孫雪景 王占華

(吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,長春 130118)

0 引言

城市生活中的垃圾填埋問題，是目前世界各國面臨的的環(huán)保問題研究的熱點之一[1-2].目前，處理城市垃圾的主要手段雖仍是填埋的方式,但其仍有一定的不足,主要表現(xiàn)在其受到雨水、地表水和地下水等外部因素的影響,造成其產(chǎn)生的滲濾液具有較大的毒性直接影響到環(huán)境污染[3-4].本文主要研究了垃圾防滲層防開裂性能的問題,并通過理論分析和實驗研究探討了在垃圾填埋過程中，加入粉煤灰對于提高天然粘土防滲層防開裂的效果.

1 填埋場改性填料的選擇及技術(shù)路線

根據(jù)改性天然粘土的目的,添加材料一方面其粒徑需極小,能夠填充在天然粘土中孔隙中,減小其空隙比,從而在一定程度上減小其滲透系數(shù);另一方面,希望添加的材料在于粘土的接觸面上能夠反應生成一些難溶解、滲透性較低的穩(wěn)定密封物質(zhì)來進一步降低天然粘土的滲透系數(shù)[5].因此,實驗中改性填料選擇的依據(jù)主要有以下4點:

(1) 選擇的改性填料可與天然粘土或垃圾滲濾液中的污染物質(zhì)進行反應,產(chǎn)生一定的低溶解度,低滲透性且比較穩(wěn)定(最主要的不要受滲濾液中污染物質(zhì)的影響)的固封物質(zhì)[6].

(2) 填料不能減弱原防滲層材料的強度,吸附截污性能等一些對防止?jié)B濾液的泄露起重要作用的性狀.

(3) 填料不應該有污染物質(zhì)的釋放,從而加劇防滲層防滲負荷[7-8].

(4) 填料在經(jīng)濟上應該價格低廉,來源上數(shù)量大且易得.

本文所做的實驗通過結(jié)合不同粉煤灰含量配比的改性粘土的開裂情況,獲得一個最佳粉煤灰添加量的比較理想的防滲層材料，其技術(shù)路線圖如圖1所示.

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology route

2 粘土襯里破壞機理分析

目前，理論上對于垃圾填埋場中破壞天然粘土襯里主要存在3種表現(xiàn)形式,即開裂、開孔和解體.它們破壞導致的直接后果都是使粘土的滲透系數(shù)在短時間內(nèi)迅速增大,防滲層的防滲性能不能達到國家對防滲層的環(huán)境標準和要求[9-10],由此使得滲濾液中的污染物泄露,從而進入周圍土壤及地下水環(huán)境中產(chǎn)生環(huán)境污染.

2.1 開裂

粘土開裂一般是在體積變化或者應力作用下,在變形不協(xié)調(diào)的地方產(chǎn)生.目前，認為有7種作用會導致這一現(xiàn)象，即物理化學作用、干濕膨脹作用、差異沉降作用、卸荷作用、構(gòu)造作用、斜坡活動作用及差異壓密作用.尤其以前3種作用影響更為顯著.物理化學作用指吸附在粘土顆粒上的水與其它相關(guān)溶劑發(fā)生作用時,礦物結(jié)構(gòu)中層與層之間產(chǎn)生的變化情況.如果是其屬性相關(guān)的小極性的溶劑,則它們與顆粒物之間產(chǎn)生相互作用力非常小,其吸附的也會很少.干濕膨脹作用是因為粘土會含水率的多少而產(chǎn)生膨脹收縮等作用,其作用的大小與粘土中強親水物質(zhì)的多少有著密切關(guān)系,強親水物質(zhì)的量越多,干濕縮脹作用就越明顯,而當環(huán)境發(fā)生變化,接觸面接觸的水分減少或者由于揮發(fā)作用使水分散失而形成一個相對干燥的環(huán)境時,粘土又會收縮,在這一脹一縮的過程中,粘土的體積會發(fā)生較大變化,很容易產(chǎn)生裂縫[11-12].差異沉降作用指在垃圾填埋場中壓實防滲層的基本土層時,壓實不均勻,或者即使壓實的相對比較均勻,但是土層上方的城市生活垃圾分布導致的荷載不均勻而使土層在下降過程中下降量不一樣,有大有小,當發(fā)生這種不均勻沉降或者較大的沉降量時,容易使粘土襯里形成拉張裂縫或者剪切裂縫.

2.2 開孔

開孔是指在粘土襯里中產(chǎn)生平面上近似圓形的集中透水管道的現(xiàn)象.它是一種柔性漸變式的破壞,屬于機械穿透，主要分為管涌和穿透兩種情況.管涌是因為粘土中的一部分小顆粒物質(zhì)有可能與滲濾液中的某些物質(zhì)發(fā)生化學腐蝕而溶解或者因為機械侵蝕被沖刷帶走到土層中大孔隙中去,當發(fā)生這些以后,滲濾液體在防滲層的滲透速度會增大,從而有足夠的能量搬運更大粒徑的顆粒.在粘土底端出口滲透處易形成孔洞,所產(chǎn)生的孔洞會進一步縮短滲透路徑,同時水力梯度增大,從而形成集中水流的管道.它主要取決于粘土顆粒的級配和滲濾液的遷移情況[13-14].穿透主要是指因為填埋場在機械作業(yè),或者是一些穴居動物,植物根系的穿透導致的粘土被破壞的情況.

2.3 解體

解體指的是粘土顆粒之間的緊密結(jié)構(gòu)被破壞而導致的土壤孔洞增大、密度減小、滲透系數(shù)迅猛增大的現(xiàn)象,它是防滲層整體的破壞與惡化,一旦發(fā)生,其危害相比開裂和開孔大得多.一般認為，邊坡失穩(wěn)和凍融循環(huán)是導致粘土防滲層解體的主導形式[15-16].前者是因為填埋場所建位置的地質(zhì)條件決定的，而后者主要是因為周圍環(huán)境溫度的變化導致水凍結(jié)和融化過程的反復進行使土樣發(fā)生膨脹和收縮,由體積變化導致土體結(jié)構(gòu)的變化.

3 防開裂實驗過程

(1) 實驗目的. 天然粘土具有以開裂的特性,主要是由于其具有很強的吸水能力從而產(chǎn)生了高膨脹性能，使其在干燥的環(huán)境中更容易產(chǎn)生開裂問題,從而使防滲層的滲透系數(shù)迅速變大.這樣就會降低防滲層的防滲隔離的效果,使得污染物容易溢出,從而污染周邊場地環(huán)境.因此,防滲層的開裂問題是設(shè)計防滲層必須要考慮的問題之一,也是本文研究最主要的目的.

(2) 實驗設(shè)備與實驗方法. 實驗設(shè)備有輕型擊實儀、有機玻璃柱6個、其它實驗室常見儀器.實驗方法如下:分別取不同配比的改性粘土(比例分別為10%,15%,20%,25%,30%),重量在2kg,并且根據(jù)其他實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果,讓改性粘土的最佳含水率處于最佳狀態(tài),進行養(yǎng)護24h,然后置于有機玻璃柱中分層擊實,在靜水壓頭的作用下浸泡3d,讓試樣含水達到最大可能的飽和,將其取出置于實驗室條件下晾置20d,觀察各試樣開裂情況,記錄實驗現(xiàn)象.

4 防開裂實驗結(jié)果與討論

本實驗通過對改性粘土養(yǎng)護、擊實、飽水、曬晾等過程研究粉煤灰對壓縮粘土干燥后開裂情況的影響(見表1),評價指標主要考慮裂縫數(shù)量,裂縫長度和寬度等3個方面.

表1 不同配比粉煤灰改性粘土的開裂情況Table 1 Cracking of different proportions of fly ash modified clay

實驗結(jié)果顯示,粉煤灰在很大程度上降低了改性粘土表面干燥開裂情況,天然粘土表面出現(xiàn)了長達121mm的裂縫,數(shù)量上與改性粘土相比也是最多的,達到9條.經(jīng)過改性的粘土之間開裂情況雖然變化規(guī)律不是很明顯,但是其與天然粘土比較具有相當大的優(yōu)勢,裂縫條數(shù)都減少了,在20%這個配比上只有2條,裂縫長度也從天然粘土的121mm迅速10%改性粘土的15mm,隨著粉煤灰量得加入逐漸平穩(wěn)在20mm左右.

圖2 改性粘土裂縫長度變化情況Fig.2 Change in crack length of modified clay

在裂縫寬度這一角度來看,10%,15%改性粘土的開裂情況相比天然粘土而言略有上升趨勢(從1.2mm分別上升到1.5mm和1.9mm),這在防滲層中是不利的,但是在綜合考慮裂縫條數(shù)以及長度后,經(jīng)改性后粘土在防滲層干燥開裂方面相比天然粘土有較大改善,特別是20%這一配比的改性粘土,其寬度降低到0.2mm,并且在裂縫條數(shù)以及長度上都有比天然粘土更好的性能,可以充分起到揮防滲層的隔離、阻滯污染物污染環(huán)境的作用.

另外,從改性粘土試樣的周長也可以判斷粘土內(nèi)部的體積變化情況,從而判斷各試樣的開裂情況,因為所有試樣在晾置之前都是從一直徑大小的有機玻璃柱中取出,其周長應該相等,而從實驗結(jié)果來看,各個試樣之間存在差別,這是由于各個試樣的體積變化大小不一導致的,周長越大,體積膨脹得越大,亦即體積的變化越大,間接反映了開裂情況的好壞.實驗中粘土的最大,為40.6cm,而20%改性粘土的最小,只有39.1cm,并且加入粉煤灰的改性粘土周長都要比天然粘土的周長小,表1中的數(shù)據(jù)可以說明,加入粉煤灰改性后確實有效地改善了原有的天然粘土的開裂性能.

天然粘土一般是因為體積收縮張力導致開裂嚴重,而這與飽和土壤中的水土體積比有直接聯(lián)系,而土中含有的粘土以及高塑性物質(zhì)越多,就更容易有更大體積的水,從而傾向于產(chǎn)生更大的體積收縮張力.粉煤灰的加入使天然粘土的可塑性降低(這與土壤類型、離子交換能力、在試樣中的相對含量,以及粘土中低塑性物質(zhì)的含量有關(guān)),它會降低粘土的飽水能力以及體積收縮張力.因此,經(jīng)改性后的粘土能夠有效地改善防滲層的開裂情況.另外,粘土中一般含水比較大的鈣含量,它能夠產(chǎn)生Ca2+和OH-,能生成硅酸鈣水合凝膠體,這種化學修飾能使經(jīng)改性后的粘土更具有硬而易碎性能,從而進一步降低粘土體積收縮張力.

5 結(jié)論

本文通過防滲層開裂實驗,驗證了經(jīng)粉煤灰改性后的粘土具有有效提高天然粘土的防開裂能力.實驗結(jié)果表明,無論從裂縫條數(shù)、寬度、長度以及由試樣周長間接反映出來的試樣內(nèi)部開裂情況都說明,經(jīng)改性后的粘土顯著地提高了天然粘土防開裂情況,結(jié)果顯示在添加粉煤灰的不同配比中,添加20%比例時取得的效果最好.