徑為70mm(未裁剪),其率定公式[9]為

式中:ψ為吸力,kPa;wf為含水率,%。

濾紙法量測(cè)的具體步驟為:①將配制好并飽和后的S2和S6試樣置于大氣中或在烘箱中烘干,至某一設(shè)計(jì)的含水率,取2塊土樣,將3張烘干后的濾紙置于兩土樣之間,并使濾紙與土樣接觸良好,接觸處用膠帶纏好密封,然后用保鮮膜將其密封包好;②將封裝好的試樣靜置10d;③取下保鮮膜,稱量中間一層濾紙和土樣的質(zhì)量,據(jù)此計(jì)算含水率,要保證在30s內(nèi)完成,避免水分蒸發(fā)引起的誤差;④根據(jù)濾紙的含水率,結(jié)合已知的濾紙率定公式(式(1)),得到試樣的吸力值,根據(jù)此吸力值及對(duì)應(yīng)的試樣含水率,繪制出MSW試樣的土水特征曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 MSW試樣與一般土體的持水特性對(duì)比

圖1為本文MSW試樣和一般土體的土水特征曲線。由土水特征曲線可以得到土的進(jìn)氣值 ψb、殘余含水率 θr與和飽和含水率 θs3個(gè)參數(shù)。其中 ψb是指空氣進(jìn)入土孔隙所必須達(dá)到的基質(zhì)吸力值,它是土中最大孔隙尺寸的一種度量;θr是基質(zhì)吸力的增加并不引起含水率的顯著變化時(shí)的含水率,即土水特征曲線變化穩(wěn)定階段對(duì)應(yīng)的含水率[8];θs為土水特征曲線上基質(zhì)吸力為0kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的含水率。

圖1 MSW試樣與一般土體的土水特征曲線對(duì)比

由圖1可以看出,MSW試樣的含水率從低基質(zhì)吸力開(kāi)始就迅速下降,普通土體(細(xì)砂、粉土)的含水率從低基質(zhì)吸力開(kāi)始有一個(gè)幾乎穩(wěn)定不變的過(guò)程,隨著基質(zhì)吸力的增加,當(dāng)達(dá)到某一吸力值后,其含水率才開(kāi)始逐漸下降,最終趨于穩(wěn)定,整個(gè)土水特征變化規(guī)律呈“S”形,突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸力值即為進(jìn)氣值。由圖1可以看出,MSW試樣的進(jìn)氣值非常小,接近0kPa,Gonzalez等[10]試驗(yàn)細(xì)砂的進(jìn)氣值約為10kPa,Fredlund等[11]試樣中粉土和砂混合物的進(jìn)氣值約為15kPa。試驗(yàn)中還進(jìn)行了重塑黏土的土水特征曲線測(cè)量,從圖1可以看出重塑黏土進(jìn)氣值最大,在試驗(yàn)吸力范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)突變點(diǎn)。但是MSW試樣的飽和含水率和殘余含水率與普通土體相比都較高,這主要是由于MSW試樣含有大量的有機(jī)質(zhì),與普通土顆粒相比,有機(jī)質(zhì)具有良好的保水和持水能力。

3.2 初始孔隙比對(duì)MSW試樣土水特征曲線的影響

圖2為有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同(w=60%)、初始孔隙比不同的MSW試樣的土水特征曲線。由圖2可以看出,對(duì)于有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的MSW試樣,隨著初始孔隙比的逐漸增大,試樣的 θs也逐漸增加,θr卻逐漸減小。這主要是由于初始孔隙比越大,飽和狀態(tài)下孔隙中能保留的水分就越多,從而導(dǎo)致 θs逐漸增大,MSW 試樣在e=3.5時(shí),θs=73.13%,當(dāng)e=1.5 時(shí) ,θs=59.12%;另一方面 ,隨著初始孔隙比的增大,θr逐漸減小,其實(shí) θr的大小主要受MSW中結(jié)合水的影響,但是對(duì)于有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的MSW而言,孔隙比越大,顆粒間膠結(jié)越稀松,在高氣壓力的作用下,水更容易被排出,從而也會(huì)導(dǎo)致殘余含水率有相應(yīng)的減小。由圖2還可以看出 ,MSW 試樣在e=3.5時(shí),θr=14.88%,當(dāng)e=1.5時(shí) ,θr=23.47%。

圖2 不同初始孔隙比條件下試樣的土水特征曲線

為更清晰顯示MSW試樣在低吸力階段的持水特性,將圖2中基質(zhì)吸力為0～50kPa土水特征曲線放大如圖3所示。由圖3可以看出,孔隙率越大,其低基質(zhì)吸力下的曲線越陡,這主要是由于大孔隙會(huì)導(dǎo)致排水更快,所以曲線更陡,另外3條曲線交于一點(diǎn),在交點(diǎn)之前,初始孔隙比越大,相同的吸力對(duì)應(yīng)的含水率越高,交點(diǎn)之后,初始孔隙比越大,相同吸力對(duì)應(yīng)的含水率越小。

圖3 不同初始孔隙比條件下試樣在低吸力階段的土水特征曲線

隨著初始孔隙比的逐漸增大,MSW的 θr逐漸減小,這與侯長(zhǎng)亮等[12]得到的規(guī)律一致,與魏海云[5]試驗(yàn)得到的“初始孔隙比越大,垃圾的殘余含水率越大”的規(guī)律相反。魏海云[5]試驗(yàn)試樣配制過(guò)程中包含大量的菜葉和骨肉,這些物質(zhì)的持水能力很強(qiáng),在一定的基質(zhì)吸力試驗(yàn)范圍內(nèi),保持在這些物質(zhì)中的水分無(wú)法排出,從而導(dǎo)致其殘余含水率較高。由此可見(jiàn),使用不同成分配制出的MSW試樣會(huì)得到不同的持水特性。

3.3 有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)MSW土水特征曲線的影響

圖4為初始孔隙比(e=1.5)相同、有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的MSW試樣的土水特征曲線。由圖4可以看出,各組MSW試樣的 θs幾乎相同,都在60%左右,說(shuō)明與初始孔隙比相比,有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于θs的影響很小。隨著MSW中有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小,其 θr也越來(lái)越小,這主要是由于有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小,MSW中無(wú)機(jī)物成分渣土(細(xì)粒成分)的含量越高,由于渣土的顆粒細(xì)小,且含有一定量的有機(jī)成分,所以增加了垃圾的持水能力。

圖4 不同有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下試樣的土水特征曲線

將圖4中低吸力階段(0～50kPa)的土水特征曲線放大,得到圖 5所示的土水特征曲線。由圖5可以看出,有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,其低基質(zhì)吸力階段的曲線越陡,這主要是由于相同初始孔隙比的條件下,有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,其大孔隙越多,排水越快,所以曲線越陡;與圖3土水特征曲線不同,圖5的土水特征曲線沒(méi)有交點(diǎn),從試驗(yàn)一開(kāi)始,相同吸力的條件下,有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的試樣就對(duì)應(yīng)小的含水率。

圖5 不同有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下試樣在低吸力階段的土水特征曲線

隨著有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增大,MSW的 θr逐漸減小,這與侯長(zhǎng)亮等[12]得到的規(guī)律一致,與魏海云[5]試驗(yàn)得到的“有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,垃圾的θr越大”的規(guī)律相反。魏海云[5]試驗(yàn)的對(duì)比試樣中有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和初始孔隙比都不同,兩個(gè)試樣的有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為51.9%和17.1%,初始孔隙比分別為3.2和 2.3,因此無(wú)法確定高的 θr就是由有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的,也可能受到初始孔隙比不同的影響。另外魏海云[5]還做了一組初始孔隙比相同但有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)中魏海云選擇40kPa和10kPa吸力對(duì)應(yīng)的含水率作為試樣的殘余含水率,而在此吸力作用下,試樣的含水率并沒(méi)有穩(wěn)定,若是選擇穩(wěn)定時(shí)的含水率作為試樣的殘余含水率,那么魏海云的試驗(yàn)反映的規(guī)律就和本文試驗(yàn)反映的規(guī)律相同。

3.4 荷載作用對(duì)MSW土水特征曲線的影響

圖6為相同有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、相同初始孔隙比條件下,荷載作用對(duì)MSW試樣土水特征曲線的影響。試樣都是先飽和后再加載或不加載。從圖6可以看出,無(wú)荷載作用時(shí),MSW在低氣壓力階段的曲線更陡,其殘余含水率也更低,這主要是由于MSW在荷載作用下,孔隙變得更加細(xì)小,持水能力增強(qiáng),導(dǎo)致排水更加困難。

圖6 荷載作用對(duì)試樣土水特征曲線的影響

3.5 非飽和固結(jié)儀法與濾紙法的對(duì)比

對(duì)S2和S6試樣用濾紙法進(jìn)行了土水特征曲線的量測(cè),非飽和固結(jié)儀法與濾紙法的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 非飽和固結(jié)儀法和濾紙法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從圖7可以看出,使用濾紙法和非飽和固結(jié)儀法測(cè)得的土水特征曲線總趨勢(shì)是相同的,但是在低吸力下兩種方法得到的吸力值差別較大,相差10%～35%,即在相同含水率下,使用非飽和固結(jié)儀法得到的吸力值比使用濾紙法得到的吸力值要大,且土水特征曲線的變化更加平緩;而在高吸力階段,兩種方法得到的結(jié)果差別不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,一方面由于濾紙本身都是在高吸力下率定的,使用在低吸力階段時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差;另一方面試驗(yàn)過(guò)程中濾紙被剪裁成與土樣的直徑相同,在吸力平衡過(guò)程中,會(huì)有少量水分凝結(jié)在保鮮膜上,當(dāng)吸力平衡結(jié)束拆除保鮮膜時(shí),凝結(jié)的水珠可能會(huì)滑落到土樣間的濾紙上,造成濾紙?jiān)俅挝?而濾紙對(duì)吸水很敏感,即使是少量的水進(jìn)入濾紙,也會(huì)增加其含水率,導(dǎo)致吸力降低,試樣的含水率越高,凝結(jié)在保鮮膜上的水珠越多,這種現(xiàn)象也就越明顯,而在低含水率時(shí),凝結(jié)的水珠很少甚至沒(méi)有,所以得到的結(jié)果和非飽和固結(jié)儀法得到的結(jié)果比較相近。因此用濾紙法測(cè)MSW的土水特征曲線時(shí),高吸力階段的值更加合理,更有參考性,低吸力段(小于 100 kPa)不建議使用濾紙法。

4 MSW的孔隙大小分布指標(biāo)分析

孔隙大小分布指標(biāo)λ是一個(gè)表示孔徑分布特征的常數(shù),λ越小,表示孔隙尺寸分布越不均勻,它對(duì)于預(yù)測(cè)非飽和土的滲透性等特性具有十分重要的意義。

Brooks等[13]在用各類介質(zhì)做了大量脫濕試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了Brooks-Corey公式:

式中:Se為有效飽和度;ψ為MSW的基質(zhì)吸力;θ為含水率。

對(duì)式(2)兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)并整理得

按照式(3)對(duì)得到的6組試樣數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,結(jié)果見(jiàn)表3。由表 3可以看出,MSW試樣的進(jìn)氣值很小,都在1kPa左右;隨著初始孔隙比的增加,MSW試樣的進(jìn)氣值也在逐漸減小,這主要是由于大孔隙使得氣體的進(jìn)入更容易;有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,MSW試樣的進(jìn)氣值也越低,這主要是由于有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,在相同初始孔隙比的條件下,大孔隙含量越大,從而使得氣體的進(jìn)入也更容易;荷載作用使得MSW試樣的進(jìn)氣值增加,S1試樣的進(jìn)氣值為4.58kPa,遠(yuǎn)大于沒(méi)有荷載作用的MSW試樣的進(jìn)氣值,說(shuō)明荷載使得MSW的孔隙變小,透氣更加困難;總體上各試樣的 λ值都比較接近,在0.27～0.47之間,張文杰等[6]得到的 λ值為0.37,λ值都非常小,這也說(shuō)明了MSW的不均勻性。以上結(jié)果同時(shí)也驗(yàn)證了前文所述的不同試樣持水特性的合理性。

表3 土水特征擬合直線結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著初始孔隙比的增加,λ值在減小,隨著有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,λ值也在增加。

5 結(jié) 論

a.與普通土體相比,MSW試樣的進(jìn)氣值很低,定量驗(yàn)證表明在1kPa左右;隨著初始孔隙比的逐漸增大,MSW試樣的飽和含水率也逐漸增加,殘余含水率卻逐漸減小;隨著MSW試樣中有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,其殘余含水率越來(lái)越小,飽和含水率幾乎不變;荷載作用使得MSW殘余含水率也變大。

b.用濾紙法測(cè)MSW的土水特征曲線時(shí),低吸力階段(0～100kPa)時(shí)誤差較大,高吸力階段的值更加合理,更有參考性。

c.孔隙大小分布指標(biāo) λ值非常小,在 0.27～0.47之間,表明了MSW的不均勻性,λ值隨著初始孔隙比的增加而減小,隨著有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。

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