張 　 芊，　陸 海 軍*,2，　李 繼 祥，　張 　 雄

( 1.武漢輕工大學 多孔介質力學研究所, 湖北 武漢 430023；2.大連理工大學 土木工程學院 巖土工程研究所, 遼寧 大連 116024 )

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滲瀝液污染下水泥固化高嶺土透水及變形特性

張 芊1，陸 海 軍*1,2，李 繼 祥1，張 雄1

( 1.武漢輕工大學 多孔介質力學研究所, 湖北 武漢 430023；2.大連理工大學 土木工程學院 巖土工程研究所, 遼寧 大連 116024 )

針對填埋場襯墊在高荷載作用下開裂破壞的現(xiàn)狀，采用水泥固化高嶺土，評價其抗?jié)B、抗開裂及固結壓縮特性，探究其作為填埋場襯墊材料的可行性．采用純高嶺土與水泥摻量5%、10%、15%的固化高嶺土進行試驗，室內(nèi)模擬填埋場襯墊受滲瀝液污染的工況，通過滲透試驗測定水力傳導系數(shù)，分析其抵抗污染物滲透能力；通過固結試驗測定壓縮系數(shù)，分析其固結壓縮特性；通過干濕循環(huán)開裂試驗測定開裂因子，分析其抵抗開裂變形特性．結果表明：試樣水力傳導系數(shù)隨時間增加而下降，其中純高嶺土下降40.4%，而水泥固化后高嶺土僅下降16.0%～27.1%．由于試驗高嶺土屬于中壓縮性土，試樣孔隙比隨荷載壓力上升而下降，水泥摻量越多，孔隙比下降越少，200 kPa荷載下，0.25～64 min的軸向位移變化量占總變化量的65.1%～70.7%；摻入水泥后試樣的開裂面積明顯減小，最大開裂因子降幅達52.6%，水泥摻量10%與15%的試樣開裂因子差別較?。喙袒蟾邘X土的強度及抗開裂能力提高，滿足作為填埋場襯墊材料的要求．

水泥；高嶺土；滲瀝液；滲透；變形

0　引　言

現(xiàn)今垃圾填埋場安全運行問題已越來越得到重視[1]．黏土襯墊是填埋場的重要組成部分，全國正在運行的填埋場有935座，其中34%沒有采取防滲措施，剩余部分約90%的填埋場防滲系統(tǒng)存在不同程度的破壞[2]，研究更安全可靠的填埋場襯墊材料越發(fā)成為科學工作者們關注的焦點．

許多學者[3-5]嘗試采用秸稈纖維、赤泥、粉煤灰等材料對黏土進行改性．高嶺土作為一種金屬礦產(chǎn)，是以高嶺石族黏土礦物為主的黏土和黏土巖，能夠吸附滲瀝液中的有機污染物．張永利等[6]采用煅燒、酸浸對高嶺土進行改性后，考察了其對Cr(Ⅵ)的吸附特性；杜延軍等[7]、陳蕾等[8]利用水泥固化高嶺土，并對其吸附鉛、鋅等金屬離子的能力以及無側限抗壓強度進行了試驗研究．襯墊材料的滲透特性、長期荷載下的變形及開裂特性是考察填埋場穩(wěn)定性的重要因素，國內(nèi)外對此方面的研究仍然較少．

為了探究水泥固化滲瀝液污染高嶺土的抗?jié)B、抗開裂及壓縮特性，評估其作為填埋場襯墊材料的可行性，本文模擬填埋場黏土襯墊工況，針對水泥固化滲瀝液污染高嶺土，采用滲透試驗分析土樣的抗?jié)B能力，采用固結試驗觀察土樣的固結壓縮特性，采用開裂試驗研究干濕循環(huán)下土樣的抗開裂能力．

1　試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用高嶺土產(chǎn)自湖南衡陽某高嶺土礦中，取樣后，未經(jīng)物理化學方式處理．其化學成分組成及基本物理性質如表1、2所示．其屬軟質高嶺土，擊實曲線如圖1所示，可以看出，所取高嶺土的最大干密度為1.64 g/cm3，最優(yōu)含水率為21.8%．

表1　高嶺土的化學成分

表2　高嶺土的基本物理性質

圖1　高嶺土的擊實曲線

試驗高嶺土的掃描電鏡照片與孔容-孔徑分布如圖2、3所示．可以看出，土樣顆粒呈大殘片狀，不規(guī)則排列，且殘片間存在較大空隙，孔徑分布呈雙肩峰態(tài)勢，3 nm與8 nm的孔徑占比較大，總孔容為0.160 3 cm3/g．

圖2　高嶺土的掃描電鏡照片

圖3　高嶺土的孔容-孔徑分布曲線

試驗所用水泥為陜西省秦嶺水泥股份有限公司所生產(chǎn)的425#普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測其各項性質指標符合通用國家標準[9]，具體各項數(shù)值如表3所示．試驗所用滲瀝液取自武漢市陳家沖生活垃圾填埋場，其基本化學性質指標如表4所示．

表3　水泥的基本性質指標

表4　填埋場滲瀝液的化學性質指標

1.2試驗方法

將試驗所需高嶺土人工破碎，通過2 mm標準篩后取出土樣，置于真空干燥箱內(nèi)，調節(jié)溫度為105 ℃，并每隔2 h稱取土樣質量，至兩次稱取質量變化量小于0.2%后，視為土樣已烘干，裝入密封袋內(nèi)密封備用．試驗用水泥的預處理方法同高嶺土．

1.2.1滲透試驗根據(jù)美國實驗標準ASTM D 5084及ASTM D 7100，在室溫25 ℃下，采用柔性壁滲透儀對不同水泥摻量(0%、5%、10%、15%)的高嶺土試樣進行滲透試驗，計算不同時間時的水力傳導系數(shù)．試驗前，將試樣置于真空飽和缸中，保持真空狀態(tài)48 h后，向內(nèi)注入清水進行預飽和，使試樣孔隙內(nèi)充滿水分，采用垃圾滲瀝液原液進行滲透試驗，試驗中，除水頭壓力外對試樣不施加其他外力．試驗所用圓柱形模具內(nèi)徑為50 mm，有效高度為100 mm，試樣圍壓保持在100 kPa，滲透壓控制在80 kPa，使膜緊貼試樣，防止溶液側漏．

水力傳導系數(shù)由下式計算：

式中：k表示試樣的水力傳導系數(shù)(cm/s)；Q表示試驗中的出水量(m3)；L表示試樣厚度(cm)；ρ表示滲瀝液的密度(kg/m3)；A表示試樣斷面面積(cm2)；t表示試驗所經(jīng)歷的時間(s)；p表示滲透壓(kPa)；g為重力加速度(9.85 N/kg)．

1.2.2固結試驗將已干燥的高嶺土置于垃圾滲瀝液中浸泡28 d，而后取出烘干，并再次破碎，過2 mm標準篩，摻入不同含量的水泥(0%、5%、10%、15%)后在標準環(huán)刀中制成直徑61.8 mm、高20 mm的試樣，制樣時確保試樣處于最大干密度與最優(yōu)含水率條件．將試樣置于密封袋內(nèi)密封保存養(yǎng)護，控制溫度為40 ℃．28 d后，取出試樣，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》[10]，采用WG型單杠桿固結儀(南京寧曦土壤儀器有限公司)進行固結試驗，記錄荷載壓力為12.5、25、50、100、200、400、800 kPa下各試樣的軸向位移．采用孔隙比來表征試樣孔隙的密實程度，其代表材料中孔隙體積與材料中顆粒體積之比．

初始孔隙比計算公式如下：

式中：e0表示試樣的初始孔隙比；Gs表示試樣相對密度；w0表示試樣初始含水率(%)；ρ0表示試樣的初始密度(g/cm3)；ρw表示水的密度(g/cm3)．

固結穩(wěn)定后試樣的孔隙比計算公式如下：

式中：ei表示某級壓力下的孔隙比；∑Δhi表示某級壓力下試樣高度的累計變形量(cm)；hs表示試樣凈高(cm)．

1.2.3開裂試驗土樣處理方法同固結試驗．在標準環(huán)刀中制成直徑61.8 mm、高20 mm的試樣后，采用刮土刀刮去表面多余土顆粒使試樣表面保持平整，養(yǎng)護28 d后取出．采用數(shù)碼顯微攝像系統(tǒng)每間隔10 min拍攝試樣表面照片(放大倍數(shù)為10)，如圖4所示，同時實時稱取試樣質量，至24 h質量相差小于0.2 g時認為質量恒定，并在試樣表面加水至表面濕潤，記錄加水前后質量，繼續(xù)拍攝試樣照片，4次干濕循環(huán)后試驗完畢．采用數(shù)碼顯微攝像分析軟件分析加水前后試樣表面開裂面積，并采用開裂因子(CIF)表征試樣開裂情況，其計算公式如下：

式中：Ac表示試樣開裂部分的面積(mm2)，At表示試樣實時總面積(mm2)．

圖4　數(shù)碼顯微攝像裝置

每輪干濕循環(huán)試驗中，選取試驗開始及結束時的照片各一張，并根據(jù)各輪干濕循環(huán)的時間，合理挑選另兩張清晰度較高的照片進行分析，以確保分析的準確性以及所選照片的代表性．

2　試驗結果與分析

2.1滲透特性

不同水泥摻量下固化高嶺土試樣的水力傳導系數(shù)如圖5所示．隨著時間的增加，水力傳導系數(shù)呈下降趨勢，且存在較明顯的波動．試驗初期，水泥固化后試樣的水力傳導系數(shù)較純高嶺土試樣小14.0%～21.4%，而試驗末期各試樣的水力傳導系數(shù)在4.6×10-8～5.1×10-8cm/s，差別較?。?/p>

圖5　滲透試驗水力傳導系數(shù)曲線

國家標準[11]中指出，填埋場襯墊壓實黏土的水力傳導系數(shù)應小于1×10-7cm/s，可以看出，試驗所得水力傳導系數(shù)均滿足要求．由于高嶺土組成中存在多種礦物質[12]，在填埋場滲瀝液的作用下，高嶺土中的礦物成分Al2O3等活潑金屬氧化物與滲瀝液中酸堿化學物質發(fā)生反應，以離子形式溶于滲瀝液中并下滲，使土體產(chǎn)生膨脹，隨之產(chǎn)生少量氣體．受到滲瀝液流動因素影響，土顆粒中有機質受到?jīng)_刷，孔隙表面更為光滑，促進滲瀝液下滲，致使孔隙逐漸變大，水力傳導系數(shù)較大且產(chǎn)生波動現(xiàn)象．而水泥抵抗?jié)B瀝液的侵蝕能力較強，與土顆粒混合后能夠延緩滲瀝液對土體礦物質顆粒的侵蝕，故試驗初期水泥固化后試樣的水力傳導系數(shù)明顯低于純高嶺土試樣．此外，由于下層土體承受上層傳遞的軸向壓力較大，孔隙較小，隨著試驗時間的增加，下層土體受到上層沖刷而來的顆粒、微生物及有機物作用，生物淤堵[13-14]現(xiàn)象越來越明顯，土體中微小孔隙被堵塞，阻滯滲瀝液下滲，促使水力傳導系數(shù)減小，最終逐漸趨于恒定．

2.2固結壓縮特性

不同水泥摻量下固化高嶺土試樣的孔隙比隨荷載壓力變化曲線如圖6所示．由圖可知，荷載壓力為12.5 kPa時，各試樣孔隙比均在0.943～0.958．隨著荷載壓力的不斷增大，孔隙比逐漸下降，同一壓力下水泥摻量越多的試樣其孔隙比相對越大．800 kPa時，純高嶺土試樣的孔隙比為0.710，較5%水泥固化試樣低10.4%，而隨著水泥摻量繼續(xù)增加，各試樣孔隙比差距逐漸減小，10%、15%水泥摻量試樣的孔隙比僅分別較純高嶺土試樣大14.5%、17.0%．

圖6　固結試驗荷載壓力-孔隙比曲線

高嶺土作為一種常見的黏土礦物，其中金屬礦物質、硅酸鹽礦物質含量較大，多為晶體結構，空間骨架支撐較為完善．固結試驗中，在較低的荷載壓力下，骨架支撐結構未被破壞，孔隙比相對較大，而隨著荷載壓力的增大，不同礦物質骨架逐漸達到其各自承載極限而出現(xiàn)骨架斷裂現(xiàn)象，空間結構被破壞，致使大顆粒礦物質分散為小顆粒，并在長時間的荷載壓力下連結更為緊密，孔隙比下降也更為明顯[15]．經(jīng)滲瀝液污染的高嶺土中，土壤骨架受到腐蝕，空間結構受到破壞，添加水泥后，水硬性膠凝材料凝結硬化后對骨架結構形成一定保護作用[16]，使各礦物質骨架能夠承受的最大荷載壓力有所提升，從而達到提升總體試樣強度的效果．當水泥摻量達到一定比例時，水泥顆粒已能夠完全包裹空間骨架結構，同一荷載壓力下水泥摻量的繼續(xù)增加對孔隙比的提升，即試樣強度的增加效果趨于減弱，故此時隨著水泥摻量增加孔隙比差距逐漸減?。?/p>

圖7所示為荷載壓力200 kPa下不同水泥摻量固化高嶺土試樣的軸向位移隨時間的變化曲線．試驗開始時，各試樣軸向位移為0.52～0.79 mm，試驗開始0.25 min后，軸向位移出現(xiàn)大幅下降，至64 min后變化逐漸縮小趨于穩(wěn)定，試驗中0.25～64 min的軸向位移變化量占總變化量的65.1%～70.7%．這是由于試驗開始瞬間，一部分承壓能力較差的骨架發(fā)生突然斷裂，同時土體中原有的水分會由于壓力作用而部分排出，致使出現(xiàn)較大的瞬時軸向位移；隨著時間的增加，部分處于臨界狀態(tài)下的骨架結構無法支撐上部土體，在長時間的荷載壓力作用下出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，從而使軸向位移進一步增大[17]．而當試驗時間大于64 min后，土體結構已逐漸趨于穩(wěn)定，偶有骨架斷裂現(xiàn)象發(fā)生，軸向位移也逐漸穩(wěn)定．

圖7　荷載壓力200 kPa下軸向位移隨時間變化曲線

試驗所得壓縮系數(shù)α1-2與固結系數(shù)Cv如表5所示．由表可知，試驗所用高嶺土的壓縮系數(shù)均處于0.1～0.5 MPa-1，屬于中壓縮性土[18]．隨著水泥摻量的增加，固結系數(shù)出現(xiàn)小幅下降，則固結速率出現(xiàn)下降．這是由于水泥摻入增強各骨架承載力后，脆弱骨架斷裂的時間較純高嶺土試樣有所延后，軸向位移快速下降階段所需時間略有增長，固結穩(wěn)定時間延長，使平均固結速率出現(xiàn)下降．

表5　固結試驗參數(shù)

2.3開裂特性

不同水泥摻量固化高嶺土的開裂因子分布如圖8所示，各干濕循環(huán)階段最大開裂因子如圖9所示．由圖可見，養(yǎng)護完成開始試驗時，試樣表面開裂面積較小，開裂因子介于0.001 02～0.001 37；隨著試驗時間增加，開裂因子顯著增大，干燥失水過程末期，開裂因子趨于平穩(wěn)．試樣表面加水后，開裂因子較前一次干燥失水末期時降低8.3%～42.8%，隨著試驗繼續(xù)進行，開裂因子繼續(xù)增大．

(a) 100%高嶺土

(b) 95%高嶺土+5%水泥

(c) 90%高嶺土+10%水泥

(d) 85%高嶺土+15%水泥

圖8水泥固化高嶺土開裂因子分布

Fig.8The CIF distribution of solidified kaolin with cement

圖9　水泥固化高嶺土最大開裂因子

試驗過程中，試樣表面的水分將會逐步揮發(fā)流失，孔隙水壓力降低，高嶺土中土顆粒與礦物顆粒之間距離增大，顆粒間原有的基質吸引力已無法支持其相互連結，從而在最為脆弱處化學鍵發(fā)生連續(xù)性斷裂，產(chǎn)生空隙，使仍保持連結狀態(tài)的顆粒間距離減小，阻止試樣表面其余部分發(fā)生開裂．而隨著試樣水分的繼續(xù)散失，不可避免地繼續(xù)發(fā)生開裂，直至表面水分基本揮發(fā)完畢到達天然含水率．試樣表面加水后，土顆粒間缺失的水分得到補給，孔隙水壓力陡然上升，支撐顆粒間缺失的基質吸引力使土顆粒產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，故此時試樣表面開裂面積有所降低，開裂因子減小，但由于突然增加的孔隙水壓力有限，若已產(chǎn)生裂縫面積較大，裂縫將不會達到完全愈合狀態(tài)，故開裂因子無法降低至0．

試樣各階段的最大開裂因子是用來表征試樣抗開裂特性的重要參數(shù)，可以看出，滲瀝液污染高嶺土添加5%水泥后，試樣的最大開裂因子下降23.6%～32.3%，而摻入10%水泥后，最大開裂因子下降幅度達31.0%～52.6%，摻入水泥對抵抗試樣開裂的效果極為明顯．這是由水泥作為膠凝材料的性質所決定的，水泥自身吸收水分后將會發(fā)生顆粒重組現(xiàn)象從而產(chǎn)生較高強度，其均勻摻入高嶺土中后骨架結構強度增強，當水分散失，土顆粒間基質吸引力降低時，水泥顆粒的黏結作用顯現(xiàn)，從而達到抵抗試樣表面開裂的效果[19]．當水泥摻量達到一定比例時，水泥顆粒的黏結作用達到極限，抵抗開裂效果有限，故水泥摻量15%與10%時開裂因子差別較?。?/p>

3　結　論

(1)滲透試驗起始時，純高嶺土試樣的水力傳導系數(shù)為7.72×10-8cm/s，而水泥固化后試樣水力傳導系數(shù)為6.07×10-8～6.64×10-8cm/s，較純高嶺土試樣明顯偏低．隨著試驗的進行，曲線產(chǎn)生明顯抖動，最終各試樣水力傳導系數(shù)差別較小，均在4.6×10-8～5.1×10-8cm/s，純高嶺土的水力傳導系數(shù)下降40.4%，而水泥固化后，其數(shù)值僅下降16.0%～27.1%．

(2)試驗所用高嶺土屬于中壓縮性土，隨著荷載壓力的上升，孔隙比下降，添加水泥后試樣的孔隙比高于純高嶺土試樣；荷載壓力800 kPa下純高嶺土試樣的孔隙比為0.710，相同壓力下水泥摻量15%試樣的孔隙比達0.831，水泥固化后試樣強度上升，結構更為穩(wěn)定．

(3)每次干濕循環(huán)初期，開裂因子較前一次干燥失水過程末期時降低8.3%～42.8%，水泥固化高嶺土的最終開裂因子均處于0.013 9～0.021 3．水泥固化后，試樣的最大開裂因子明顯降低，最大降幅達52.6%，能有效降低開裂面積，起到抵抗土體開裂的效果．

(4)水泥固化后高嶺土試樣存在較高的強度及抗開裂能力，且水力傳導系數(shù)低于1×10-7cm/s，滿足作為填埋場襯墊材料的要求．

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Hydraulic and deformation characteristics of kaolin solidified with cement under leachate pollution

ZHANGQian1,LUHai-jun*1,2,LIJi-xiang1,ZHANGXiong1

( 1.Institute of Poromechanics, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；2.Institute of Geotechnical Engineering, School of Civil Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China )

To solve the problem of landfill liner cracking caused by high loading, the hydraulic, cracking and consolidation compression characteristics of kaolin solidified with cement are explored, and the feasibility of the solidified kaolin used as landfill liner-soil material is evaluated. The kaolin and the solidified kaolin containing 5%, 10%, 15% cement are tested in the condition of simulated cases with leachate pollution. Penetration tests are performed to evaluate hydraulic conductivity and the resistance to contaminants permeability of samples. Compression coefficient and consolidation compression characteristics of samples are analyzed by consolidation test. Moreover, through cracking tests in drying-wetting circles, cracking intensity factor and anti-cracking properties of samples are analyzed. Based on the results of tests, hydraulic conductivity of kaolin decreases by 40.4% with the increase of time, while that of the solidified kaolin containing cement decreases 16.0%-27.1%. Since kaolin used in tests belongs to medium compressible soil, void ratio of samples decreases with the increase of load, and the more the content of cement is, the smaller the decrease in void ratio of samples is. The axial displacement changes between 0.25 min and 64 min account for 65.1%-70.7% of the total at 200 kPa. The cracking area of samples reduces after adding cement, and the maximum cracking intensity factor drops by 52.6%. The difference between the solidified samples containing 10% and 15% cement is small. Whereas the strength and anti-cracking ability of kaolin are improved, the solidified kaolin containing cement can be used as landfill liner-soil material.

cement; kaolin; leachate; permeation; deformation

1000-8608(2016)05-0510-08

2016-02-28；

2016-07-12．

國家自然科學基金資助項目(51474168，11672216)；中國科學院巖石力學與工程國家重點實驗室開放研究課題(Z014007,Z015006)；湖北省百人計劃資助項目.

張 芊(1993-)，女，碩士生，E-mail:zq_whpu@163.com；陸海軍*(1979-)，男，博士，E-mail:lhj_whpu@163.com.

X53；TU411

A

10.7511/dllgxb201605011