楊玉玲 杜延軍 范日東 陳左波

(東南大學(xué)巖土工程研究所，南京 210096)

分散劑改良土-膨潤(rùn)土豎向隔離墻材料黏度試驗(yàn)研究

楊玉玲 杜延軍 范日東 陳左波

(東南大學(xué)巖土工程研究所，南京 210096)

摘 要:為改善土-膨潤(rùn)土豎向隔離墻材料的分散性，增強(qiáng)隔離墻阻滯污染物能力，對(duì)添加3種不同磷酸鹽分散劑的土-膨潤(rùn)土回填料進(jìn)行了黏度試驗(yàn)，研究了不同分散劑摻量下回填料表觀黏度的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明:3種磷酸鹽分散劑均可顯著減小土-膨潤(rùn)土回填料表觀黏度;分散劑摻量從0%增加到0.1%，回填料表觀黏度急劇下降，繼續(xù)增加分散劑摻量，回填料表觀黏度趨于平穩(wěn)或略有增長(zhǎng);添加磷酸鹽分散劑后，增加膨潤(rùn)土含量對(duì)回填料分散性影響不大，可通過添加磷酸鹽分散劑的方法提高回填料對(duì)膨潤(rùn)土的負(fù)載量;六偏磷酸鈉分散效果稍優(yōu)于三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉.同時(shí)，建議0%，5%，10%膨潤(rùn)土含量回填料對(duì)應(yīng)的3種分散劑最優(yōu)摻量為0.05%，0.1～0.5%，0.5%.磷酸鹽分散劑在改善隔離墻材料分散性、提高墻體對(duì)污染物的阻滯能力方面具有潛在的工程實(shí)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞:隔離墻;土-膨潤(rùn)土;分散劑;表觀黏度;最優(yōu)摻量

近年來我國(guó)污染事故頻發(fā)，由此引起了社會(huì)各界對(duì)污染修復(fù)問題的高度重視［1-2］.防止污染物隨地下水遷移而導(dǎo)致污染范圍擴(kuò)大的有效措施之一是修建土-膨潤(rùn)土豎向隔離墻阻擋污染物運(yùn)移［3-5］.

低滲透性是隔離墻材料發(fā)揮作用的重要前提之一，要求墻體滲透系數(shù)不大于10－9m/s.然而在污染物的影響下，膨潤(rùn)土土顆粒表面雙電層厚度被壓縮，土顆粒間形成絮凝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土-膨潤(rùn)土回填料滲透系數(shù)增大.Katsumi等［6-7］研究了土-膨潤(rùn)土滲透系數(shù)在氯鹽溶液長(zhǎng)期作用下的變化情況，結(jié)果表明溶液中的高價(jià)陽離子使土粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土-膨潤(rùn)土滲透滲透系數(shù)可增大超過一個(gè)數(shù)量級(jí).

增大膨潤(rùn)土含量可降低土-膨潤(rùn)土回填料的滲透系數(shù)，但膨潤(rùn)土具有高液限和吸水膨脹性，增大膨潤(rùn)土含量的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)的原位土與膨潤(rùn)土拌和困難，產(chǎn)生“抱團(tuán)”現(xiàn)象.在土-膨潤(rùn)土回填料中添加分散劑，可防止回填料在污染物影響下發(fā)生絮凝，保持隔離墻墻體分散性和低滲透性，保證隔離墻阻滯污染物的有效性并延長(zhǎng)隔離墻服役壽命.

表觀黏度是指非牛頓流體所受剪切應(yīng)力和剪切速率的比值，能夠表征非牛頓流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形能力的程度［8］.可通過表觀黏度來評(píng)價(jià)土-膨潤(rùn)土回填料的分散性，確定分散劑的最優(yōu)摻量［9-11］.

現(xiàn)有研究主要針對(duì)磷酸鹽改良高嶺土或膨潤(rùn)土漿液的黏度特性［9-10］，多屬于陶瓷制造的注漿成型技術(shù)領(lǐng)域或壩基防滲的滲透注漿技術(shù)領(lǐng)域.而在環(huán)境巖土的隔離墻技術(shù)中，針對(duì)磷酸鹽改良高嶺土-膨潤(rùn)土隔離墻材料黏度特性的研究仍鮮見報(bào)道.且由于文獻(xiàn)報(bào)道的漿液的含水率與本文所用回填料的含水率差別較大，必將導(dǎo)致材料黏度特征有所變化，因此這些研究結(jié)果不宜直接用于判斷隔離墻回填料的分散效果.

本文選用六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉3種磷酸鹽作為分散劑，以添加分散劑的高嶺土-膨潤(rùn)土混合回填料作為豎向隔離墻材料進(jìn)行了系列黏度試驗(yàn)，探討在分散劑作用下回填料表觀黏度的變化特性，評(píng)價(jià)通過添加磷酸鹽類分散劑提高隔離墻回填料分散性能的可行性，并在對(duì)比各分散劑分散效果的基礎(chǔ)上，給出了分散劑最優(yōu)摻量值建議.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

由于不同場(chǎng)地中用于隔離墻混合土的原位土物化特性不同，故本試驗(yàn)選用具有普遍工程適用意義的商用高嶺土代替原位土，膨潤(rùn)土為商用膨潤(rùn)土，土的基本物理特性見表1.磷酸鹽類分散劑分別為:化學(xué)試劑六偏磷酸鈉，分子式(NaPO3)6;三聚磷酸鈉，分子式Na5P3O10;十水合焦磷酸鈉，分子式Na4P2O7·10H2O.

表1 高嶺土和膨潤(rùn)土的基本物理特性

土-膨潤(rùn)土回填料的制備參照美國(guó)石油協(xié)會(huì)頒布的《鉆井液材料規(guī)范》(API 13A)［12］，將高嶺土、膨潤(rùn)土干粉和分散劑與蒸餾水混合，用水泥凈漿攪拌機(jī)均勻攪拌20 min，倒入容器密封靜置16 h(恒溫20℃)，再次攪拌5 min，回填料倒入燒杯進(jìn)行表觀黏度測(cè)量.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的膨潤(rùn)土含量為0%，5%，10%;分散劑摻量為 0%，0.01%，0.05%，0.1%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%.其中膨潤(rùn)土含量或分散劑摻量分別為膨潤(rùn)土的干土質(zhì)量或分散劑質(zhì)量與高嶺土和膨潤(rùn)土的干土質(zhì)量和之比.土-膨潤(rùn)土回填料的含水率按隔離墻施工要求的回填料坍落度范圍(100～150 mm)，取中值(125 mm)對(duì)應(yīng)含水率作為試樣控制含水率.坍落度試驗(yàn)按照ASTM C143/C143M-12［13］進(jìn)行.如圖 1 所示，膨潤(rùn)土含量為0%，5%，10%的回填料的設(shè)計(jì)含水率分別為34.56% ，48.55% ，61.50%.

圖1 根據(jù)坍落度試驗(yàn)結(jié)果確定的黏度試驗(yàn)控制含水率

黏度測(cè)量?jī)x器為NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，測(cè)量溫度為20℃.不同分散劑摻量下土-膨潤(rùn)土回填料黏度值變化范圍較大，單一轉(zhuǎn)子的量程不能覆蓋所有回填料表觀黏度值，試驗(yàn)選用2，3，4號(hào)轉(zhuǎn)子對(duì)不同膨潤(rùn)土和分散劑摻量回填料進(jìn)行黏度測(cè)量，轉(zhuǎn)速均為12 r/min.首先選用小體積(4號(hào))轉(zhuǎn)子對(duì)燒杯中回填料進(jìn)行黏度量測(cè)，當(dāng)測(cè)量值超過轉(zhuǎn)子量程(顯示屏百分計(jì)標(biāo)度在20～90%之間為正常值)時(shí)，改用大體積(3號(hào)，2號(hào))轉(zhuǎn)子.本試驗(yàn)黏度值取為啟動(dòng)轉(zhuǎn)子后2 min時(shí)的讀數(shù)值.

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑摻量與表觀黏度關(guān)系

圖2 不同膨潤(rùn)土含量下分散劑摻量與表觀黏度關(guān)系曲線

圖2為不同膨潤(rùn)土含量下分散劑摻量與表觀黏度關(guān)系曲線.由圖可見，3種磷酸鹽分散劑均能顯著減小土-膨潤(rùn)土回填料表觀黏度，表觀黏度隨分散劑摻量變化趨勢(shì)基本一致，分散劑摻量增加，表觀黏度急劇下降，隨后趨于平穩(wěn)或稍有增長(zhǎng)，這一趨勢(shì)與 Yoon等［9］和 Papo等［10］的試驗(yàn)結(jié)果一致.Yoon等［9］在膨潤(rùn)土漿體中加入焦磷酸鈉，發(fā)現(xiàn)焦磷酸鈉能有效降低漿體表觀黏度;Papo等［10］對(duì)比三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉摻量與高嶺土漿體(載土量55%)表觀黏度關(guān)系時(shí)得到以下結(jié)論:隨分散劑摻量增加，漿體表觀黏度呈先減小后平穩(wěn)的趨勢(shì).由于文獻(xiàn)［9-10］的試驗(yàn)過程采用了較高剪切速率和較低土體含量，因此文獻(xiàn)［9-10］中漿液的表觀黏度值與本文的回填料表觀黏度值差別較大.

Sridharan等［14］認(rèn)為對(duì)于高嶺土，孔隙水中離子價(jià)位較低的Na+置換土顆粒表面高價(jià)位離子Ca2+，會(huì)使雙電層厚度增加.分散劑把Na+引入到土-膨潤(rùn)土回填料中，置換土顆粒反離子層中的高價(jià)陽離子(如Ca2+，Mg2+等)，使黏土顆粒雙電層變厚;此外，溶液中形成微溶的鈣鹽或可溶的鈣絡(luò)合物又可促進(jìn)離子交換［8］.黏土顆粒帶正電荷的邊或未被Na+置換的Ca2+點(diǎn)位吸附高價(jià)陰離子(如磷酸根離子)，使顆粒表面負(fù)電荷密度增大;即使土顆粒的邊呈負(fù)電荷，高價(jià)陰離子置換低價(jià)陰離子后也會(huì)增加顆粒表面負(fù)電荷密度，使土顆粒間斥力增大［8，15］.分散劑可增大土顆粒雙電層厚度，增加土顆粒邊-面或邊-邊的斥力，阻止土顆粒相互接觸，使土顆粒保持分散結(jié)構(gòu)，因而可降低回填料表觀黏度值，起到增強(qiáng)回填料分散性能的效果.

回填料中分散劑摻量越低，膨潤(rùn)土含量越高，則回填料表觀黏度值越大.回填料平均表觀黏度值及其差值在表2中列出，其中D1表示膨潤(rùn)土含量5%和0%的回填料平均表觀黏度值的差值;D2表示膨潤(rùn)土含量10%和5%的回填料平均表觀黏度值的差值.由表可知，分散劑摻量從0%增加到0.5%，D1和D2降低一個(gè)數(shù)量級(jí).分散劑摻量為1.0%時(shí)，D1和D2降至其最小值.添加分散劑后，不同膨潤(rùn)土含量回填料的表觀黏度值在較大分散劑摻量范圍內(nèi)(0.5% ～2.0%)保持相近.

由圖2和表2可見，對(duì)3種磷酸鹽分散劑，在0.5% ～2.0%分散劑摻量下，土-膨潤(rùn)土表觀黏度值均較低，回填料表現(xiàn)出較好的分散性，此時(shí)增大膨潤(rùn)土含量，表觀黏度值增量較小，可認(rèn)為增加膨潤(rùn)土含量對(duì)回填料分散性影響不大.因此可通過添加分散劑的方法增大隔離墻材料的膨潤(rùn)土負(fù)載量，以獲得具有更低滲透系數(shù)的墻體材料，同時(shí)保證回填料拌和的均勻性，防止土顆?！氨F(tuán)”.

表2 回填料平均表觀黏度值及差值 Pa·s

2.2 不同磷酸鹽分散效果比較

圖3 分散劑種類對(duì)分散劑摻量與表觀黏度關(guān)系的影響

本文定義表觀黏度開始出現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)時(shí)所對(duì)應(yīng)的分散劑摻量為最優(yōu)摻量.圖3(a)對(duì)比了3種磷酸鹽分散劑在膨潤(rùn)土含量為0%條件下分散劑摻量與回填料表觀黏度的變化關(guān)系曲線，可看出3種磷酸鹽分散劑分散效果相當(dāng)，最優(yōu)摻量均為0.05%.六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉在最優(yōu)摻量時(shí)，回填料表觀黏度值僅為不摻分散劑時(shí)的3.3%，2.9%，7.3%;在0.05～0.5%摻量范圍內(nèi)，回填料表觀黏度保持為較低值;分散劑摻量大于0.5%，表觀黏度有回彈趨勢(shì).這是由于分散劑和土顆粒間發(fā)生離子交換和絡(luò)合作用使土顆粒間斥力增大，當(dāng)離子交換達(dá)到平衡，表觀黏度值最低［10-11］;分散劑摻量繼續(xù)增大，所提供的電解質(zhì)離子超過土顆粒的離子交換容量所需值，回填料中未參與離子交換的大量電解質(zhì)離子使土顆粒雙電層厚度減小，回填料分散狀態(tài)被破壞，回填料重新發(fā)生絮凝導(dǎo)致表觀黏度增大.

由圖3(b)可見，膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，六偏磷酸鈉最優(yōu)摻量為0.1%，此時(shí)回填料表觀黏度值僅為不摻分散劑時(shí)的2.0%;三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉最優(yōu)摻量為0.5%，最優(yōu)摻量下表觀黏度值僅為不摻分散劑時(shí)的2.6%，6.7%.三聚磷酸鈉摻量大于1.0%時(shí)，回填料表觀黏度仍有回彈趨勢(shì)，說明三聚磷酸鈉作用下，離子交換較快達(dá)到平衡;六偏磷酸鈉和焦磷酸鈉摻量達(dá)最優(yōu)后，分散劑摻量增加，回填料表觀黏度保持平穩(wěn).六偏磷酸鈉和焦磷酸鈉能在較大摻量范圍內(nèi)保持回填料的分散性，分散效果較好，三聚磷酸鈉分散效果稍差.

膨潤(rùn)土含量為10%時(shí)，3種分散劑最優(yōu)摻量均為0.5%，如圖3(c)所示.六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉最優(yōu)摻量下表觀黏度值僅為不摻分散劑時(shí)的6.3%，5.7%，8.9%，達(dá)最優(yōu)摻量后，表觀黏度值在較大分散劑摻量范圍內(nèi)(0.5%～2.0%)保持較低值.焦磷酸鈉分散效果較其他2種分散劑稍弱.圖4描述了不同膨潤(rùn)土含量下，3種分散劑最優(yōu)摻量的變化趨勢(shì)，可由圖4預(yù)測(cè)中間膨潤(rùn)土含量的分散劑最優(yōu)摻量.回填料膨潤(rùn)土含量越高，分散劑最優(yōu)摻量呈增大趨勢(shì)，說明分散劑與膨潤(rùn)土間的離子交換能力和絡(luò)合作用能力比高嶺土大.

綜上所述，與三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉相比，六偏磷酸鈉能較大程度地降低表觀黏度，膨潤(rùn)土含量5%時(shí)最優(yōu)摻量值較低，能在很大摻量范圍內(nèi)使表觀黏度保持較低值，且表觀黏度回彈小，分散效果好;三聚磷酸鈉能較大程度地降低表觀黏度，其分散性能稍優(yōu)于焦磷酸鈉.

圖4 分散劑最優(yōu)摻量隨膨潤(rùn)土摻量的變化關(guān)系

3 結(jié)論

1)土-膨潤(rùn)土回填料中摻加磷酸鹽分散劑，回填料表觀黏度大幅降低，分散劑摻量超過一定值后表觀黏度趨于平穩(wěn)，這表明分散劑能顯著增加回填料分散性，使回填料保持分散結(jié)構(gòu)，防止回填料發(fā)生絮凝.

2)分散劑摻量達(dá)到0.5%后，增加膨潤(rùn)土含量，回填料表觀黏度變化不大，回填料分散性不會(huì)被顯著減弱，可通過添加分散劑的方法提高隔離墻材料的膨潤(rùn)土承載量，同時(shí)保持材料分散性，保證土和膨潤(rùn)土拌和均勻性，防止土顆粒“抱團(tuán)”，從而得到滲透系數(shù)更低的隔離墻材料.

3)膨潤(rùn)土含量為0%時(shí)，3種分散劑最優(yōu)摻量相同，均為0.05%;膨潤(rùn)土含量為5%時(shí)，六偏磷酸鈉最優(yōu)摻量為0.1%，其余二者均為0.5%;膨潤(rùn)土含量為10%時(shí)，3種分散劑最優(yōu)摻量均為0.5%.

4)六偏磷酸鈉能較大程度地降低回填料表觀黏度，在較大摻量范圍內(nèi)使回填料表觀黏度保持平穩(wěn)趨勢(shì)，達(dá)到較好的分散結(jié)構(gòu)，且最優(yōu)摻量值在膨潤(rùn)土含量5%時(shí)較小，分散效果優(yōu)于三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉.

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Experimental study on viscosity of soil-bentonite vertical cut-off wall backfills amended with dispersant

Yang Yuling Du Yanjun Fan Ridong Chen Zuobo
(Institute of Geotechnical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:Three types of phosphate dispersants，including sodium hexametaphosphate，sodium tripolyphosphate and sodium pyrophosphate，are added to the soil-bentonite backfill in vertical cutoff wall in order to improve dispersed structure of the backfill and enhance its performance of mitigating contaminants.The apparent viscosity of the backfill amended with dispersant is measured and the relationship between the dispersant content and the apparent viscosity of the backfill is studied.The test results show that the apparent viscosity reduces significantly when the backfill is amended with three types of dispersants.The apparent viscosity decreases sharply when the dispersant content is increased from 0%to 0.1%，while further increase makes the apparent intensity maintain stable or show a slight rebound.Due to the negligible effect of bentonite content on the disperse property of the backfill amended with dispersant，the bentonite loading of the backfill can be increased by the addition of dispersant.The dispersive capacity of sodium hexametaphosphate is slightly better than those of the others.The optimum contents of the dispersant are 0.05%，0.1%to 0.5%，and 0.5%corresponding to the backfills with bentonite contents of 0%，5%，and 10%.The phosphate dispersant has a potential to be used in engineering applications to improve the dispersity of cutoff wall backfills and enhance the performance of the wall to retard contaminant migration.

Key words:cutoff wall;soil-bentonite;dispersant;apparent viscosity;optimum content

中圖分類號(hào):X820.6

A

1001－0505(2014)03-0650-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.035

收稿日期:2013-10-06.

楊玉玲(1986—)，女，博士生;杜延軍(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，duyanjun@seu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278100)、江蘇省自然科學(xué)杰出青年基金資助項(xiàng)目(BK2012022).

楊玉玲，杜延軍，范日東，等.分散劑改良土-膨潤(rùn)土豎向隔離墻材料黏度試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，44(3):650-654.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.035］