垃圾填埋场改性膨润土浆材力学性能研究

2020-02-25章泽南代国忠史贵才李雄威李书进

硅酸盐通报 2020年1期

章泽南，代国忠，史贵才，李雄威，李书进

(1.常州大学环境与安全工程学院，常州 213164；2.常州工学院土木建筑工程学院，常州 213032)

0 引言

近年来，国内城市化水平高速发展，城市人口数量日益膨胀，城市居民对生活质量的要求也不断提高，随之而来的是城市生活垃圾年堆积量剧增[1]，部分地区已出现“垃圾围城”的现象，如不妥善处理将对周围的环境产生极强的污染。对于城市生活垃圾，我国广泛使用的处理方法是垃圾卫生填埋[2]，目前70%以上的城市生活垃圾仍以卫生填埋为主要处理方式[3]。该项技术是处理城市生活垃圾长久有效兼具经济的方法，并且具有一定的资源潜力[4]。但随着经济发展，城市生活垃圾种类越来越繁杂，污染性越来越强，越来越难处理[5]，传统的垃圾填埋场防渗墙已难以满足如今的要求。鉴此，选择在传统的膨润土-粉煤灰-水泥(BFC)防渗浆材的基础上采用羧甲基纤维素钠为改性剂对膨润土进行有机化处理，从而形成一种复合材料，使得膨润土原有的膨胀性和低渗透性得以加强，能够更好地满足如今垃圾填埋场对防渗墙的要求。如果垃圾填埋场防渗墙刚度过大，则容许变形小，难以适应周围填土的变形[6]，加之其本身受力状态复杂[7]，容易产生开裂，将会极大影响垃圾填埋场使用寿命[8]。而经羧甲基纤维素钠改性的膨润土-粉煤灰-水泥防渗浆材弹性模量适中，刚度与周围的填土相近，具有良好的柔韧性，能够与填土协同变形，不易开裂。

浆材各组分比例对浆材固结体的力学性能具有重要影响，本文通过正交实验探究各组分掺量的最佳范围，再经因素影响分析影响单一组分对浆材固结体的影响，最后在扫描电镜实验下，分析各组分影响浆材固结体凝结强度的微观机理。

1 实验

1.1 原料及仪器

防渗浆材的主要原料为膨润土、水泥、粉煤灰，改性剂为羧甲基纤维素钠，采用碳酸钠、聚羧酸减水剂为添加剂。膨润土选用南京某地的钙基膨润土，水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。碳酸钠与羧甲基纤维素钠均为分析纯级。减水剂为为安徽某公司生产的TOJ800-10A 型，粉煤灰为南京某公司生产的Ⅰ级灰。实验使用电子万能压力机对浆材固结体的无侧限抗压强度进行测试，试验加载的速率控制在0.5 mm/min。实验装置见图1。

图1 电子万能压力机
Fig.1 Electronic universal press

图2 防渗浆材试样
Fig.2 Slurry test sample

1.2 试样制备及实验方法

1.2.1 试样制备

制备试样时，首先对膨润土进行钠化处理。称量一定量的膨润土倒入烧杯中，再配置一定浓度的碳酸钠溶液，倒入膨润土中并搅拌均匀；接着将配置好的羧甲基纤维素钠溶液倒入已钠化的膨润土中，静止8 h以上进行改性；待改性完成后，称取一定量的水泥与粉煤灰掺入改性后的膨润土中，最后加入配置好的减水剂溶液与一定量的水并进行充分搅拌，使各组分分布均匀。在此过程中需注意水的用量，使搅拌均匀的浆材可泵期达40 min以上。将搅拌均匀的浆材倒入72 mm×72 mm×72 mm的模具中形成浆材强度试样，如图2所示。待浆材凝结且具有一定强度后脱模，将浆材强度试样置于水泥养护箱中养护，养护温度为20 ℃，湿度为90%，养护至14 d、28 d待用。

1.2.2 正交实验方法

不同配比的浆材，其强度存在很大的差异，为了研究每个组分对浆材实验的影响，需进行大规模的实验，不仅难以操作而且因实验条件会产生很大的误差。因而结合前期已取得的实验成果，决定采用正交实验方法，不仅大量减少了实验次数，而且能够满足实验要求。根据前期浆材室内实验，决定对浆材性能影响较大的组分进行正交实验：水泥的掺量取190～220 g/L，膨润土掺量取190～220 g/L，羧甲基纤维素钠掺量取0.5～2.0 g/L，碳酸钠掺量取1.0～2.5 g/L，其余组分对实验影响较小，取固定值：粉煤灰掺量为160 g/L，减水剂掺量为3 g/L，采用L16(44)四因素四水平正交实验法优选浆材配比组合。制定的正交实验如表1所示。

对正交实验数据进行极差分析，寻求各组分的优水平并对影响浆材固结体凝结强度的各组分进行主次排序。浆材固结体14 d、28 d无侧限抗压强度极差分析如表2、表3所示。

表1 正交实验方案Table 1 Orthogonal experimental scheme

表2 试样14 d强度极差分析Table 2 Range analysis of 14 d strength of samples

表3 试样28 d强度极差分析Table 3 Range analysis of 28 d strength of samples

根据极差分析表绘制的各组分在不同时期对试样强度的影响走势曲线见图3。

由表2、表3及图3可知浆材固结体的强度在前期随膨润土掺量的增加而增加，但在后期膨润土掺量增加却会影响浆材固结体的凝结强度，为了获取较佳的浆材前期强度，膨润土掺量选择为200～210 g/L。浆材各组分的掺量控制在以下范围内：水泥210～220 g/L，膨润土200～210 g/L，碳酸钠1.5～2.5 g/L，羧甲基纤维素钠1.5～2.0 g/L，浆材具有较适宜的强度。

图3 各组分对试样强度的影响曲线
Fig.3 Influence curves of different components on strength of samples

浆材的无侧限抗压强度在14 d龄期时平均值为0.364 MPa，到达28 d龄期时平均值为0.582 MPa。由表3及图3可以看出，浆材的无侧限抗压强度在14 d龄期内主要受膨润土掺量的影响，而到达28 d龄期后，水泥成为影响浆材无侧限抗压强度的主要因素。在14 d龄期内浆材的无侧限抗压强度随着各因素掺量的增加而增大，此时膨润土掺量为影响浆材无侧限抗压强度的主要因素；而到达28 d龄期时，浆材的无侧限抗压强度随膨润土掺量的增加而减小，水泥掺量成为影响其强度的主要因素。碳酸钠和羧甲基纤维素钠作为膨润土的改性剂通过对膨润土进行改性影响膨润土的膨胀性，从而影响试样的整体无侧限抗压强度，具有不可忽视的作用。由于正交试验没有考虑其各因素之间的耦合作用，因此要进行因素影响分析进一步分析各因素与浆材强度之间的关系。

1.2.3 因素影响分析方法

首先分析水泥和膨润土掺量对试样无侧限抗压强度的影响。根据正交实验结果，以210 g/L水泥，200 g/L 膨润土，1.5 g/L碳酸钠，1.5 g/L羧甲基纤维素钠，除水外其他材料掺量不变为基准配比，控制水泥掺量为190～230 g/L，膨润土掺量为180～220 g/L，分别测试不同水泥和膨润土掺量下试样的无侧限抗压强度，具体比例见表4。

根据表4绘制的不同掺量水泥对试样无侧限抗压强度影响曲线见图4，不同掺量膨润土对试样无侧限抗压强度影响曲线见图5。

由表4与图4、图5可知，影响试样无侧限抗压强度的主要因素为水泥，水泥掺量从190 g/L增加至230 g/L，试样60 d的无侧限抗压强度从0.625 MPa增加到了0.915 MPa，增加了0.29 MPa。膨润土掺量从180 g/L增加至220 g/L，试样的14 d无侧限抗压强度呈增加趋势，但只增长了0.088 MPa，增长幅度较小，试样的60 d无侧限抗压强度曲线呈现先小幅增长后降低的趋势，曲线走势基本与正交实验相符合。

表4 不同掺量水泥和膨润土对试样无侧限抗压强度的影响Table 4 Effects of cement and bentonite content on unconfined compressive strength of samples

图4 不同掺量水泥对试样强度的影响曲线
Fig.4 Influence curves of different cement content on strength of samples

图5 不同掺量膨润土对试样强度的影响曲线
Fig.5 Influence curves of different bentonite content on strength of samples

接下来分析碳酸钠和CMC-Na掺量对试样无侧限抗压强度的影响。碳酸钠作膨润土的钠化剂，羧甲基纤维素钠为膨润土的改性剂，均通过对膨润土进行作用，改变膨润土的吸水性和膨胀系数从而对试样的无侧限抗压强度产生影响。根据正交实验结果，以210 g/L水泥，200 g/L膨润土，1.5 g/L碳酸钠，1.5 g/L羧甲基纤维素钠，除水外其他材料掺量不变为基准配比，控制碳酸钠掺量为1～3 g/L，羧甲基纤维素钠掺量为0.5～2.5 g/L，分别测试不同碳酸钠和羧甲基纤维素钠掺量下试样的无侧限抗压强度，具体比例见表5。

表5 不同掺量碳酸钠和羧甲基纤维素钠对试样无侧限抗压强度的影响Table 5 Effects of sodium carbonate and CMC-Na content on unconfined compressive strength of samples

根据表5绘制的不同掺量碳酸钠对试样无侧限抗压强度影响曲线见图6，不同掺量羧甲基纤维素钠对试样无侧限抗压强度影响曲线见图7。

由表5和图6、图7可知，养护至60 d时，碳酸钠的掺量由由1 g/L增加至2 g/L，试样的无侧限抗压强度提高了0.019 MPa，而从2 g/L增加至3 g/L，试样无侧限抗压强度只提升0.003 MPa，强度几乎没有改变，14 d、28 d曲线规律与之类似。试样的无侧限抗压强度随CMC-Na的增加而逐渐增加，但增长幅度较小。

图6 不同掺量碳酸钠对试样强度的影响曲线
Fig.6 Influence curves of different sodium carbonate content on strength of samples

图7 不同掺量CMC-Na对试样强度的影响曲线
Fig.7 Influence curves of different CMC-Na content on strength of samples

2 结果与讨论

徐超等[9]对水泥—膨润土泥浆固结体的微观结构进行了研究，认为在泥浆固结体中水泥承担着骨架的作用，此结果与本次正交实验及单因素得到的结论相符，即水泥掺量为影响浆材固结体无侧限抗压强度的主要因素。随着水泥掺量的增加，水化产物数量增加，构成的空间骨架结构愈加密实牢固[10]，固结体的无侧限抗压强度随之增加。

膨润土的晶体结构单元是由两层SiO4四面体和中间的一层AlO2(OH)4八面体组成[11]，且层间联系较弱，水容易进入其中，使其体积膨胀。膨润土对水泥构成的骨架具有填充的作用，且膨润土遇水后会吸水膨胀，使固结体的大孔隙减少，增加了水泥骨架的密实度，使其更加紧密均匀[12]。但过量的膨润土会影响水泥骨架的形成，造成过量填充，使水泥骨架结构联结力降低，造成整体强度降低，这就也就是膨润土掺量对固结体无侧限强度的影响呈现先增长后降低的趋势的原因。

为进一步探究固结体强度形成的原理，取两组样品养护60 d进行烘干、破碎、取样，采用扫描电镜实验得SEM照片，见图8。固结体形成强度的过程，主要是水泥在活性物介质—膨润土的围绕下进行的，水泥与水接触，发生水化反应，其熟料矿物的硅酸三钙、硅酸二钙水化生成不溶于水的水化硅酸钙，形成凝胶体[13]，

图8 试样的SEM照片
Fig.8 SEM images of sample

逐渐构成强度很高的空间网状结构；而铝酸三钙、铁铝酸四钙水化生成的水化铝酸钙与石膏反应，形成钙矾石填充空间网络结构[14]。而粉煤灰中的硅铝玻璃球上部分Si-O、Al-O键也会与极性较强的OH-、Ca2+及剩余石膏反应，水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石，对结构进行增强。粉煤灰也具有微骨料填充效应，能够产生致密势能[15]，减少固结体的孔隙比例，能够有效地提高固结体的密实性，对固结体整体的强度具有显著作用。