何　俊， 顏　興， 胡曉瑾， 王小琦

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

0　引言

隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，廢舊輪胎數(shù)量急劇增加.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國約產(chǎn)生廢舊輪胎3.3億條，重1 200萬噸，并以每年8%～10%的速度增長，而無害化利用率僅60%[1].廢舊輪胎橡膠具有質(zhì)輕、滲透性和吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是性質(zhì)優(yōu)良的土工材料，大量應(yīng)用于路基、邊坡加固、擋土墻或橋臺(tái)輕質(zhì)填料等土木工程中，也被作為排水、滲濾液處理、日覆蓋、隔熱等材料應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)中，效果良好[2-3].目前仍有大量未被利用的廢舊輪胎被露天堆放在垃圾填埋場(chǎng)，橡膠的降解非常緩慢，嚴(yán)重污染環(huán)境和威脅人體健康，研究廢舊輪胎資源化利用具有重要意義.

在垃圾填埋場(chǎng)防滲以及污染場(chǎng)地修復(fù)工程中，防滲帷幕應(yīng)用廣泛，常見的防滲帷幕有黏土-膨潤土系、水泥膨潤土系和混凝土防滲帷幕等[4].其中，土-膨潤土系防滲帷幕價(jià)格低廉、防滲效果良好，但其抗化學(xué)腐蝕性能較差，因此土-膨潤土系防滲帷幕的工程性能受到影響.朱偉等[5]發(fā)現(xiàn)，0.2 mol/L CaCl2溶液滲透時(shí)，砂-黏土混合土滲透系數(shù)相比自來水時(shí)都有不同程度的增大，但增大倍數(shù)沒有超過10.文獻(xiàn)[6-7]發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿作用可改變黏土的結(jié)構(gòu)，從而改變黏土的工程性質(zhì).文獻(xiàn)[8]研究NaCl、CaCl2、MgCl2對(duì)摻入10%和20%膨潤土的混合土的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溶液濃度增大，壓縮指數(shù)減小.文獻(xiàn)[9]研究Pb(NO3)2對(duì)高嶺土-膨潤土系防滲帷幕固結(jié)壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)壓縮指數(shù)隨鉛濃度增大而減小.

添加改性材料是提高土-膨潤土系防滲帷幕吸附性能的常用方法.由于土-膨潤土的固結(jié)壓縮性質(zhì)對(duì)其滲透性和厚度都有重要影響，而滲透性和厚度決定了防滲帷幕中污染物的運(yùn)移特性，進(jìn)而影響防滲帷幕的有效性[10]，因此，對(duì)改性土-膨潤土防滲帷幕固結(jié)壓縮性質(zhì)的研究非常重要.研究發(fā)現(xiàn)，沸石和活性炭顆粒對(duì)改性材料的固結(jié)和滲透性影響不大[11-13]；利用廢舊輪胎膠粉對(duì)土-膨潤土系防滲帷幕進(jìn)行改性可有效提高對(duì)有機(jī)污染物VOC的吸附能力[14].但由于膠粉本身變形較大[15]，膠粉改性土-膨潤土防滲帷幕的固結(jié)壓縮性如何，尤其是在填埋場(chǎng)滲濾液作用下膠粉特征對(duì)變形和固結(jié)性質(zhì)的影響規(guī)律還不清楚.

為提高土-膨潤土防滲帷幕材料對(duì)有機(jī)污染物的吸附能力，以廢舊輪胎膠粉作為土-膨潤土的改性材料，開展膠粉改性土-膨潤土材料的一維固結(jié)試驗(yàn)，研究模擬滲濾液作用下膠粉特征對(duì)土-膨潤土固結(jié)壓縮性質(zhì)的影響規(guī)律，為膠粉改性土-膨潤土防滲帷幕的應(yīng)用打下基礎(chǔ).

1　試驗(yàn)方案

1.1　試驗(yàn)材料

選用粗細(xì)兩種尺寸的橡膠顆粒，其中細(xì)橡膠顆粒粒徑小于0.55 mm，粗橡膠顆粒粒徑小于1.40 mm，其顆粒分布曲線見圖1.根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》細(xì)橡膠顆粒為粗砂-細(xì)砂粒組，粗橡膠顆粒為粗砂粒組，均屬于級(jí)配不良砂.按照美國ASTM D6270—98的定名，所選用的材料屬于橡膠顆粒(granulated rubber)中的膠粉(ground rubber).膠粉的比重為1.20，風(fēng)干含水率為0.

圖1　廢舊輪胎膠粉級(jí)配曲線Fig.1　Grading curves for waste tire ground rubber

考慮到工程實(shí)際中土料的差異性，選用應(yīng)用較普遍的商用高嶺土作為防滲帷幕的原位土.高嶺土為水洗S180-0型，其中SiO2和Al2O3含量分別為46.36%和40.0%，并含有少量Fe2O3和K2O.高嶺土粒度為44 μm，比重為2.70，風(fēng)干含水率為1.5%；液限和塑限分別為35.2%和

22.4%，為低液限黏土；采用BET法測(cè)得高嶺土的比表面積為3.88 m2/g.

膨潤土選用粉末狀鈉基膨潤土，其粒度為38 μm，蒙脫石含量為85%～90%.膨潤土風(fēng)干含水率為14.1%，液限和塑限分別為232.0%和43.0%，為高液限黏土；膨潤土的比表面積為66.36 m2/g.

城市生活垃圾填埋場(chǎng)中的滲濾液是一種污染負(fù)荷高、成分復(fù)雜的有機(jī)廢水，其性質(zhì)變化范圍大，可分為無機(jī)污染物和有機(jī)污染物兩大類. 由于Ca2+和Cl-是填埋場(chǎng)滲濾液中常見的污染物離子，苯酚是我國環(huán)保部門優(yōu)先控制的污染物[16]，筆者選擇0.05 mol/L的CaCl2和1 g/L的苯酚代表滲濾液中無機(jī)污染物和有機(jī)污染物，用其混合溶液模擬滲濾液進(jìn)行試驗(yàn)，并與自來水試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比.

1.2　試驗(yàn)方法

根據(jù)前期坍落度試驗(yàn)，取滿足110 mm坍落度要求對(duì)應(yīng)含水率為控制含水率(見表1).按照0%、7.5%、15.0%、25.0%的摻入比(膠粉與風(fēng)干高嶺土質(zhì)量比)，將膠粉與高嶺土混合均勻，加入分別用自來水和模擬滲濾液配置的膨潤土漿，攪拌均勻后密封，養(yǎng)護(hù)7 d.膨潤土漿液采用膨潤土與液體按照質(zhì)量比5∶100配置.可以看出，110 mm坍落度對(duì)應(yīng)含水率隨膠粉摻入比的增加略有減小.

由于粗膠粉顆粒尺寸大于0.5 mm，而界限含水率試驗(yàn)適用于粒徑小于0.5 mm顆粒組成的土，故只對(duì)細(xì)膠粉混合土按照土工試驗(yàn)規(guī)程(SL 237—1999)進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)，見表1.

表1　坍落度試驗(yàn)結(jié)果匯總

依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程(SL 237—1999)，將土樣裝入直徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀，振搗去除土樣內(nèi)的氣泡，抽氣飽和24 h后進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn).模擬滲濾液拌和的土樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)時(shí)，將固結(jié)室中注入模擬滲濾液，用塑料薄膜罩在固結(jié)儀上以防模擬滲濾液揮發(fā).以24 h為周期，逐次加載12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、300.0和400.0 kPa，計(jì)量每級(jí)壓力下土樣的變形量，得到壓縮和固結(jié)指標(biāo).

采用吳鳳彩提出的容量法[17]，取高嶺土和膨潤土顆粒，分別用自來水和模擬滲濾液進(jìn)行吸附結(jié)合水試驗(yàn).將干燥土樣裝入盛有定量水的容量瓶，根據(jù)容量瓶液面的變化計(jì)算吸附結(jié)合水量w，即

(1)

式中：ρe為吸附結(jié)合水的平均密度，kg/m3，取1.3×103kg/m3；ρ為室溫(20 ℃)時(shí)自由水的密度，kg/m3；ΔV為自由水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水時(shí)水體積的變化量；ms為干燥土樣質(zhì)量.

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　膠粉特征對(duì)土樣壓縮、固結(jié)性質(zhì)的影響

2.1.1膠粉特征對(duì)壓縮性的影響

圖2為膠粉改性土樣的壓縮系數(shù)a與壓力P的關(guān)系曲線(3種摻入比時(shí)規(guī)律相同，以摻入比為25.0%時(shí)的數(shù)據(jù)為代表).由圖2可以發(fā)現(xiàn)：①壓縮系數(shù)隨壓力增大而減小，表明隨著壓力增大，膠粉改性土樣骨架逐漸被壓密、抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng)；②相同壓力下粗膠粉改性土樣壓縮系數(shù)大于細(xì)膠粉改性土樣，膠粉尺寸較大時(shí)土樣的壓縮性較大；③100～200 kPa壓力下膠粉改性土樣的壓縮系數(shù)為0.39～0.80 MPa-1，屬于中～高壓縮性土.

圖2　不同尺寸膠粉改性土樣壓縮系數(shù)與壓力的關(guān)系Fig.2　Relationship between compressibility coefficient and pressures for soils modified with different size rubber

圖3為壓縮率與摻入比及液限的關(guān)系.其中Cc為壓縮指數(shù)，e0為初始孔隙比，壓縮率可以用來消除初始含水率(或初始孔隙比)的影響[11].由圖3可以看出，不同膠粉尺寸和試驗(yàn)用水情況下，壓縮率在0.06～0.12變化，與文獻(xiàn)[11-12]得到的土-膨潤土防滲帷幕材料壓縮率范圍一致.當(dāng)膠粉摻入比一定時(shí)，試驗(yàn)用水和膠粉尺寸的變化導(dǎo)致土樣壓縮率有一定差異，試驗(yàn)的離散性導(dǎo)致差異的規(guī)律性不強(qiáng)，總體來看，壓縮率隨膠粉摻入比的增加呈增大趨勢(shì).圖3(c)為壓縮率與土樣液限的關(guān)系.由圖3(c)可以看出，壓縮率隨液限的增大而減小，與文獻(xiàn)[11-12]的結(jié)果相反.其原因在于膠粉顆粒與土顆粒存在一定的差異：作為粗砂-細(xì)砂粒組成的膠粉顆粒加入到土中引起液限降低(見表1)，由于膠粉顆粒與文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]中的活性炭及沸石等改性材料不同，混合土壓縮時(shí)除了孔隙被壓縮以外，膠粉顆粒本身也可能被壓縮[18]，故摻入量越大土樣的壓縮性越強(qiáng)，因此出現(xiàn)壓縮率隨液限增大而減小的現(xiàn)象.

圖3　壓縮率與摻入比及液限的關(guān)系Fig.3　Relationship between compression rate and mixing ratio or liquid limit

2.1.2膠粉特征對(duì)固結(jié)性質(zhì)的影響

圖4 為不同尺寸膠粉改性土固結(jié)系數(shù)Cv與壓力關(guān)系曲線，圖5 為不同摻入比膠粉改性土固結(jié)系數(shù)與壓力關(guān)系曲線.由圖4、圖5可以看出：①膠粉改性土固結(jié)系數(shù)在0.5×10-3～6.8×10-3cm2/s，與文獻(xiàn)[13]中沸石改性土-膨潤土材料的試驗(yàn)結(jié)果接近. ②土樣固結(jié)系數(shù)隨著壓力的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，與正常固結(jié)軟土的變化規(guī)律一致[19].固結(jié)系數(shù)與滲透系數(shù)成正比、與壓縮系數(shù)成反比.隨著壓力增大，壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)均減小.當(dāng)壓力較小時(shí)，壓縮系數(shù)減小相對(duì)較快(見圖2)，固結(jié)系數(shù)隨壓力增大而增大；當(dāng)壓力較大時(shí)，壓縮系數(shù)減小速度減慢，而隨著孔隙壓縮、自由水排出，結(jié)合水占主要地位，滲透系數(shù)減小更顯著，固結(jié)系數(shù)隨壓力增大而有所降低.③粗膠粉改性土固結(jié)系數(shù)略大于細(xì)膠粉改性土，表明膠粉尺寸大有助于加速土樣固結(jié).④除少數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)外，隨著膠粉摻入比的增加，膠粉改性土固結(jié)系數(shù)有增大的趨勢(shì)，表明土樣固結(jié)速度隨著膠粉摻入比的增加而增快.

圖4　不同尺寸膠粉改性土樣固結(jié)系數(shù)與壓力的關(guān)系Fig.4　Relationship between consolidation coefficient and pressures for soils modified with different size rubber

圖5　不同摻入比膠粉改性土樣固結(jié)系數(shù)與壓力的關(guān)系Fig.5　Relationship between consolidation coefficient and pressures at different rubber mixing ratio

2.2　模擬滲濾液對(duì)土樣壓縮、固結(jié)性質(zhì)的影響

2.2.1模擬滲濾液對(duì)壓縮性質(zhì)的影響

圖6 為自來水和模擬滲濾液作用下膠粉改性土壓縮系數(shù)與壓力關(guān)系曲線.由圖6可以看出，兩種情況下膠粉改性土壓縮系數(shù)均隨壓力增大而減小.當(dāng)膠粉摻入比相同時(shí)，模擬滲濾液條件下土樣的壓縮系數(shù)略小于自來水條件下的對(duì)應(yīng)值，前者壓縮性較小，與文獻(xiàn)[8-9]試驗(yàn)規(guī)律相同；兩種情況下壓縮系數(shù)最大相差1.7倍，但壓力增至400 kPa時(shí)壓縮系數(shù)基本一致.

圖6　不同溶液作用下膠粉改性土壓縮系數(shù)與壓力的關(guān)系Fig.6　Relationship between compressibility coefficient and pressures under different solutions

2.2.2模擬滲濾液對(duì)固結(jié)性質(zhì)的影響

圖7 為不同試驗(yàn)用水情況下膠粉改性土固結(jié)系數(shù)與壓力關(guān)系的代表性曲線.由圖7可以看出，兩種情況下固結(jié)系數(shù)隨壓力的變化規(guī)律一致，均隨壓力增大先增大后減小.當(dāng)膠粉摻入比相同時(shí)，模擬滲濾液條件下土樣固結(jié)系數(shù)均大于自來水條件下的對(duì)應(yīng)值，前者為后者的1.0～3.2倍，表明模擬滲濾液作用下土樣的固結(jié)速度增快.

圖7　不同溶液作用下膠粉改性土固結(jié)系數(shù)與壓力的關(guān)系Fig.7　Relationship between consolidation coefficient and pressures under different solutions

2.3　討論

總體而言，隨著膠粉摻入量增加，土樣的壓縮性增強(qiáng)、固結(jié)速度增快.①膠粉顆粒自身的壓縮性大于黏土顆粒[18]，故土樣的壓縮性隨膠粉摻入比的增加而增大；而膠粉粒徑大于黏土顆粒，導(dǎo)致土樣固結(jié)速度增快.②由表1可知，不同摻入比時(shí)，110 mm塌落度對(duì)應(yīng)含水率變化范圍為42.9%～46.1%；土樣含水率雖然變化不大，但由于膠粉具有憎水性(其吸水率僅1.1%左右)[18]，造成膠粉摻入比越大土樣中黏土顆粒含水率越高，壓縮性增強(qiáng).③由表1可知，細(xì)膠粉改性土110 mm坍落度對(duì)應(yīng)含水率約為土樣液限的1.2倍，土樣處于流塑狀態(tài)，孔隙中存在一定量的自由水.由表1和圖8可以看出，當(dāng)膠粉摻入比增加時(shí)，土樣液限減小，而液限大致反映土中結(jié)合水量，因此孔隙中結(jié)合水量減少而自由水量增多，自由水更容易被排出，固結(jié)速度增快.

以上分析還發(fā)現(xiàn)，模擬滲濾液作用下土樣壓縮性稍小，固結(jié)速度增快.其原因可從液限和結(jié)合水的變化來分析.圖8為液限與膠粉摻入比的關(guān)系曲線，圖9為模擬滲濾液對(duì)吸附結(jié)合水量的影響.從圖8可知，當(dāng)摻入比相同時(shí)模擬滲濾液條件下,液限比自來水條件下小0.77%～1.7%.從圖9可知，在模擬滲濾液作用下高嶺土吸附結(jié)合水量減小2.2%，膨潤土減小39.2%.因此，模擬滲濾液中Ca2+與土中Na+發(fā)生離子交換，液限降低、結(jié)合水量減小，結(jié)合水膜厚度變薄，使土顆粒團(tuán)聚，壓縮性降低；自由水含量相對(duì)增大，導(dǎo)致固結(jié)速度加快.

圖8　液限與膠粉摻入比的關(guān)系曲線Fig.8　Relationship between liquid limit and rubber mixing ratio

圖9　模擬滲濾液對(duì)吸附結(jié)合水量的影響Fig.9　Effect of simulated leachate on absorbed water

3　結(jié)論

(1)在100～200 kPa壓力下，膠粉改性土壓縮系數(shù)為0.39～0.80 MPa-1，屬于中～高壓縮性土；由于膠粉顆粒具有不同于黏土顆粒的壓縮性和憎水性，膠粉改性土的壓縮性隨膠粉摻入比增加而增大；膠粉尺寸較大的改性土壓縮性較大，粗膠粉改性土的壓縮系數(shù)約為細(xì)膠粉改性土的1.2～1.4倍.

(2)膠粉改性土固結(jié)系數(shù)為0.5×10-3～6.8×10-3cm2/s，隨壓力增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；隨著膠粉摻入比增加，土樣液限減小，孔隙中自由水量增大，膠粉改性土的固結(jié)速度增快；粗膠粉改性土的固結(jié)系數(shù)略大于細(xì)膠粉改性土.

(3)當(dāng)膠粉摻入比一定時(shí)，模擬滲濾液的作用使土樣壓縮系數(shù)減小，固結(jié)系數(shù)增大，其主要原因在于模擬滲濾液中Ca2+與土中Na+發(fā)生離子交換，使液限降低、結(jié)合水量減小、結(jié)合水膜厚度變薄，導(dǎo)致土樣壓縮性減小、固結(jié)速度增快.

(4)在本文條件下，膠粉和模擬滲濾液對(duì)土-膨潤土材料的壓縮系數(shù)和固結(jié)系數(shù)有一定影響，但在土-膨潤土防滲帷幕材料常見范圍之內(nèi).為確定合理的膠粉摻入量，還需增加膠粉摻入比、選用實(shí)際滲濾液進(jìn)行試驗(yàn)，并結(jié)合滲透性和吸附性綜合確定.

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