干濕/凍融循環(huán)作用下改良隔離墻的滲透性及孔隙結(jié)構(gòu)

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.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

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.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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.

1.3 滲透試驗(yàn)及核磁共振試驗(yàn)

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 結(jié)果與分析

2.1 隔離墻滲透系數(shù)

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 隔離墻孔隙分布

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.

3 結(jié)論

（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.