劉 科, 劉 霖,2,*, 張永鵬
(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
隨著煤化工企業(yè)的發(fā)展,產(chǎn)生了大量的煤化工廢水或淤泥質(zhì)廢物,它們的堆積存放需隔離處理,否則會(huì)造成周圍土體及水源污染.土-膨潤土隔離墻常被用來阻隔污染物的運(yùn)移,如何提高隔離墻對(duì)污染物的阻隔性能得到廣泛關(guān)注.杜延軍等[1]通過固結(jié)試驗(yàn)得到膨潤土摻量是影響土-膨潤土試樣滲透性的主要因素;Yeo 等[2]研究發(fā)現(xiàn)5%摻量的膨潤土可使砂-膨潤土滲透系數(shù)降低近3 個(gè)數(shù)量級(jí);Malusis 等[3]研究了添加活性炭改性劑后砂土-膨潤土的滲透性;Angin 等[4]研究發(fā)現(xiàn)硅藻土可降低土壤的滲透系數(shù),提高凍融作用下土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性;Malusis 等[5]分析了砂土-膨潤土在干濕過程中滲透系數(shù)的變化情況;杜淵博等[6]研究發(fā)現(xiàn)在水泥石材料中摻入偏高嶺土,偏高嶺土發(fā)生水化反應(yīng)后生成的水化產(chǎn)物增多,從而使水泥石材料的孔隙率降低,微觀結(jié)構(gòu)更致密.
凹凸棒土具有較好的陽離子交換性、吸水性,且比表面積大,黏結(jié)性好.以凹凸棒土為改良隔離墻材料,通過滲透試驗(yàn)及核磁共振試驗(yàn)研究改良后隔離墻滲透系數(shù)λ的變化,分析隔離墻孔隙結(jié)構(gòu),討論摻加凹凸棒土對(duì)干濕/凍融循環(huán)作用下隔離墻防滲效果的影響,以期為有機(jī)污染場(chǎng)地的隔離、封閉提供理論依據(jù)與參數(shù)支持.
隔離墻材料為風(fēng)積沙土和膨潤土.風(fēng)積沙土取自庫布齊沙漠,其級(jí)配較差,粉黏粒含量少,無黏結(jié)性;膨潤土為鈣基膨潤土,其吸附性及膨脹性良好,與水、細(xì)沙拌和后有較好的可塑性和黏結(jié)性,其中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),文中涉及的含量、配合比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)分別為69.36%、15.53%、2.82%、1.89%.用有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)且性能較好的凹凸棒土作為改良隔離墻材料,其中的SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3含 量 分 別 為60.12%、8.51%、8.45%、4.65%.經(jīng)處理后的煤化工廢水或淤泥質(zhì)廢物中含有包括酚類、多環(huán)芳香族化合物等在內(nèi)的多種污染物,用苯酚溶液代替這些污染物作為滲透液,其質(zhì)量濃度ρ=0、0.5、1.0、2.0、4.0 g/L.
美國環(huán)境保護(hù)署EPA 規(guī)定污染場(chǎng)地隔離材料中水化膨潤土馬氏漏斗黏度應(yīng)在36 s 以上,坍落度在100~150 mm 較為合適,因此選用配合比m(膨潤土)∶m(水)∶m(風(fēng)積沙)=1∶3∶9.凹凸棒土的摻量wa以風(fēng)積沙與膨潤土的總質(zhì)量計(jì),設(shè)定wa=0%、3%、5%、8%、10%,對(duì)應(yīng)的隔離墻分別記為IW0、IW3、IW5、IW8、IW10.干濕循環(huán)制度為:將試樣放入(45±3)℃的烘箱中12 h,取出后在試樣上下面覆蓋透水石后,將其浸入水中,吸水3 h,此為1 個(gè)干濕循環(huán).凍融循環(huán)制度為:將試樣放入-20 ℃的工業(yè)冰箱中,12 h 后取出放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)4 h,此為1 個(gè)凍融循環(huán).設(shè)定干濕/凍融循環(huán)次數(shù)n=0、1、2、3.
用TST?55 型土壤滲透儀進(jìn)行滲透試驗(yàn),采用變水頭試驗(yàn)方法,對(duì)試樣進(jìn)行飽水后,在不同滲透時(shí)間t測(cè)試隔離墻的滲透系數(shù),其測(cè)試間隔為每隔20 min 測(cè)量1 次.用MesoMR23?060H?1 低溫高壓巖土核磁共振分析與成像系統(tǒng)進(jìn)行核磁共振試驗(yàn),將養(yǎng)護(hù)好的試樣取出飽水24 h,用塑料膜包緊放入核磁共振儀中進(jìn)行試驗(yàn).
2.1.1 凹凸棒土對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響
凹凸棒土對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響見圖1.由圖1 可見:無凹凸棒土摻入時(shí),不同苯酚質(zhì)量濃度下隔離墻的滲透系數(shù)無明顯變化規(guī)律,這是因?yàn)榕驖櫷令w??煽焖偬畛溆谕亮ig,減小土樣的孔隙體積,但其擴(kuò)散速率會(huì)受到各種因素的影響,例如環(huán)境因素、試驗(yàn)操作方法等;隨著凹凸棒土摻量的增大,隔離墻滲透系數(shù)變化曲線由分散變?yōu)榫蹟n且逐漸降低,這是因?yàn)榘纪拱敉恋酿そY(jié)性與吸附性較好,可以使隔離墻內(nèi)部變得更加均勻和密實(shí);隔離墻的滲透系數(shù)不隨苯酚質(zhì)量濃度的變化而變化,這是因?yàn)榕驖櫷翆?duì)苯酚的吸附并不改變墻體內(nèi)部孔隙特點(diǎn)、凝膠體系的外邊緣特征及孔隙的聯(lián)通特性[7];隨著凹凸棒土摻量的增大,隔離墻的滲透系數(shù)逐漸減小,當(dāng)wa=3%時(shí),隔離墻滲透系數(shù)降低近50%,繼續(xù)增大凹凸棒土的摻量,其滲透系數(shù)的變化幅度逐漸減小.凹凸棒土有較大的比表面積以及較好的吸附性、黏結(jié)性,可以吸附隔離墻土體內(nèi)部游離的小土顆粒,使其聚集成大顆粒,降低孔隙率,從而使隔離墻滲透系數(shù)降低.凹凸棒土摻量較低時(shí),其顆粒均勻分散于土體內(nèi)部,可以很好地吸附并聚集土顆粒,改變其內(nèi)部滲流路徑,隔離墻滲透系數(shù)降低幅度較大,而隨著其摻量的增大,隔離墻土體內(nèi)部無游離的土顆粒,只能由凹凸棒土顆粒填充孔隙,導(dǎo)致其滲透系數(shù)變化減小.
圖1 凹凸棒土對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響Fig.1 Influence of attapulgite on permeability coefficient of isolation walls
2.1.2 干濕循環(huán)對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響
t=20 min 時(shí),干濕循環(huán)作用下隔離墻滲透系數(shù)的變化曲線見圖2.由圖2 可見:隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,隔離墻滲透系數(shù)增大,其增大幅度約為1個(gè)數(shù)量級(jí);隨著凹凸棒土摻量的增大,隔離墻滲透系數(shù)逐漸減小.土-膨潤土隔離墻在干燥脫濕過程中,膨潤土層狀結(jié)構(gòu)中水分流失,間距減小,膨潤土顆粒從膨脹變?yōu)槭湛s,在增濕過程中,收縮的膨潤土顆粒吸水緩慢回彈[8],但不會(huì)恢復(fù)到原始狀態(tài)那樣密實(shí)均勻.隔離墻內(nèi)部膨潤土顆粒產(chǎn)生干縮和濕漲變形,形成微裂隙,破壞了土顆粒間的膠結(jié)作用,增大了孔隙.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,微裂隙不斷擴(kuò)展,造成固化體孔隙逐漸增大[9],表現(xiàn)為隔離墻滲透系數(shù)增大,該結(jié)果與文獻(xiàn)[10]基本一致.但本文隔離墻的滲透系數(shù)較大,可能是膨潤土種類、摻量不同或試驗(yàn)過程存在的誤差所致.凹凸棒土因獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu),具有膠體性質(zhì)以及好的吸附性、黏結(jié)力,可以填充于土體孔隙結(jié)構(gòu)中,使土體更密實(shí),增強(qiáng)土體穩(wěn)定性及吸附能力,故隨其摻量增大,隔離墻滲透系數(shù)降低.
圖2 干濕循環(huán)作用下隔離墻滲透系數(shù)的變化曲線Fig.2 Variation curves of permeability coefficient of isolation walls under dry?wet cycles(t=20 min)
干濕循環(huán)作用下滲透時(shí)間對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響見表1.由表1 可見,在干濕循環(huán)過程中,隨著滲透時(shí)間的增加,隔離墻的滲透系數(shù)逐漸減小但變化不大(除個(gè)別數(shù)據(jù)外),這是因?yàn)殡S著滲透時(shí)間的增加,膨潤土水化、膨脹過程逐漸完成并填充于土顆粒間,使隔離墻密實(shí)均勻,一定程度上減弱了干濕循環(huán)產(chǎn)生的破壞作用,故隔離墻的滲透系數(shù)略有減小.
表1 干濕、凍融循環(huán)作用下滲透時(shí)間對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響Table 1 Influence of time on permeability coefficient of isolation walls under the action of dry-wet and freeze-thaw cycles×106/(cm·s-1)
2.1.3 凍融循環(huán)對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響
凍融循環(huán)作用下隔離墻滲透系數(shù)的變化曲線見圖3.由圖3 可見:隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,隔離墻滲透系數(shù)逐漸增大,其增大幅度為2 個(gè)數(shù)量級(jí);隨著凹凸棒土摻量的增大,隔離墻滲透系數(shù)逐漸減小,且凍融循環(huán)次數(shù)越多,其降低幅度越大;凍融循環(huán)1 次時(shí),凹凸棒摻量從0%增加到8%時(shí),隔離墻的滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定;不同循環(huán)次數(shù)下,IW10 的滲透系數(shù)均最小.凍融循環(huán)作用下滲透時(shí)間對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響也列于表1.由表1 可見:隔離墻滲透系數(shù)隨著滲透時(shí)間的增加而降低,且降低幅度為1 個(gè)數(shù)量級(jí);對(duì)比干濕循環(huán)作用下滲透系數(shù)的變化,凍融循環(huán)作用對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響及損害更大.
圖3 凍融循環(huán)作用下隔離墻滲透系數(shù)的變化曲線Fig.3 Variation curves of permeability coefficient of isolation wall under freeze?thaw cycles
由于膨潤土中蒙脫石含量較高,晶粒較小,比表面積較大,且層間作用力較弱,在溶劑中易剝離、膨脹、分離而形成更薄的單晶片,使蒙脫石具有更大的內(nèi)表面積,因此膨潤土具有較高的吸附能力[11].未摻加凹凸棒土?xí)r,隨時(shí)間增加膨潤土水化生成的膠凝物質(zhì)填充了土體孔隙,降低了隔離墻的孔隙率,阻礙了污染物的通過,故其滲透系數(shù)逐漸減小.摻入凹凸棒土可以進(jìn)一步填充隔離墻孔隙,使其具有更好的吸附性、陽離子交換性,從而阻礙苯酚在隔離墻中的遷移,降低其滲透系數(shù),起到對(duì)污染物的隔離效果.凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生的凍脹力對(duì)隔離墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生破壞作用,形成較多孔隙,損傷隔離墻的穩(wěn)定性,故隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,隔離墻因凍脹溫縮產(chǎn)生的破壞愈加嚴(yán)重,滲透系數(shù)也逐漸增大.凹凸棒土因特殊的層鏈狀結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的吸水性,可吸附墻體內(nèi)部游離的水分子,降低因水分凍脹而使隔離墻產(chǎn)生的破壞作用,且凹凸棒土具有一定的黏結(jié)力,可增強(qiáng)土顆粒間的黏聚力,隨著其摻量的增加,這種作用亦在增強(qiáng),可有效抑制凍融循環(huán)對(duì)隔離墻的破壞.
2.2.1 凹凸棒土摻量對(duì)隔離墻孔隙分布的影響
凹凸棒土摻量對(duì)隔離墻孔隙分布的影響見圖4,圖中d為孔隙半徑.由圖4 可見:隨著凹凸棒土摻量的增加,隔離墻孔隙分布曲線整體向左偏移,孔隙半徑減小,這說明凹凸棒土顆粒可以填充隔離墻內(nèi)部孔隙,減小其孔隙半徑,使隔離墻更加致密均勻.
圖4 凹凸棒土摻量對(duì)隔離墻孔隙分布的影響Fig.4 Effects of wa on the pore size distribution of isolation walls
2.2.2 干濕循環(huán)作用下隔離墻孔隙分布
干濕循環(huán)作用下隔離墻孔隙分布見圖5.由圖5可見,隔離墻孔隙變化曲線出現(xiàn)了3 個(gè)峰:第1 個(gè)峰的孔隙半徑為0.010~0.100 μm,峰區(qū)面積最大;第2個(gè)峰的孔隙半徑為0.100~5.000 μm,峰區(qū)面積次之;第3 個(gè)峰的孔隙半徑為5.000~50.000 μm,峰區(qū)面積最小.有研究表明,孔隙分布曲線中3 個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)試樣中的小孔、中孔及大孔,峰區(qū)面積反映的是相應(yīng)的孔隙體積[12].干濕循環(huán)作用后,第1 個(gè)峰的峰區(qū)面積明顯減小,第2 個(gè)峰的峰區(qū)面積增大,其原因是干濕循環(huán)作用下產(chǎn)生的脹縮效應(yīng)會(huì)破壞隔離墻的內(nèi)部結(jié)構(gòu),增大其孔隙率,使部分小孔隙演變?yōu)橹锌紫?隨著循環(huán)次數(shù)的增加,第1 個(gè)峰的峰區(qū)面積繼續(xù)減小,第2 個(gè)峰的峰區(qū)面積繼續(xù)增大,即隔離墻土體內(nèi)部小孔數(shù)量減少,中孔數(shù)量增多,說明干濕循環(huán)作用削弱了隔離墻土顆粒間的膠結(jié)作用,破壞了隔離墻的結(jié)構(gòu)完整性,使其內(nèi)部形成微裂隙,增大了較大孔隙的分布.隨著凹凸棒土摻量的增大,第1 個(gè)峰的峰區(qū)面積逐漸增大,第2 個(gè)峰的峰區(qū)面積逐漸減小,第3 個(gè)峰的峰區(qū)面積有減小趨勢(shì)但變化不大,這說明凹凸棒土的摻入使隔離墻內(nèi)部中孔隙減少,小孔隙增加,原因是凹凸棒土吸水性強(qiáng),可減弱隔離墻因脹縮效應(yīng)所產(chǎn)生的破壞,且凹凸棒土有黏性和可塑性,可吸附土顆粒,減小孔隙,改變土體內(nèi)部滲流通道,干燥后收縮小,對(duì)干濕循環(huán)產(chǎn)生的破壞有所抑制.
圖5 干濕循環(huán)作用下隔離墻孔隙分布Fig.5 Pore size distribution of isolation wall under dry?wet cycles
2.2.3 凍融循環(huán)作用下隔離墻孔隙分布
凍融循環(huán)作用下隔離墻孔隙分布見圖6.由圖6可見:首次凍融過程中,有2個(gè)明顯的主峰區(qū);凍融循環(huán)2次時(shí),2 個(gè)主峰區(qū)孔隙半徑分布均減??;凍融循環(huán)3 次時(shí),第1個(gè)峰峰值降低,第2個(gè)峰峰值升高.這可能是因?yàn)閮鋈谘h(huán)開始時(shí),膨潤土水化產(chǎn)生膠結(jié)物填充于土體孔隙中,增加了土體的密實(shí)度,且土體中的大團(tuán)聚體由于凍脹力遭到破壞,形成較多的小團(tuán)聚體,也使大孔隙數(shù)減少;隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,凍脹溫縮對(duì)土體的破壞愈加嚴(yán)重,使小孔隙發(fā)展為中孔隙,出現(xiàn)小孔隙減少、中孔隙增多的現(xiàn)象.由圖6 還可見,隨著凹凸棒土摻量的增大,第1 個(gè)峰的峰區(qū)面積增大,第2 個(gè)峰的峰區(qū)面積減小,即小孔隙數(shù)量增加,中孔隙數(shù)量減少,大孔隙數(shù)量基本不變,但孔隙半徑略微變小,這表明凹凸棒土可有效降低凍融循環(huán)過程中隔離墻內(nèi)出現(xiàn)的微裂隙,有利于增強(qiáng)土-膨潤土隔離墻對(duì)污染液的阻隔效果.
圖6 凍融循環(huán)作用下隔離墻孔隙分布Fig.6 Pore size distribution of isolation wall under freeze?thaw cycles
2.2.4 干濕/凍融循環(huán)作用下隔離墻孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)比
比較圖5、6 可見:未進(jìn)行干濕/凍融循環(huán)時(shí),隔離墻內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)較單一,孔徑為0.001~0.100 μm;3次干濕循環(huán)后,小孔隙數(shù)量減少,部分轉(zhuǎn)化為中孔隙;凍融循環(huán)后,孔隙結(jié)構(gòu)變化與干濕循環(huán)基本一致,但第2 個(gè)峰的峰區(qū)面積較大,這表明凍融循環(huán)作用下隔離墻內(nèi)中孔隙分布更廣,結(jié)構(gòu)破壞較干濕循環(huán)更為嚴(yán)重,內(nèi)部流通性更好,防滲及阻隔效果較差,這與上述凍融循環(huán)作用對(duì)隔離墻滲透系數(shù)的影響及損害較大的結(jié)論一致.
(1)凹凸棒土的摻入可使隔離墻滲透系數(shù)大幅降低,隨著其摻量的增大,隔離墻滲透系數(shù)的降低趨勢(shì)逐漸減緩;隔離墻滲透系數(shù)隨干濕/凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大,不隨苯酚質(zhì)量濃度變化而變化.
(2)未進(jìn)行凍融/干濕循環(huán)時(shí),隨著凹凸棒土摻量的增大,隔離墻內(nèi)部孔隙半徑減小,且有極少的大孔隙;隨著干濕、凍融循環(huán)次數(shù)的增加,隔離墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞加劇,小孔隙分布減少,中孔隙增加.
(3)凹凸棒土顆粒具有較好的吸附性與黏結(jié)性,可填充土體孔隙,增大其摻量可降低隔離墻的孔隙率,減輕干濕、凍融循環(huán)作用對(duì)隔離墻的破壞作用,使隔離墻滲透系數(shù)減小.
(4)凍融循環(huán)作用對(duì)隔離墻滲透系數(shù)及孔隙結(jié)構(gòu)的影響大于干濕循環(huán)作用.