盐溶液浸润下团粒膨润土的膨胀与渗透性能研究

2021-05-28

三峡大学学报(自然科学版) 2021年2期

(三峡大学特殊土土力学研究所,湖北宜昌 443002)

随着人类社会的发展,会产生大量的生活垃圾.垃圾处理的主要方式分为焚烧和掩埋[1].焚烧会产生大量有害气体从而污染大气,故很多采用掩埋方式处置.掩埋方式可能存在垃圾渗滤液污染地下水的风险.为此,垃圾填埋场要具有防渗隔离的功能,能够预防垃圾渗液泄漏或迁移到周边地下水系.通常围绕垃圾填埋场周边需要修筑隔离墙,因膨润土具有良好的膨胀和吸附特性,从而成为修筑隔离墙的首选材料.沿海地区的垃圾填埋场不像丘陵和平原地区,通常会选择修建在滨海或滩涂地带,如上海老港垃圾填埋场[2].因此,其隔离墙不仅受到垃圾填埋场渗滤液侵蚀,还会受到海水的长期作用,如图1所示.

图1 海水与垃圾渗滤液的双向作用模型

与一般垃圾填埋场相比,在海边滩涂地带的垃圾填埋场中的防渗系统会受到渗滤液的腐蚀以及外围海水的侵蚀.特别是Na+、Ca2+等海水离子会改变膨润土防渗屏障的性质,从而改变污染物在膨润土中的运移机制,内部外部同时作用对沿海垃圾填埋场的竖向隔离墙的影响将会更大[3-5].海水离子中含有较多Na+、Ca2+、Mg2+,用盐溶液来模拟海水离子的影响,研究膨润土作为海边垃圾填埋防渗材料的膨胀与渗透性能,从而对垃圾填埋场的功能及稳定可以进行准确地预测和评价.因此研究盐溶液对膨润土膨胀渗透性能的影响尤为必要.

许多学者研究发现,盐溶液对于膨润土的膨胀与渗透性能有一定影响.高子瑞等[6]发现NaCl溶液对膨润土的膨胀性有影响,随着NaCl溶液浓度的升高,膨润土的膨胀性显著降低.且在不同浓度NaCl溶液浸润下,膨胀率的变化趋势基本都是先变大后减小最后趋于稳定.郭招群等[7]还就不同种类的盐溶液对高庙子膨润土的膨胀性能影响做了相关研究.将高庙子膨润土分别浸润在浓度均为0.5mol/L 的NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2溶液中开展自由膨胀率和膨胀力试验.不同(阳离子种类)盐溶液对膨胀土的膨胀力以及膨胀率都有着显著削弱影响.于海浩等[8]在研究NaCl溶液饱和不同初始含水率膨润土的膨胀渗透性能时发现,当初始含水率大于10%时,随着NaCl溶液浓度的增加,膨润土的膨胀率明显降低.Castellanos等[9]研究发现膨润土膨胀力受盐溶液浓度的影响,随着盐溶液浓度增加膨胀力减少.Lee等[10]通过对钙基膨润土在不同盐浓度下膨胀性的研究发现,盐浓度越高,膨胀性越低.

为满足低渗透、强吸附的要求,达到膨润土提升防渗隔离的目的,以团粒膨润土、普通膨润土两种土为研究对象,以盐溶液(2.0mol/L的CaCl2溶液)、去离子水两种溶液为浸润溶液,开展膨胀渗透试验,对其膨胀尤其是渗透性能进行评价.根据既有研究,盐溶液对膨润土膨胀渗透性能有显著影响,那么,对于人为造粒提高密实度的团粒膨润土是否具有同样效应? 膨胀渗透性能又是怎样的? 本文选用人为造粒的团粒膨润土为研究对象,选取CaCl2溶液为盐溶液对其浸润开展膨胀力与渗透试验,这对于我国垃圾填埋场的安全运行,尤其是对海边垃圾填埋场的设计具有重要意义.

1 试验

1.1 试验材料

试验用膨润土属于钠基膨润土,从河南省巩义市龙鑫净水材料有限公司购置,呈白色粉末状.根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)的相关试验方法,测得膨润土的密度、液塑限以及自由膨胀率等系数,见表1.

表1 膨润土基本性质

通过对该膨润土进行湿化膨胀、干燥板结、破碎成团、筛分成组等工序形成级配不同的团粒膨润土.具体不同粒组为:1)粒径小于0.075mm 的团粒质量占100%;2)粒径小于0.075mm 的团粒质量占0%.选取普通膨润土(没有经过湿化膨胀干燥板结等过程,颗粒级配为粒径小于0.075mm 的团粒质量占100%)与第一粒组团粒膨润土为研究对象,配置最优含水率为20%,再选取无水氯化钙固体配置浓度为2mol/L的CaCl2溶液,利用实验室超纯水机制备去离子水.

1.2 试样制备

选取普通膨润土与团粒膨润土土样压制成最佳干密度为1.70g/cm3的环刀样(环刀直径(d)为50.0mm,高(h)为10.0mm).根据含水率以及干密度计算称取相应质量土样,借助千斤顶压制成环刀样,称取压制后的质量,核算实际压制干密度为1.69 g/cm3.

1.3 试验方法

1.3.1 膨胀渗透试验

采用自主研发的膨胀渗透装置来进行普通膨润土与团粒膨润土的膨胀渗透试验.如图2所示.为了减少温度对试验的影响,试验在恒温20℃的条件下进行.

图2 膨胀渗透装置

1)去离子水浸润

将压制的环刀试样装入膨胀渗透装置中,利用GDS提供压力促使水从下方口浸入浸润试样.设置压力为10kPa排除仪器装置中的气泡,以减少试验误差.气泡排除之后,设置压力值100kPa,试样在去离子水的浸润下开始膨胀,通过上方传感器传达到数据采集区.当试样稳定不再膨胀则采集区数据也随之稳定,则可收集采集区数据进行膨胀力分析.随之可开展渗透试验,增加溶液收集装置针筒.按照上述步骤先排气泡,之后设置压力值为500kPa.密切观察针筒收集装置的情况,当有水渗出则开始记录出水量,按照相同时间(12h)间隔记录.

根据达西定律计算渗透系数:

式中:k为渗透系数;Q为排水体积,实验用水为纯水,1.0g 水的体积为1.0cm3;L为试样高度,1.0 cm;A为试样截面面积,3.14cm×2.52cm;H为水位差,100m 水位差的压力为1.0MPa;t为时间(s).

2)盐溶液浸润

与去离子水浸润膨胀渗透试验步骤、实验原理基本一致,只是试验装置略有改变.涉及到盐溶液,为避免盐溶液腐蚀试验装置,因此需要在固结仪与GDS之间添加盐水分离器.

1.3.2 压汞试验

压汞分析土样孔隙体积以及密度分布是一种常用方法,本试验采用的仪器是康塔公司设计的PoreMaster-33型压汞仪,如图3所示.该仪器包含高压和低压两套系统,可测土样直径范围为0.0070～1000μm.

图3 压汞分析仪

压汞试验试样制备需要保持试样干燥,可采用液氮冻干法.将团粒膨润土吸水膨胀后和浸润盐溶液膨胀后的膏体分别放入多孔盛样盒中,并进行编号;用敞口容器盛放盛样盒,加入液氮,完全浸没盛样盒,并开始抽真空操作;当容器开始出现结冰状态,停止抽取真空;将冻干后的试样放入真空干燥机中24h,即完成试样干燥工作;借助压汞分析仪经过称量取样、试样装样、低压测试、高压测试以及废液处理等步骤即可完成压汞试验.

2 结果与讨论

2.1 膨胀力试验

普通膨润土与造粒团粒膨润土(实测干密度为1.69g/cm3,含水率20%)在去离子水以及盐溶液浸润的条件下膨胀力随时间变化曲线如图4～5所示.

图4 团粒膨润土膨胀力-时间变化曲线

图5 普通膨润土膨胀力-时间变化曲线

由图4～5可知,两种膨润土在两种浸润条件下膨胀力随时间的变化都是先急剧增加后趋于稳定,变化趋势基本吻合.从图4～5可知去离子水浸润条件下团粒膨润土的膨胀力最终稳定在6.77MPa,而盐溶液浸润条件下膨胀力最终稳定值为4.57MPa.去离子水浸润条件下普通膨润土的膨胀力最终稳定值为6.94MPa,而盐溶液浸润条件下膨胀力最终稳定值为4.86MPa.团粒膨润土和普通膨润土在盐溶液浸润条件下的膨胀力均明显降低,与去离子水浸润条件下的膨胀力相比,降幅达到30%.同种溶液浸润条件下,普通膨润土膨胀力最终稳定值均略高于团粒膨润土.

如图6所示,膨润土主要有体间孔隙、体内孔隙和层间孔隙三部分,膨润土遇水之后发生水化反应.团聚体发生膨胀即第一阶段膨胀,到第二阶段双电层形成,到第三阶段双电层开始膨胀,层叠体甚至变成单个单元[11].

由于团粒膨润土表面带有负电荷,当浸润在去离子水或者盐溶液中后,水分子会扩散到团粒膨润土晶层之间,导致团粒膨润土迅速膨胀[12].随着水分子不断渗入,团粒膨润土晶层之间水分子逐渐达到饱和,因此后续膨胀逐渐趋于稳定.根据项国圣等[13]研究发现,盐溶液对膨润土微观结构存在一定影响.通过不同浓度NaCl溶液浸泡,利用氮吸附法测试试样孔隙体积、比表面积.发现膨润土带负性电荷,NaCl溶液中的Na+被吸收从而堵塞了膨润土的孔隙,使得膨润土孔隙体积下降,因此影响膨润土的膨胀性能.在本试验中选取浓度为2.0mol/L的CaCl2溶液,为高浓度盐溶液.团粒膨润土表面同样具备负电荷可以吸附盐溶液中的Ca2+,水分子也可以迅速进入团粒膨润土晶层之间,从而影响膨胀性能.且本团粒膨润土原料为钠基膨润土,原本的Na+会与溶液中的Ca2+发生置换反应,钠基膨润土团粒转化为钙基膨润土团粒,其膨胀性能显著降低.

图6 膨润土膨胀机理概念图(修改自Suzuki等[14-16])

2.2 渗透试验

图7～8为普通膨润土与团粒膨润土在去离子水以及盐溶液浸润条件下的渗水量随时间变化曲线图.很明显,两种浸润条件下,渗水量与时间都成线性关系.

从图9可知,团粒膨润土在去离子水浸润条件下的渗透系数为8.22×10-14m/s,而盐溶液浸润条件下渗透系数为1.40×10-13m/s.普通膨润土在去离子水浸润下的渗透系数为9.76×10-14m/s,而盐溶液浸润条件下渗透系数为1.54×10-13m/s.对于同一种膨润土的两种浸润条件下渗透系数相差一个数量级,对于相同溶液浸润条件下团粒膨润土的渗透系数都小于普通膨润土的渗透系数.

图7 团粒膨润土渗透系数-时间变化曲线

图8 普通膨润土渗透系数-时间变化曲线

图9 渗透系数最终稳定值

与普通膨润土相比,团粒膨润土在去离子水以及盐溶液两种浸润条件下的渗透系数都相对较小,能满足作为垃圾填埋场隔离墙防渗材料的基本要求.两种膨润土在盐溶液与去离子水浸润条件下渗透系数的较大差别可能是因为2.0mol/L 的CaCl2溶液浓度较大,且可移动电荷较多,频繁发生离子交换使孔隙增大、渗流通道增加从而导致渗透系数变大[17-18].根据Rolfe等[19]相关研究发现膨润土的渗透系数与可移动电荷、浓度、电荷等都有关.许四法等[20]也曾研究发现溶液特性对土样的渗透系数有较大影响,尤其是在本试验中选取了高浓度的CaCl2溶液发生离子交换反应后,团粒膨润土表面聚集更多阳离子从而负电势逐渐减弱,土粒的双电层厚度就会逐渐变小,土粒之间的斥力随之逐渐变小,则膨润土蒙脱石之间的晶层间距就会增大,从而导致渗透系数也会增大.

2.3 压汞试验

图10～11分别为团粒膨润土与普通膨润土在去离子水以及盐溶液浸润条件下膨胀试样的累计孔隙体积曲线.从图中可知去离子水浸润条件下,土样累计孔隙体积曲线位于盐溶液浸润条件下的累计孔隙体积曲线之上.团粒膨润土与普通膨润土在不同浸润膨胀状态下孔隙累计体积分别相差0.011cm3/g、0.012cm3/g.

图10 团粒膨润土累计孔隙体积曲线

图11 普通膨润土累计孔隙体积曲线

图12～13分别为团粒膨润土与普通膨润土在去离子水以及盐溶液浸润条件下膨胀试样的孔隙分布密度曲线.从图中可知团粒膨润土在去离子水浸润条件下膨胀后孔隙主要分布在0.008μm 孔径范围内,团粒膨润土在盐溶液浸润条件下膨胀后孔隙主要分布在0.02μm 孔径范围内.普通膨润土在去离子水浸润条件下膨胀后孔隙主要分布在0.013μm 孔径范围内,普通膨润土在盐溶液浸润条件下膨胀后孔隙主要分布在0.031μm 孔径范围内.

图12 团粒膨润土孔隙分布密度曲线

图13 普通膨润土孔隙分布密度曲线

团粒膨润土在盐溶液浸润条件下相比去离子水浸润条件下累计孔隙体积减小,从去离子水浸润条件下的0.1131cm3/g到盐溶液浸润条件下的0.1021 cm3/g.孔隙分布密度曲线右移,孔隙分布密度从去离子水浸润条件下的0.008μm 到盐溶液浸润条件下的0.02μm.普通膨润土也有相同的变化趋势.碱溶液浸润会造成膨润土中蒙脱石溶解,膨润土的结构会造成破坏,从而使膨润土大孔隙增加.膨润土的膨胀力下降,渗透系数增加[21].盐溶液浸润条件下膨胀力下降,则土样中填充就相应减少.大孔隙体积增加,小孔隙体积减少[22].蔺建国等[23]通过研究孔隙溶液对膨胀土微观结构的影响发现,随着氯化钠溶液浓度的增加,试样发生聚集化,小孔隙、微孔隙减少.本试验中相比去离子水浸润,2mol/L 的CaCl2溶液为高浓度溶液,Ca2+会被吸附从而阻塞孔隙,从而导致土样微小孔隙减少.压汞试验中进汞量与土样微小孔隙体积有关,因此盐溶液浸润条件下累计孔隙体积减少.微小孔隙下降,膨胀性能也随之下降,膨胀较少使填充减少.盐溶液破坏了膨润土的结构,使大孔隙增加,导致盐溶液浸润条件下孔隙密度分布曲线右移,膨润土渗透系数随之增大.分析压汞试验结果进一步验证了盐溶液对团粒膨润土的膨胀和渗透性能都有较大影响.