垃圾填埋場改性膨潤土漿材力學(xué)性能研究

章澤南，代國忠，史貴才，李雄威，李書進(jìn)

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，常州 213164；2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，常州 213032)

0 引 言

近年來，國內(nèi)城市化水平高速發(fā)展，城市人口數(shù)量日益膨脹，城市居民對(duì)生活質(zhì)量的要求也不斷提高，隨之而來的是城市生活垃圾年堆積量劇增[1]，部分地區(qū)已出現(xiàn)“垃圾圍城”的現(xiàn)象，如不妥善處理將對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生極強(qiáng)的污染。對(duì)于城市生活垃圾，我國廣泛使用的處理方法是垃圾衛(wèi)生填埋[2]，目前70%以上的城市生活垃圾仍以衛(wèi)生填埋為主要處理方式[3]。該項(xiàng)技術(shù)是處理城市生活垃圾長久有效兼具經(jīng)濟(jì)的方法，并且具有一定的資源潛力[4]。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市生活垃圾種類越來越繁雜，污染性越來越強(qiáng)，越來越難處理[5]，傳統(tǒng)的垃圾填埋場防滲墻已難以滿足如今的要求。鑒此，選擇在傳統(tǒng)的膨潤土-粉煤灰-水泥(BFC)防滲漿材的基礎(chǔ)上采用羧甲基纖維素鈉為改性劑對(duì)膨潤土進(jìn)行有機(jī)化處理，從而形成一種復(fù)合材料，使得膨潤土原有的膨脹性和低滲透性得以加強(qiáng)，能夠更好地滿足如今垃圾填埋場對(duì)防滲墻的要求。如果垃圾填埋場防滲墻剛度過大，則容許變形小，難以適應(yīng)周圍填土的變形[6]，加之其本身受力狀態(tài)復(fù)雜[7]，容易產(chǎn)生開裂，將會(huì)極大影響垃圾填埋場使用壽命[8]。而經(jīng)羧甲基纖維素鈉改性的膨潤土-粉煤灰-水泥防滲漿材彈性模量適中，剛度與周圍的填土相近，具有良好的柔韌性，能夠與填土協(xié)同變形，不易開裂。

漿材各組分比例對(duì)漿材固結(jié)體的力學(xué)性能具有重要影響，本文通過正交實(shí)驗(yàn)探究各組分摻量的最佳范圍，再經(jīng)因素影響分析影響單一組分對(duì)漿材固結(jié)體的影響，最后在掃描電鏡實(shí)驗(yàn)下，分析各組分影響漿材固結(jié)體凝結(jié)強(qiáng)度的微觀機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

防滲漿材的主要原料為膨潤土、水泥、粉煤灰，改性劑為羧甲基纖維素鈉，采用碳酸鈉、聚羧酸減水劑為添加劑。膨潤土選用南京某地的鈣基膨潤土，水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥。碳酸鈉與羧甲基纖維素鈉均為分析純級(jí)。減水劑為為安徽某公司生產(chǎn)的TOJ800-10A 型，粉煤灰為南京某公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰。實(shí)驗(yàn)使用電子萬能壓力機(jī)對(duì)漿材固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，試驗(yàn)加載的速率控制在0.5 mm/min。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 電子萬能壓力機(jī)
Fig.1 Electronic universal press

圖2 防滲漿材試樣
Fig.2 Slurry test sample

1.2 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備

制備試樣時(shí)，首先對(duì)膨潤土進(jìn)行鈉化處理。稱量一定量的膨潤土倒入燒杯中，再配置一定濃度的碳酸鈉溶液，倒入膨潤土中并攪拌均勻；接著將配置好的羧甲基纖維素鈉溶液倒入已鈉化的膨潤土中，靜止8 h以上進(jìn)行改性；待改性完成后，稱取一定量的水泥與粉煤灰摻入改性后的膨潤土中，最后加入配置好的減水劑溶液與一定量的水并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使各組分分布均勻。在此過程中需注意水的用量，使攪拌均勻的漿材可泵期達(dá)40 min以上。將攪拌均勻的漿材倒入72 mm×72 mm×72 mm的模具中形成漿材強(qiáng)度試樣，如圖2所示。待漿材凝結(jié)且具有一定強(qiáng)度后脫模，將漿材強(qiáng)度試樣置于水泥養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃，濕度為90%，養(yǎng)護(hù)至14 d、28 d待用。

1.2.2 正交實(shí)驗(yàn)方法

不同配比的漿材，其強(qiáng)度存在很大的差異，為了研究每個(gè)組分對(duì)漿材實(shí)驗(yàn)的影響，需進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，不僅難以操作而且因?qū)嶒?yàn)條件會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。因而結(jié)合前期已取得的實(shí)驗(yàn)成果，決定采用正交實(shí)驗(yàn)方法，不僅大量減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)，而且能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。根據(jù)前期漿材室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，決定對(duì)漿材性能影響較大的組分進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)：水泥的摻量取190～220 g/L，膨潤土摻量取190～220 g/L，羧甲基纖維素鈉摻量取0.5～2.0 g/L，碳酸鈉摻量取1.0～2.5 g/L，其余組分對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較小，取固定值：粉煤灰摻量為160 g/L，減水劑摻量為3 g/L，采用L16(44)四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)選漿材配比組合。制定的正交實(shí)驗(yàn)如表1所示。

對(duì)正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，尋求各組分的優(yōu)水平并對(duì)影響漿材固結(jié)體凝結(jié)強(qiáng)度的各組分進(jìn)行主次排序。漿材固結(jié)體14 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析如表2、表3所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Orthogonal experimental scheme

表2 試樣14 d強(qiáng)度極差分析Table 2 Range analysis of 14 d strength of samples

表3 試樣28 d強(qiáng)度極差分析Table 3 Range analysis of 28 d strength of samples

根據(jù)極差分析表繪制的各組分在不同時(shí)期對(duì)試樣強(qiáng)度的影響走勢曲線見圖3。

由表2、表3及圖3可知漿材固結(jié)體的強(qiáng)度在前期隨膨潤土摻量的增加而增加，但在后期膨潤土摻量增加卻會(huì)影響漿材固結(jié)體的凝結(jié)強(qiáng)度，為了獲取較佳的漿材前期強(qiáng)度，膨潤土摻量選擇為200～210 g/L。漿材各組分的摻量控制在以下范圍內(nèi)：水泥210～220 g/L，膨潤土200～210 g/L，碳酸鈉1.5～2.5 g/L，羧甲基纖維素鈉1.5～2.0 g/L，漿材具有較適宜的強(qiáng)度。

圖3 各組分對(duì)試樣強(qiáng)度的影響曲線
Fig.3 Influence curves of different components on strength of samples

漿材的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在14 d齡期時(shí)平均值為0.364 MPa，到達(dá)28 d齡期時(shí)平均值為0.582 MPa。由表3及圖3可以看出，漿材的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在14 d齡期內(nèi)主要受膨潤土摻量的影響，而到達(dá)28 d齡期后，水泥成為影響漿材無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素。在14 d齡期內(nèi)漿材的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著各因素?fù)搅康脑黾佣龃?，此時(shí)膨潤土摻量為影響漿材無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素；而到達(dá)28 d齡期時(shí)，漿材的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨潤土摻量的增加而減小，水泥摻量成為影響其強(qiáng)度的主要因素。碳酸鈉和羧甲基纖維素鈉作為膨潤土的改性劑通過對(duì)膨潤土進(jìn)行改性影響膨潤土的膨脹性，從而影響試樣的整體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，具有不可忽視的作用。由于正交試驗(yàn)沒有考慮其各因素之間的耦合作用，因此要進(jìn)行因素影響分析進(jìn)一步分析各因素與漿材強(qiáng)度之間的關(guān)系。

1.2.3 因素影響分析方法

首先分析水泥和膨潤土摻量對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以210 g/L水泥，200 g/L 膨潤土，1.5 g/L碳酸鈉，1.5 g/L羧甲基纖維素鈉，除水外其他材料摻量不變?yōu)榛鶞?zhǔn)配比，控制水泥摻量為190～230 g/L，膨潤土摻量為180～220 g/L，分別測試不同水泥和膨潤土摻量下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，具體比例見表4。

根據(jù)表4繪制的不同摻量水泥對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線見圖4，不同摻量膨潤土對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線見圖5。

由表4與圖4、圖5可知，影響試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素為水泥，水泥摻量從190 g/L增加至230 g/L，試樣60 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從0.625 MPa增加到了0.915 MPa，增加了0.29 MPa。膨潤土摻量從180 g/L增加至220 g/L，試樣的14 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增加趨勢，但只增長了0.088 MPa，增長幅度較小，試樣的60 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)先小幅增長后降低的趨勢，曲線走勢基本與正交實(shí)驗(yàn)相符合。

表4 不同摻量水泥和膨潤土對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Table 4 Effects of cement and bentonite content on unconfined compressive strength of samples

圖4 不同摻量水泥對(duì)試樣強(qiáng)度的影響曲線
Fig.4 Influence curves of different cement content on strength of samples

圖5 不同摻量膨潤土對(duì)試樣強(qiáng)度的影響曲線
Fig.5 Influence curves of different bentonite content on strength of samples

接下來分析碳酸鈉和CMC-Na摻量對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。碳酸鈉作膨潤土的鈉化劑，羧甲基纖維素鈉為膨潤土的改性劑，均通過對(duì)膨潤土進(jìn)行作用，改變膨潤土的吸水性和膨脹系數(shù)從而對(duì)試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以210 g/L水泥，200 g/L膨潤土，1.5 g/L碳酸鈉，1.5 g/L羧甲基纖維素鈉，除水外其他材料摻量不變?yōu)榛鶞?zhǔn)配比，控制碳酸鈉摻量為1～3 g/L，羧甲基纖維素鈉摻量為0.5～2.5 g/L，分別測試不同碳酸鈉和羧甲基纖維素鈉摻量下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，具體比例見表5。

表5 不同摻量碳酸鈉和羧甲基纖維素鈉對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Table 5 Effects of sodium carbonate and CMC-Na content on unconfined compressive strength of samples

根據(jù)表5繪制的不同摻量碳酸鈉對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線見圖6，不同摻量羧甲基纖維素鈉對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線見圖7。

由表5和圖6、圖7可知，養(yǎng)護(hù)至60 d時(shí)，碳酸鈉的摻量由由1 g/L增加至2 g/L，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了0.019 MPa，而從2 g/L增加至3 g/L，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度只提升0.003 MPa，強(qiáng)度幾乎沒有改變，14 d、28 d曲線規(guī)律與之類似。試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨CMC-Na的增加而逐漸增加，但增長幅度較小。

圖6 不同摻量碳酸鈉對(duì)試樣強(qiáng)度的影響曲線
Fig.6 Influence curves of different sodium carbonate content on strength of samples

圖7 不同摻量CMC-Na對(duì)試樣強(qiáng)度的影響曲線
Fig.7 Influence curves of different CMC-Na content on strength of samples

2 結(jié)果與討論

徐超等[9]對(duì)水泥—膨潤土泥漿固結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，認(rèn)為在泥漿固結(jié)體中水泥承擔(dān)著骨架的作用，此結(jié)果與本次正交實(shí)驗(yàn)及單因素得到的結(jié)論相符，即水泥摻量為影響漿材固結(jié)體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素。隨著水泥摻量的增加，水化產(chǎn)物數(shù)量增加，構(gòu)成的空間骨架結(jié)構(gòu)愈加密實(shí)牢固[10]，固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增加。

膨潤土的晶體結(jié)構(gòu)單元是由兩層SiO4四面體和中間的一層AlO2(OH)4八面體組成[11]，且層間聯(lián)系較弱，水容易進(jìn)入其中，使其體積膨脹。膨潤土對(duì)水泥構(gòu)成的骨架具有填充的作用，且膨潤土遇水后會(huì)吸水膨脹，使固結(jié)體的大孔隙減少，增加了水泥骨架的密實(shí)度，使其更加緊密均勻[12]。但過量的膨潤土?xí)绊懰喙羌艿男纬?，造成過量填充，使水泥骨架結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力降低，造成整體強(qiáng)度降低，這就也就是膨潤土摻量對(duì)固結(jié)體無側(cè)限強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢的原因。

為進(jìn)一步探究固結(jié)體強(qiáng)度形成的原理，取兩組樣品養(yǎng)護(hù)60 d進(jìn)行烘干、破碎、取樣，采用掃描電鏡實(shí)驗(yàn)得SEM照片，見圖8。固結(jié)體形成強(qiáng)度的過程，主要是水泥在活性物介質(zhì)—膨潤土的圍繞下進(jìn)行的，水泥與水接觸，發(fā)生水化反應(yīng)，其熟料礦物的硅酸三鈣、硅酸二鈣水化生成不溶于水的水化硅酸鈣，形成凝膠體[13]，

圖8 試樣的SEM照片
Fig.8 SEM images of sample

逐漸構(gòu)成強(qiáng)度很高的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；而鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣水化生成的水化鋁酸鈣與石膏反應(yīng)，形成鈣礬石填充空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14]。而粉煤灰中的硅鋁玻璃球上部分Si-O、Al-O鍵也會(huì)與極性較強(qiáng)的OH-、Ca2+及剩余石膏反應(yīng)，水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)。粉煤灰也具有微骨料填充效應(yīng)，能夠產(chǎn)生致密勢能[15]，減少固結(jié)體的孔隙比例，能夠有效地提高固結(jié)體的密實(shí)性，對(duì)固結(jié)體整體的強(qiáng)度具有顯著作用。

3 結(jié) 論

(1)漿材各組分的摻量控制在以下范圍內(nèi)：水泥210～220 g/L，膨潤土200～210 g/L，碳酸鈉1.5～2.5 g/L，羧甲基纖維素鈉1.5～2.0 g/L時(shí)，漿材具有較佳的強(qiáng)度。

(2)膨潤土遇水后吸水膨脹，對(duì)水泥水化構(gòu)成的骨架具有一定的填充作用，適量填加可以增加固結(jié)體早期強(qiáng)度。

(3)水泥摻量為影響漿材固結(jié)體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素，當(dāng)水泥的摻量增加，水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠增多，圍繞膨潤土構(gòu)成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)愈加緊密，固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增加。