垃圾填埋场改性粘土防渗层防开裂性能研究

2019-01-24孙雪景王占华

吉林建筑大学学报 2018年6期

孙雪景王占华

(吉林建筑大学市政与环境工程学院,长春 130118)

0 引言

城市生活中的垃圾填埋问题，是目前世界各国面临的的环保问题研究的热点之一[1-2].目前，处理城市垃圾的主要手段虽仍是填埋的方式,但其仍有一定的不足,主要表现在其受到雨水、地表水和地下水等外部因素的影响,造成其产生的渗滤液具有较大的毒性直接影响到环境污染[3-4].本文主要研究了垃圾防渗层防开裂性能的问题,并通过理论分析和实验研究探讨了在垃圾填埋过程中，加入粉煤灰对于提高天然粘土防渗层防开裂的效果.

1 填埋场改性填料的选择及技术路线

根据改性天然粘土的目的,添加材料一方面其粒径需极小,能够填充在天然粘土中孔隙中,减小其空隙比,从而在一定程度上减小其渗透系数;另一方面,希望添加的材料在于粘土的接触面上能够反应生成一些难溶解、渗透性较低的稳定密封物质来进一步降低天然粘土的渗透系数[5].因此,实验中改性填料选择的依据主要有以下4点:

(1) 选择的改性填料可与天然粘土或垃圾渗滤液中的污染物质进行反应,产生一定的低溶解度,低渗透性且比较稳定(最主要的不要受渗滤液中污染物质的影响)的固封物质[6].

(2) 填料不能减弱原防渗层材料的强度,吸附截污性能等一些对防止渗滤液的泄露起重要作用的性状.

(3) 填料不应该有污染物质的释放,从而加剧防渗层防渗负荷[7-8].

(4) 填料在经济上应该价格低廉,来源上数量大且易得.

本文所做的实验通过结合不同粉煤灰含量配比的改性粘土的开裂情况,获得一个最佳粉煤灰添加量的比较理想的防渗层材料，其技术路线图如图1所示.

图1 技术路线Fig.1 Technology route

2 粘土衬里破坏机理分析

目前，理论上对于垃圾填埋场中破坏天然粘土衬里主要存在3种表现形式,即开裂、开孔和解体.它们破坏导致的直接后果都是使粘土的渗透系数在短时间内迅速增大,防渗层的防渗性能不能达到国家对防渗层的环境标准和要求[9-10],由此使得渗滤液中的污染物泄露,从而进入周围土壤及地下水环境中产生环境污染.

2.1 开裂

粘土开裂一般是在体积变化或者应力作用下,在变形不协调的地方产生.目前，认为有7种作用会导致这一现象，即物理化学作用、干湿膨胀作用、差异沉降作用、卸荷作用、构造作用、斜坡活动作用及差异压密作用.尤其以前3种作用影响更为显著.物理化学作用指吸附在粘土颗粒上的水与其它相关溶剂发生作用时,矿物结构中层与层之间产生的变化情况.如果是其属性相关的小极性的溶剂,则它们与颗粒物之间产生相互作用力非常小,其吸附的也会很少.干湿膨胀作用是因为粘土会含水率的多少而产生膨胀收缩等作用,其作用的大小与粘土中强亲水物质的多少有着密切关系,强亲水物质的量越多,干湿缩胀作用就越明显,而当环境发生变化,接触面接触的水分减少或者由于挥发作用使水分散失而形成一个相对干燥的环境时,粘土又会收缩,在这一胀一缩的过程中,粘土的体积会发生较大变化,很容易产生裂缝[11-12].差异沉降作用指在垃圾填埋场中压实防渗层的基本土层时,压实不均匀,或者即使压实的相对比较均匀,但是土层上方的城市生活垃圾分布导致的荷载不均匀而使土层在下降过程中下降量不一样,有大有小,当发生这种不均匀沉降或者较大的沉降量时,容易使粘土衬里形成拉张裂缝或者剪切裂缝.

2.2 开孔

开孔是指在粘土衬里中产生平面上近似圆形的集中透水管道的现象.它是一种柔性渐变式的破坏,属于机械穿透，主要分为管涌和穿透两种情况.管涌是因为粘土中的一部分小颗粒物质有可能与渗滤液中的某些物质发生化学腐蚀而溶解或者因为机械侵蚀被冲刷带走到土层中大孔隙中去,当发生这些以后,渗滤液体在防渗层的渗透速度会增大,从而有足够的能量搬运更大粒径的颗粒.在粘土底端出口渗透处易形成孔洞,所产生的孔洞会进一步缩短渗透路径,同时水力梯度增大,从而形成集中水流的管道.它主要取决于粘土颗粒的级配和渗滤液的迁移情况[13-14].穿透主要是指因为填埋场在机械作业,或者是一些穴居动物,植物根系的穿透导致的粘土被破坏的情况.

2.3 解体

解体指的是粘土颗粒之间的紧密结构被破坏而导致的土壤孔洞增大、密度减小、渗透系数迅猛增大的现象,它是防渗层整体的破坏与恶化,一旦发生,其危害相比开裂和开孔大得多.一般认为，边坡失稳和冻融循环是导致粘土防渗层解体的主导形式[15-16].前者是因为填埋场所建位置的地质条件决定的，而后者主要是因为周围环境温度的变化导致水冻结和融化过程的反复进行使土样发生膨胀和收缩,由体积变化导致土体结构的变化.

3 防开裂实验过程

(1) 实验目的. 天然粘土具有以开裂的特性,主要是由于其具有很强的吸水能力从而产生了高膨胀性能，使其在干燥的环境中更容易产生开裂问题,从而使防渗层的渗透系数迅速变大.这样就会降低防渗层的防渗隔离的效果,使得污染物容易溢出,从而污染周边场地环境.因此,防渗层的开裂问题是设计防渗层必须要考虑的问题之一,也是本文研究最主要的目的.

(2) 实验设备与实验方法. 实验设备有轻型击实仪、有机玻璃柱6个、其它实验室常见仪器.实验方法如下:分别取不同配比的改性粘土(比例分别为10%,15%,20%,25%,30%),重量在2kg,并且根据其他实验的数据结果,让改性粘土的最佳含水率处于最佳状态,进行养护24h,然后置于有机玻璃柱中分层击实,在静水压头的作用下浸泡3d,让试样含水达到最大可能的饱和,将其取出置于实验室条件下晾置20d,观察各试样开裂情况,记录实验现象.

4 防开裂实验结果与讨论

本实验通过对改性粘土养护、击实、饱水、晒晾等过程研究粉煤灰对压缩粘土干燥后开裂情况的影响(见表1),评价指标主要考虑裂缝数量,裂缝长度和宽度等3个方面.

表1 不同配比粉煤灰改性粘土的开裂情况Table 1 Cracking of different proportions of fly ash modified clay

实验结果显示,粉煤灰在很大程度上降低了改性粘土表面干燥开裂情况,天然粘土表面出现了长达121mm的裂缝,数量上与改性粘土相比也是最多的,达到9条.经过改性的粘土之间开裂情况虽然变化规律不是很明显,但是其与天然粘土比较具有相当大的优势,裂缝条数都减少了,在20%这个配比上只有2条,裂缝长度也从天然粘土的121mm迅速10%改性粘土的15mm,随着粉煤灰量得加入逐渐平稳在20mm左右.

图2 改性粘土裂缝长度变化情况Fig.2 Change in crack length of modified clay

在裂缝宽度这一角度来看,10%,15%改性粘土的开裂情况相比天然粘土而言略有上升趋势(从1.2mm分别上升到1.5mm和1.9mm),这在防渗层中是不利的,但是在综合考虑裂缝条数以及长度后,经改性后粘土在防渗层干燥开裂方面相比天然粘土有较大改善,特别是20%这一配比的改性粘土,其宽度降低到0.2mm,并且在裂缝条数以及长度上都有比天然粘土更好的性能,可以充分起到挥防渗层的隔离、阻滞污染物污染环境的作用.

另外,从改性粘土试样的周长也可以判断粘土内部的体积变化情况,从而判断各试样的开裂情况,因为所有试样在晾置之前都是从一直径大小的有机玻璃柱中取出,其周长应该相等,而从实验结果来看,各个试样之间存在差别,这是由于各个试样的体积变化大小不一导致的,周长越大,体积膨胀得越大,亦即体积的变化越大,间接反映了开裂情况的好坏.实验中粘土的最大,为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长都要比天然粘土的周长小,表1中的数据可以说明,加入粉煤灰改性后确实有效地改善了原有的天然粘土的开裂性能.

天然粘土一般是因为体积收缩张力导致开裂严重,而这与饱和土壤中的水土体积比有直接联系,而土中含有的粘土以及高塑性物质越多,就更容易有更大体积的水,从而倾向于产生更大的体积收缩张力.粉煤灰的加入使天然粘土的可塑性降低(这与土壤类型、离子交换能力、在试样中的相对含量,以及粘土中低塑性物质的含量有关),它会降低粘土的饱水能力以及体积收缩张力.因此,经改性后的粘土能够有效地改善防渗层的开裂情况.另外,粘土中一般含水比较大的钙含量,它能够产生Ca2+和OH-,能生成硅酸钙水合凝胶体,这种化学修饰能使经改性后的粘土更具有硬而易碎性能,从而进一步降低粘土体积收缩张力.