盛炎民，代国忠，李书进,2

(1.常州工学院土木建筑工程学院，常州 213032；2.中铁蓝焰构件有限公司，常州 213032)

0 引 言

随着城市化进程的不断深入，伴随而来的是数以亿吨计的日常生活垃圾，面对大量的生活垃圾，当前许多城市选择卫生填埋的方式进行处置，由此产生一种新的污染物—垃圾渗滤液。垃圾渗滤液当中BOD5、COD以及重金属离子等成分是其主要污染成分，且相较于其它成分含量较高[1-2]。垂直防渗墙就是在这种情况下产生的，其作用主要是为防止渗滤液向垃圾填埋场周围地下水及地层扩散和迁移，保持垃圾填埋场周围水土生态环境保持稳定状态。当前一般以压力灌浆法、高压喷射注浆法和深层搅拌注浆法三种方法进行垂直防渗墙体的浇筑[3]。建造垂直防渗墙一般以水泥、膨润土及粉煤灰为主要成分，同时，在不同的垂直防渗墙应用环境下可以添加不同的外加剂来调节其各方面性能[4-5]。在垃圾填埋堆放过程中，垂直防渗墙不会承担很大的竖向荷载，但会承受较大的水平荷载，由此会使得墙体会产生一定的水平位移，当墙体水平位移与周围土体水平位移不一致时，会使得墙体出现裂缝，影响墙体的正常使用功能，这要求垂直防渗墙与周围的土体的弹性模量相似，以达到防渗墙的变形与周围的土体变形相协调的目的[6-7]。经过试验研究发现，以水泥和土为主要成分制备的防渗墙体的弹性模量是适当的(50～80 MPa)，它的刚度与周围的土体相似，其柔性较好且渗透系数较低，作用在墙面上的应力分布均匀，墙体不易产生裂缝，适合垃圾填埋场防渗工程[8]。

为此，本文采用聚乙烯醇(PVA)为改性剂对膨润土进行有机化处理，配制出聚乙烯醇改性膨润土-粉煤灰-水泥防渗浆材(简称PBFC防渗浆材，或称之为浆材)，并探讨浆材各组分对PBFC浆材抗剪强度的影响，为制备满足垃圾填埋场垂直防渗工程设计与施工提供依据。

1 实 验

1.1 试验方法

试验仪器：浆材的抗剪强度主要采用三轴应力应变仪进行测试，试验仪器如图1所示。

图1 应力应变三轴试验仪及计算机控制系统
Fig.1 Stress-strain triaxial tester and control system

1.2 试验步骤

(1)在浆材搅拌均匀后30 min内，将浆材倒入准备好的模具中，模具直径为61.8 mm，高度120 mm，在模具内壁涂抹凡士林。然后将成型的试样放在水中养护，养护完成后对试样进行裁切和整平。

(2)试样养护28 d后进行三轴压缩试验，本文三轴试验采用不排水不固结试验(UU试验)，试验过程采用按剪切速率进行采样，剪切速率为1 mm/min，采用单级加载的方式，最大剪切量为6 mm。应力应变三轴试验仪在试验过程中会通过数据采集系统实时采集试验数据保存在计算机中，达到试验结束条件后系统会自动停止试验。

(3)试验完成后，需关闭排水阀，卸载试样周围压力，排除压力缸内的水，拆除试样，切勿将试样小颗粒散落在试验仪器的任何小孔上，拆除试样后用毛巾将试验仪器擦干净，导出试验数据。

2 PBFC防渗浆材配制

2.1 PBFC防渗浆材的基本组成及制备

试验所用PBFC防渗浆材由膨润土、水泥、粉煤灰、聚乙烯醇等配制而成。膨润土为钠基膨润土，水泥为P·O 42.5水泥，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。采用1788型聚乙烯醇作为膨润土的改性剂，对膨润土进行有机化处理。在改性后的膨润土中依次加入水泥、粉煤灰，然后加入适量的水稍微搅拌，然后将浆材用搅拌机搅拌10 min，至浆材均匀。

2.2 PBFC防渗浆材的试验方案

在前期试验的基础上，以190 g/L膨润土，180 g/L粉煤灰，200 g/L水泥，2 g/L碳酸钠，2 g/L聚乙烯醇，余之为水为基准配比配制防渗浆材，分别改变水泥和膨润土掺量，测试不同配比防渗浆材的28 d抗剪强度，试验配比见表1。

3 结果与讨论

3.1 防渗浆材的破坏机制

图2和图3显示了防渗浆材在进行三轴剪切时的破坏情况。

表1 PBFC防渗浆材的单因素试验配比Table 1 Single factor proportion of PBFC anti-seepage slurry

图2 试块发生典型剪切破坏
Fig.2 Typical shear destruction of test samples

图3 试块发生楔形与劈裂剪切破坏
Fig.3 Wedge and splitting shear destruction of test samples

如图2所示，部分试块的破坏为典型剪切破坏，即出现一条45°至60°倾角的剪切裂缝，裂缝贯穿试块一端，将试块分为两部分。

如图3所示，部分试块的破坏类型为楔形与劈裂剪切破坏，竖向裂缝首先出现在试块顶部，而后向下延申，使试块产生劈裂剪切破坏，劈裂至试块三分之一部位时产生斜向倾角裂缝，沿着这个裂缝又产生楔形破坏。

从材料的破坏机制来看，典型截切破坏与楔形及劈裂剪切破坏均有张拉裂缝产生，且裂缝形式具有自上而下的特点。张拉裂缝的主要产生原因是由于随着竖向三轴应力逐渐增大，由此产生横向的拉应力超过试块抗拉强度，从而造成材料的破坏。

3.2 不同围压条件下防渗浆材的应力应变曲线

按照既定试验方案，应对养护龄期为28 d的不同配比的PBFC防渗浆材试块进行围压为100 kPa，200 kPa和300 kPa的三轴抗压试验，试验共获得不同条件下应力-应变数据45组。图4为浆材固结后在不同围压条件下，通过不固结不排水三轴抗压试验获得的应力-应变曲线关系图。

图4 不同围压条件下浆固结体应力-应变关系曲线Fig.4 Stress-strain curves of slurry consolidation under different confining pressures

从图4中的曲线可以看出，不同条件情况下硬化防渗浆材试块的应力-应变曲线呈现基本相同的屈服方式。在屈服点的选取上，将第一次达到峰值并出现下降时的应力作为该曲线对应的极限应力，极限应力对应的应变值作为该曲线的极限应变。以试验组B4为例，在不同围压状态下，试块的应力-应变曲线呈现随着应变的增大，试块的应力呈现先直线性增大，然后应力下降再增大，最后保持平稳的状态，且在应变达到极限应变时，试样达到其极限应力值，可以得知，试块的极限应变值在0.5%～1.5%范围内。观察其他试验组的关系曲线图也可以得出在进行不固结不排水三轴试验时，防渗浆材试块的极限应变值在0.5%～1.5%范围内，此时可以认为试块已经破坏，试块应力达到其极限应力。

表2为防渗浆材的极限应力(偏差应力)及对应的极限应变，其中极限应力的部分作为绘制莫尔应力圆并获得抗剪强度参数的依据。

从表2可以看出，在进行不固结不排水三轴试验时，防渗浆材试块的极限应变值在0.5%～1.5%范围内，此时可以认为试块已经破坏，当试块达到极限应变时其对应的应力值为其极限应力。由图5可以看出，在不同的围压状态下，随着水泥掺量的增加，防渗浆材试块的极限应力值先增大后减小，当水泥掺量为200 g/L时，防渗浆材试块的极限应力值达到最大值。随着膨润土掺量的增加，浆材试块的极限应力呈现先增大后减小的趋势。

表2 防渗浆材力学性能参数(极限应力，极限应变及抗剪强度参数)Table 2 Mechanical properties of anti-seepage slurry (ultimate stress, ultimate strain and shear strength parameters)

注：εpeak为试样发生破坏时的极限应变(%)；σ1-σ3为试样发生破坏时的极限应力(kPa)；C为试样的黏聚强度(kPa)；φ为试样的内摩擦角(°)。

图5 不同围压状态下硬化浆材试块的极限应力随水泥和膨润土掺量的变化
Fig.5 Changes of limit stress of hardened slurry under different confining pressure with the content of cement and bentonite

3.3 防渗浆材的硬化及破坏机理

在防渗浆材的主要成分中，水泥和膨润土是决定材料强度的关键，因为材料的强度主要来源于水泥和膨润土的硬化。本文制备的PBFC防渗浆材是一种自硬性胶凝材料。有研究表明当水泥加入到膨润土中并倒入水后，水泥首先会发生水化反应。水泥中的硅酸三钙(C3S)，硅酸二钙(C2S)，铝酸三钙(C3A)及铁铝酸四钙(CaAF)会与水发生一系列复杂的化学反应，形成水化硅酸钙胶体(CSH gel)，水化铝酸钙胶体(CAH gel)和氢氧化钙(CH)等产物[9]。产物中的氢氧化钙向溶液中释放Ca2+和OH-。其中，游离的Ca2+会与钠基膨润土中的Na+发生置换，形成钙基膨润土，钙基膨润土在分散性和膨胀系数上均弱于钠基膨润土。这一系列的化学变化是导致材料发生絮凝的原因。于此同时，水泥水化反应释放出的OH-使泥浆的pH值升高。使得膨润土内部的二氧化硅(SiO2)和三氧化二铝(Al2O3)成分向外溶解。这些SiO2和Al2O3会与水泥水化产生的CH继续反应，从而在膨润土表面再次凝聚形成CSH和CAH胶体，从而加强了各微粒之间的粘结性，这一反应又被称为火山灰反应。

随着水泥和膨润土用量的增加，水泥的水化反应及与膨润土凝聚反应使得试块内部的粘结作用增强，从而使得试块的抗剪强度增强。但是随着水泥掺量进一步增加，在水化反应过程中产生的大量Ca2+会导致膨润土向钙基膨润土转化，从而膨润土的分散性和膨胀性变差，导致材料内部的粘结作用降低，试块的抗剪强度降低。当膨润土掺量较少时，随着膨润土掺量的增加，水泥水化产物CH与膨润土发生火山灰反应生成CSH和CAH胶体，使得防渗浆材的抗剪强度有一定提高，而膨润土掺量进一步增加，大量的Ca2+与钠基膨润土中Na+发生离子置换作用，使得钙基膨润土在防渗浆材的占比提高，从而导致防渗浆材的抗剪强度降低。

4 结 论

(1)防渗浆材试块的剪切破坏形式主要有三种，典型剪切破坏、楔形剪切破坏和劈裂剪切破坏，这三种破坏形式主要是由于在加载围压状态下加载轴向荷载使得材料内部产生张拉应力，当张拉应力达到材料内部的极限抗拉应力时，有张裂缝产生，试块沿张裂缝方向而产生破坏。

(2)防渗浆材的极限应变在0.5%～1.5%范围内，且随着水泥和膨润土用量的增加，水泥的水化反应及与膨润土凝聚反应使得试块内部的粘结作用增强，从而使得试块的抗剪强度增强。但是随着水泥和膨润土掺量进一步增加，试块的抗剪强度降低。