分散剂改良土-膨润土竖向隔离墙材料黏度试验研究

杨玉玲 杜延军 范日东 陈左波

(东南大学岩土工程研究所，南京 210096)

分散剂改良土-膨润土竖向隔离墙材料黏度试验研究

杨玉玲 杜延军 范日东 陈左波

(东南大学岩土工程研究所，南京 210096)

摘 要:为改善土-膨润土竖向隔离墙材料的分散性，增强隔离墙阻滞污染物能力，对添加3种不同磷酸盐分散剂的土-膨润土回填料进行了黏度试验，研究了不同分散剂掺量下回填料表观黏度的变化规律.试验结果表明:3种磷酸盐分散剂均可显著减小土-膨润土回填料表观黏度;分散剂掺量从0%增加到0.1%，回填料表观黏度急剧下降，继续增加分散剂掺量，回填料表观黏度趋于平稳或略有增长;添加磷酸盐分散剂后，增加膨润土含量对回填料分散性影响不大，可通过添加磷酸盐分散剂的方法提高回填料对膨润土的负载量;六偏磷酸钠分散效果稍优于三聚磷酸钠和焦磷酸钠.同时，建议0%，5%，10%膨润土含量回填料对应的3种分散剂最优掺量为0.05%，0.1～0.5%，0.5%.磷酸盐分散剂在改善隔离墙材料分散性、提高墙体对污染物的阻滞能力方面具有潜在的工程实用价值.

关键词:隔离墙;土-膨润土;分散剂;表观黏度;最优掺量

近年来我国污染事故频发，由此引起了社会各界对污染修复问题的高度重视［1-2］.防止污染物随地下水迁移而导致污染范围扩大的有效措施之一是修建土-膨润土竖向隔离墙阻挡污染物运移［3-5］.

低渗透性是隔离墙材料发挥作用的重要前提之一，要求墙体渗透系数不大于10－9m/s.然而在污染物的影响下，膨润土土颗粒表面双电层厚度被压缩，土颗粒间形成絮凝结构，导致土-膨润土回填料渗透系数增大.Katsumi等［6-7］研究了土-膨润土渗透系数在氯盐溶液长期作用下的变化情况，结果表明溶液中的高价阳离子使土粒结构发生改变，土-膨润土渗透渗透系数可增大超过一个数量级.

增大膨润土含量可降低土-膨润土回填料的渗透系数，但膨润土具有高液限和吸水膨胀性，增大膨润土含量的同时会导致现场的原位土与膨润土拌和困难，产生“抱团”现象.在土-膨润土回填料中添加分散剂，可防止回填料在污染物影响下发生絮凝，保持隔离墙墙体分散性和低渗透性，保证隔离墙阻滞污染物的有效性并延长隔离墙服役寿命.

表观黏度是指非牛顿流体所受剪切应力和剪切速率的比值，能够表征非牛顿流体在运动状态下抵抗剪切变形能力的程度［8］.可通过表观黏度来评价土-膨润土回填料的分散性，确定分散剂的最优掺量［9-11］.

现有研究主要针对磷酸盐改良高岭土或膨润土浆液的黏度特性［9-10］，多属于陶瓷制造的注浆成型技术领域或坝基防渗的渗透注浆技术领域.而在环境岩土的隔离墙技术中，针对磷酸盐改良高岭土-膨润土隔离墙材料黏度特性的研究仍鲜见报道.且由于文献报道的浆液的含水率与本文所用回填料的含水率差别较大，必将导致材料黏度特征有所变化，因此这些研究结果不宜直接用于判断隔离墙回填料的分散效果.

本文选用六偏磷酸钠、三聚磷酸钠和焦磷酸钠3种磷酸盐作为分散剂，以添加分散剂的高岭土-膨润土混合回填料作为竖向隔离墙材料进行了系列黏度试验，探讨在分散剂作用下回填料表观黏度的变化特性，评价通过添加磷酸盐类分散剂提高隔离墙回填料分散性能的可行性，并在对比各分散剂分散效果的基础上，给出了分散剂最优掺量值建议.

1 试验

1.1 试验材料及试样制备

由于不同场地中用于隔离墙混合土的原位土物化特性不同，故本试验选用具有普遍工程适用意义的商用高岭土代替原位土，膨润土为商用膨润土，土的基本物理特性见表1.磷酸盐类分散剂分别为:化学试剂六偏磷酸钠，分子式(NaPO3)6;三聚磷酸钠，分子式Na5P3O10;十水合焦磷酸钠，分子式Na4P2O7·10H2O.

表1 高岭土和膨润土的基本物理特性

土-膨润土回填料的制备参照美国石油协会颁布的《钻井液材料规范》(API 13A)［12］，将高岭土、膨润土干粉和分散剂与蒸馏水混合，用水泥净浆搅拌机均匀搅拌20 min，倒入容器密封静置16 h(恒温20℃)，再次搅拌5 min，回填料倒入烧杯进行表观黏度测量.

1.2 试验方法

试验设计的膨润土含量为0%，5%，10%;分散剂掺量为 0%，0.01%，0.05%，0.1%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%.其中膨润土含量或分散剂掺量分别为膨润土的干土质量或分散剂质量与高岭土和膨润土的干土质量和之比.土-膨润土回填料的含水率按隔离墙施工要求的回填料坍落度范围(100～150 mm)，取中值(125 mm)对应含水率作为试样控制含水率.坍落度试验按照ASTM C143/C143M-12［13］进行.如图 1 所示，膨润土含量为0%，5%，10%的回填料的设计含水率分别为34.56% ，48.55% ，61.50%.

图1 根据坍落度试验结果确定的黏度试验控制含水率

黏度测量仪器为NDJ-5S型旋转黏度计，测量温度为20℃.不同分散剂掺量下土-膨润土回填料黏度值变化范围较大，单一转子的量程不能覆盖所有回填料表观黏度值，试验选用2，3，4号转子对不同膨润土和分散剂掺量回填料进行黏度测量，转速均为12 r/min.首先选用小体积(4号)转子对烧杯中回填料进行黏度量测，当测量值超过转子量程(显示屏百分计标度在20～90%之间为正常值)时，改用大体积(3号，2号)转子.本试验黏度值取为启动转子后2 min时的读数值.

2 结果与讨论

2.1 分散剂掺量与表观黏度关系

图2 不同膨润土含量下分散剂掺量与表观黏度关系曲线

图2为不同膨润土含量下分散剂掺量与表观黏度关系曲线.由图可见，3种磷酸盐分散剂均能显著减小土-膨润土回填料表观黏度，表观黏度随分散剂掺量变化趋势基本一致，分散剂掺量增加，表观黏度急剧下降，随后趋于平稳或稍有增长，这一趋势与 Yoon等［9］和 Papo等［10］的试验结果一致.Yoon等［9］在膨润土浆体中加入焦磷酸钠，发现焦磷酸钠能有效降低浆体表观黏度;Papo等［10］对比三聚磷酸钠和六偏磷酸钠掺量与高岭土浆体(载土量55%)表观黏度关系时得到以下结论:随分散剂掺量增加，浆体表观黏度呈先减小后平稳的趋势.由于文献［9-10］的试验过程采用了较高剪切速率和较低土体含量，因此文献［9-10］中浆液的表观黏度值与本文的回填料表观黏度值差别较大.

Sridharan等［14］认为对于高岭土，孔隙水中离子价位较低的Na+置换土颗粒表面高价位离子Ca2+，会使双电层厚度增加.分散剂把Na+引入到土-膨润土回填料中，置换土颗粒反离子层中的高价阳离子(如Ca2+，Mg2+等)，使黏土颗粒双电层变厚;此外，溶液中形成微溶的钙盐或可溶的钙络合物又可促进离子交换［8］.黏土颗粒带正电荷的边或未被Na+置换的Ca2+点位吸附高价阴离子(如磷酸根离子)，使颗粒表面负电荷密度增大;即使土颗粒的边呈负电荷，高价阴离子置换低价阴离子后也会增加颗粒表面负电荷密度，使土颗粒间斥力增大［8，15］.分散剂可增大土颗粒双电层厚度，增加土颗粒边-面或边-边的斥力，阻止土颗粒相互接触，使土颗粒保持分散结构，因而可降低回填料表观黏度值，起到增强回填料分散性能的效果.

回填料中分散剂掺量越低，膨润土含量越高，则回填料表观黏度值越大.回填料平均表观黏度值及其差值在表2中列出，其中D1表示膨润土含量5%和0%的回填料平均表观黏度值的差值;D2表示膨润土含量10%和5%的回填料平均表观黏度值的差值.由表可知，分散剂掺量从0%增加到0.5%，D1和D2降低一个数量级.分散剂掺量为1.0%时，D1和D2降至其最小值.添加分散剂后，不同膨润土含量回填料的表观黏度值在较大分散剂掺量范围内(0.5% ～2.0%)保持相近.

由图2和表2可见，对3种磷酸盐分散剂，在0.5% ～2.0%分散剂掺量下，土-膨润土表观黏度值均较低，回填料表现出较好的分散性，此时增大膨润土含量，表观黏度值增量较小，可认为增加膨润土含量对回填料分散性影响不大.因此可通过添加分散剂的方法增大隔离墙材料的膨润土负载量，以获得具有更低渗透系数的墙体材料，同时保证回填料拌和的均匀性，防止土颗粒“抱团”.

表2 回填料平均表观黏度值及差值 Pa·s

2.2 不同磷酸盐分散效果比较

图3 分散剂种类对分散剂掺量与表观黏度关系的影响

本文定义表观黏度开始出现平稳趋势时所对应的分散剂掺量为最优掺量.图3(a)对比了3种磷酸盐分散剂在膨润土含量为0%条件下分散剂掺量与回填料表观黏度的变化关系曲线，可看出3种磷酸盐分散剂分散效果相当，最优掺量均为0.05%.六偏磷酸钠、三聚磷酸钠和焦磷酸钠在最优掺量时，回填料表观黏度值仅为不掺分散剂时的3.3%，2.9%，7.3%;在0.05～0.5%掺量范围内，回填料表观黏度保持为较低值;分散剂掺量大于0.5%，表观黏度有回弹趋势.这是由于分散剂和土颗粒间发生离子交换和络合作用使土颗粒间斥力增大，当离子交换达到平衡，表观黏度值最低［10-11］;分散剂掺量继续增大，所提供的电解质离子超过土颗粒的离子交换容量所需值，回填料中未参与离子交换的大量电解质离子使土颗粒双电层厚度减小，回填料分散状态被破坏，回填料重新发生絮凝导致表观黏度增大.

由图3(b)可见，膨润土含量为5%时，六偏磷酸钠最优掺量为0.1%，此时回填料表观黏度值仅为不掺分散剂时的2.0%;三聚磷酸钠和焦磷酸钠最优掺量为0.5%，最优掺量下表观黏度值仅为不掺分散剂时的2.6%，6.7%.三聚磷酸钠掺量大于1.0%时，回填料表观黏度仍有回弹趋势，说明三聚磷酸钠作用下，离子交换较快达到平衡;六偏磷酸钠和焦磷酸钠掺量达最优后，分散剂掺量增加，回填料表观黏度保持平稳.六偏磷酸钠和焦磷酸钠能在较大掺量范围内保持回填料的分散性，分散效果较好，三聚磷酸钠分散效果稍差.

膨润土含量为10%时，3种分散剂最优掺量均为0.5%，如图3(c)所示.六偏磷酸钠、三聚磷酸钠和焦磷酸钠最优掺量下表观黏度值仅为不掺分散剂时的6.3%，5.7%，8.9%，达最优掺量后，表观黏度值在较大分散剂掺量范围内(0.5%～2.0%)保持较低值.焦磷酸钠分散效果较其他2种分散剂稍弱.图4描述了不同膨润土含量下，3种分散剂最优掺量的变化趋势，可由图4预测中间膨润土含量的分散剂最优掺量.回填料膨润土含量越高，分散剂最优掺量呈增大趋势，说明分散剂与膨润土间的离子交换能力和络合作用能力比高岭土大.

综上所述，与三聚磷酸钠和焦磷酸钠相比，六偏磷酸钠能较大程度地降低表观黏度，膨润土含量5%时最优掺量值较低，能在很大掺量范围内使表观黏度保持较低值，且表观黏度回弹小，分散效果好;三聚磷酸钠能较大程度地降低表观黏度，其分散性能稍优于焦磷酸钠.

图4 分散剂最优掺量随膨润土掺量的变化关系

3 结论

1)土-膨润土回填料中掺加磷酸盐分散剂，回填料表观黏度大幅降低，分散剂掺量超过一定值后表观黏度趋于平稳，这表明分散剂能显著增加回填料分散性，使回填料保持分散结构，防止回填料发生絮凝.

2)分散剂掺量达到0.5%后，增加膨润土含量，回填料表观黏度变化不大，回填料分散性不会被显著减弱，可通过添加分散剂的方法提高隔离墙材料的膨润土承载量，同时保持材料分散性，保证土和膨润土拌和均匀性，防止土颗粒“抱团”，从而得到渗透系数更低的隔离墙材料.

3)膨润土含量为0%时，3种分散剂最优掺量相同，均为0.05%;膨润土含量为5%时，六偏磷酸钠最优掺量为0.1%，其余二者均为0.5%;膨润土含量为10%时，3种分散剂最优掺量均为0.5%.

4)六偏磷酸钠能较大程度地降低回填料表观黏度，在较大掺量范围内使回填料表观黏度保持平稳趋势，达到较好的分散结构，且最优掺量值在膨润土含量5%时较小，分散效果优于三聚磷酸钠和焦磷酸钠.

［1］Xie J，Li F S.Overview of the current situation on brownfield remediation and redevelopment in China［R］.Washington DC:The World Bank，2010.

［2］杜延军，金飞，刘松玉，等.重金属工业污染场地固化/稳定处理研究进展［J］.岩土力学，2011，32(1):116-124.

Du Yanjun，Jin Fei，Liu Songyu，et al.Review of stabilization/solidification technique forremediation of heavy metals contaminated lands［J］.Rock and SoilMechanics，2011，32(1):116-124.(in Chinese)

［3］Hong C S，Shackelford C D，Malusis M A.Consolidation and hydraulic conductivity of zeolite-amended soilbentonite backfills［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2012，138(1):15-25.

［4］United States Environmental Protection Agency.Evaluation of subsurface engineered barriers at waste sites EPA 542-R-98-005［R］.Washington DC:US EPA，1998.

［5］Malusis M A，Yeom S，Evans J C.Hydraulic conductivity of model soil-bentonite backfills subjected to wetdry cycling ［J］.Canadian Geotechnical Journal，2011，48(8):1198-1211.

［6］Katsumi T，Kamon M，Inui T，et al.Hydraulic barrier performance of SBM cut-off wall constructed by the trench cutting and re-mixing deep wall method［C］//ASCE GeoCongress.New Orleans，LA，USA，2008:628-635.

［7］Jo H Y，Benson C H，Shackelford C D，et al.Longterm hydraulic conductivity of a geosynthetic clay liner permeated with inorganic salt solutions［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131(4):405-417.

［8］Lagaly G.Principles of flow of kaolin and bentonite dispersions［J］.Applied Clay Science，1989，4(2):105-123.

［9］Yoon J S，El Mohtar C S.Time dependent rheological behavior of modified bentonite suspensions［C］//ASCE GeoCongress.Oakland，CA，USA，2012:1195-1204.

［10］Papo A，Piani L，Ricceri R.Sodium tripolyphosphate and polyphosphate as dispersing agents for kaolin suspensions:rheological characterization［J］.Colloids and Surfaces A:Phusicochemical and Engineering Aspects，2002，201(1):219-230.

［11］Andreola F，Castellini E，Manfredini T，et al.The role of sodium hexametaphosphate in the dissolution process of kaolinite and kaolin［J］.Journal of the European Ceramic Society，2004，24(7):2113-2124.

［12］American Petroleum Institute.API 13A specification for drilling fluids materials［S］.Washington DC:API，2010.

［13］American Society for Testing and Materials.ASTM C143/C143M-12 standard test method for slump of hydraulic-cement concrete［S］.West Conshohocken，PA，USA:ASTM，2012.

［14］Sridharan A，Rao S M，Murthy N S.Discussion:compressibility behavior of homoionized bentonites［J］.Geotechnique，1987，37(4):533-535.

［15］Ma M.The dispersive effect of sodium hexametaphosphate on kaolinite in saline water［J］.Clays and Clay Minerals，2012，60(4):405-410.

Experimental study on viscosity of soil-bentonite vertical cut-off wall backfills amended with dispersant

Yang Yuling Du Yanjun Fan Ridong Chen Zuobo
(Institute of Geotechnical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:Three types of phosphate dispersants，including sodium hexametaphosphate，sodium tripolyphosphate and sodium pyrophosphate，are added to the soil-bentonite backfill in vertical cutoff wall in order to improve dispersed structure of the backfill and enhance its performance of mitigating contaminants.The apparent viscosity of the backfill amended with dispersant is measured and the relationship between the dispersant content and the apparent viscosity of the backfill is studied.The test results show that the apparent viscosity reduces significantly when the backfill is amended with three types of dispersants.The apparent viscosity decreases sharply when the dispersant content is increased from 0%to 0.1%，while further increase makes the apparent intensity maintain stable or show a slight rebound.Due to the negligible effect of bentonite content on the disperse property of the backfill amended with dispersant，the bentonite loading of the backfill can be increased by the addition of dispersant.The dispersive capacity of sodium hexametaphosphate is slightly better than those of the others.The optimum contents of the dispersant are 0.05%，0.1%to 0.5%，and 0.5%corresponding to the backfills with bentonite contents of 0%，5%，and 10%.The phosphate dispersant has a potential to be used in engineering applications to improve the dispersity of cutoff wall backfills and enhance the performance of the wall to retard contaminant migration.

Key words:cutoff wall;soil-bentonite;dispersant;apparent viscosity;optimum content

中图分类号:X820.6

A

1001－0505(2014)03-0650-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.035

收稿日期:2013-10-06.

杨玉玲(1986—)，女，博士生;杜延军(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，duyanjun@seu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278100)、江苏省自然科学杰出青年基金资助项目(BK2012022).

杨玉玲，杜延军，范日东，等.分散剂改良土-膨润土竖向隔离墙材料黏度试验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2014，44(3):650-654.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.03.035］