干湿/冻融循环作用下改良隔离墙的渗透性及孔隙结构

2022-06-28张永鹏

建筑材料学报 2022年5期

刘科，刘霖，2，*，张永鹏

（1.内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学内蒙古土木工程结构与力学重点实验室，内蒙古呼和浩特 010051）

随着煤化工企业的发展，产生了大量的煤化工废水或淤泥质废物，它们的堆积存放需隔离处理，否则会造成周围土体及水源污染.土-膨润土隔离墙常被用来阻隔污染物的运移，如何提高隔离墙对污染物的阻隔性能得到广泛关注.杜延军等［1］通过固结试验得到膨润土掺量是影响土-膨润土试样渗透性的主要因素；Yeo 等［2］研究发现5%掺量的膨润土可使砂-膨润土渗透系数降低近3 个数量级；Malusis 等［3］研究了添加活性炭改性剂后砂土-膨润土的渗透性；Angin 等［4］研究发现硅藻土可降低土壤的渗透系数，提高冻融作用下土壤团聚体的稳定性；Malusis 等［5］分析了砂土-膨润土在干湿过程中渗透系数的变化情况；杜渊博等［6］研究发现在水泥石材料中掺入偏高岭土，偏高岭土发生水化反应后生成的水化产物增多，从而使水泥石材料的孔隙率降低，微观结构更致密.

凹凸棒土具有较好的阳离子交换性、吸水性，且比表面积大，黏结性好.以凹凸棒土为改良隔离墙材料，通过渗透试验及核磁共振试验研究改良后隔离墙渗透系数λ的变化，分析隔离墙孔隙结构，讨论掺加凹凸棒土对干湿/冻融循环作用下隔离墙防渗效果的影响，以期为有机污染场地的隔离、封闭提供理论依据与参数支持.

1 试验

1.1 原材料

隔离墙材料为风积沙土和膨润土.风积沙土取自库布齐沙漠，其级配较差，粉黏粒含量少，无黏结性；膨润土为钙基膨润土，其吸附性及膨胀性良好，与水、细沙拌和后有较好的可塑性和黏结性，其中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 含量（质量分数，文中涉及的含量、配合比等均为质量分数或质量比）分别为69.36%、15.53%、2.82%、1.89%.用有独特晶体结构且性能较好的凹凸棒土作为改良隔离墙材料，其中的SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3含量分别为60.12%、8.51%、8.45%、4.65%.经处理后的煤化工废水或淤泥质废物中含有包括酚类、多环芳香族化合物等在内的多种污染物，用苯酚溶液代替这些污染物作为渗透液，其质量浓度ρ=0、0.5、1.0、2.0、4.0 g/L.

1.2 试验设计

美国环境保护署EPA 规定污染场地隔离材料中水化膨润土马氏漏斗黏度应在36 s 以上，坍落度在100～150 mm 较为合适，因此选用配合比m（膨润土）∶m（水）∶m（风积沙）=1∶3∶9.凹凸棒土的掺量wa以风积沙与膨润土的总质量计，设定wa=0%、3%、5%、8%、10%，对应的隔离墙分别记为IW0、IW3、IW5、IW8、IW10.干湿循环制度为：将试样放入（45±3）℃的烘箱中12 h，取出后在试样上下面覆盖透水石后，将其浸入水中，吸水3 h，此为1 个干湿循环.冻融循环制度为：将试样放入-20 ℃的工业冰箱中，12 h 后取出放入标准养护室中养护4 h，此为1 个冻融循环.设定干湿/冻融循环次数n=0、1、2、3.

1.3 渗透试验及核磁共振试验

用TST‑55 型土壤渗透仪进行渗透试验，采用变水头试验方法，对试样进行饱水后，在不同渗透时间t测试隔离墙的渗透系数，其测试间隔为每隔20 min 测量1 次.用MesoMR23‑060H‑1 低温高压岩土核磁共振分析与成像系统进行核磁共振试验，将养护好的试样取出饱水24 h，用塑料膜包紧放入核磁共振仪中进行试验.

2 结果与分析

2.1 隔离墙渗透系数

2.1.1 凹凸棒土对隔离墙渗透系数的影响

凹凸棒土对隔离墙渗透系数的影响见图1.由图1 可见：无凹凸棒土掺入时，不同苯酚质量浓度下隔离墙的渗透系数无明显变化规律，这是因为膨润土颗粒可快速填充于土粒间，减小土样的孔隙体积，但其扩散速率会受到各种因素的影响，例如环境因素、试验操作方法等；随着凹凸棒土掺量的增大，隔离墙渗透系数变化曲线由分散变为聚拢且逐渐降低，这是因为凹凸棒土的黏结性与吸附性较好，可以使隔离墙内部变得更加均匀和密实；隔离墙的渗透系数不随苯酚质量浓度的变化而变化，这是因为膨润土对苯酚的吸附并不改变墙体内部孔隙特点、凝胶体系的外边缘特征及孔隙的联通特性［7］；随着凹凸棒土掺量的增大，隔离墙的渗透系数逐渐减小，当wa=3%时，隔离墙渗透系数降低近50%，继续增大凹凸棒土的掺量，其渗透系数的变化幅度逐渐减小.凹凸棒土有较大的比表面积以及较好的吸附性、黏结性，可以吸附隔离墙土体内部游离的小土颗粒，使其聚集成大颗粒，降低孔隙率，从而使隔离墙渗透系数降低.凹凸棒土掺量较低时，其颗粒均匀分散于土体内部，可以很好地吸附并聚集土颗粒，改变其内部渗流路径，隔离墙渗透系数降低幅度较大，而随着其掺量的增大，隔离墙土体内部无游离的土颗粒，只能由凹凸棒土颗粒填充孔隙，导致其渗透系数变化减小.

图1 凹凸棒土对隔离墙渗透系数的影响Fig.1 Influence of attapulgite on permeability coefficient of isolation walls

2.1.2 干湿循环对隔离墙渗透系数的影响

t=20 min 时，干湿循环作用下隔离墙渗透系数的变化曲线见图2.由图2 可见：随着干湿循环次数的增加，隔离墙渗透系数增大，其增大幅度约为1个数量级；随着凹凸棒土掺量的增大，隔离墙渗透系数逐渐减小.土-膨润土隔离墙在干燥脱湿过程中，膨润土层状结构中水分流失，间距减小，膨润土颗粒从膨胀变为收缩，在增湿过程中，收缩的膨润土颗粒吸水缓慢回弹［8］，但不会恢复到原始状态那样密实均匀.隔离墙内部膨润土颗粒产生干缩和湿涨变形，形成微裂隙，破坏了土颗粒间的胶结作用，增大了孔隙.随着干湿循环次数的增加，微裂隙不断扩展，造成固化体孔隙逐渐增大［9］，表现为隔离墙渗透系数增大，该结果与文献［10］基本一致.但本文隔离墙的渗透系数较大，可能是膨润土种类、掺量不同或试验过程存在的误差所致.凹凸棒土因独特的晶体结构，具有胶体性质以及好的吸附性、黏结力，可以填充于土体孔隙结构中，使土体更密实，增强土体稳定性及吸附能力，故随其掺量增大，隔离墙渗透系数降低.

图2 干湿循环作用下隔离墙渗透系数的变化曲线Fig.2 Variation curves of permeability coefficient of isolation walls under dry‑wet cycles（t=20 min）

干湿循环作用下渗透时间对隔离墙渗透系数的影响见表1.由表1 可见，在干湿循环过程中，随着渗透时间的增加，隔离墙的渗透系数逐渐减小但变化不大（除个别数据外），这是因为随着渗透时间的增加，膨润土水化、膨胀过程逐渐完成并填充于土颗粒间，使隔离墙密实均匀，一定程度上减弱了干湿循环产生的破坏作用，故隔离墙的渗透系数略有减小.

表1 干湿、冻融循环作用下渗透时间对隔离墙渗透系数的影响Table 1 Influence of time on permeability coefficient of isolation walls under the action of dry-wet and freeze-thaw cycles×106/（cm·s-1）

2.1.3 冻融循环对隔离墙渗透系数的影响

冻融循环作用下隔离墙渗透系数的变化曲线见图3.由图3 可见：随着冻融循环次数的增加，隔离墙渗透系数逐渐增大，其增大幅度为2 个数量级；随着凹凸棒土掺量的增大，隔离墙渗透系数逐渐减小，且冻融循环次数越多，其降低幅度越大；冻融循环1 次时，凹凸棒掺量从0%增加到8%时，隔离墙的渗透系数趋于稳定；不同循环次数下，IW10 的渗透系数均最小.冻融循环作用下渗透时间对隔离墙渗透系数的影响也列于表1.由表1 可见：隔离墙渗透系数随着渗透时间的增加而降低，且降低幅度为1 个数量级；对比干湿循环作用下渗透系数的变化，冻融循环作用对隔离墙渗透系数的影响及损害更大.

图3 冻融循环作用下隔离墙渗透系数的变化曲线Fig.3 Variation curves of permeability coefficient of isolation wall under freeze‑thaw cycles

由于膨润土中蒙脱石含量较高，晶粒较小，比表面积较大，且层间作用力较弱，在溶剂中易剥离、膨胀、分离而形成更薄的单晶片，使蒙脱石具有更大的内表面积，因此膨润土具有较高的吸附能力［11］.未掺加凹凸棒土时，随时间增加膨润土水化生成的胶凝物质填充了土体孔隙，降低了隔离墙的孔隙率，阻碍了污染物的通过，故其渗透系数逐渐减小.掺入凹凸棒土可以进一步填充隔离墙孔隙，使其具有更好的吸附性、阳离子交换性，从而阻碍苯酚在隔离墙中的迁移，降低其渗透系数，起到对污染物的隔离效果.冻融循环过程中产生的冻胀力对隔离墙内部结构会产生破坏作用，形成较多孔隙，损伤隔离墙的稳定性，故随着冻融循环次数的增加，隔离墙因冻胀温缩产生的破坏愈加严重，渗透系数也逐渐增大.凹凸棒土因特殊的层链状结构具有较强的吸水性，可吸附墙体内部游离的水分子，降低因水分冻胀而使隔离墙产生的破坏作用，且凹凸棒土具有一定的黏结力，可增强土颗粒间的黏聚力，随着其掺量的增加，这种作用亦在增强，可有效抑制冻融循环对隔离墙的破坏.

2.2 隔离墙孔隙分布

2.2.1 凹凸棒土掺量对隔离墙孔隙分布的影响

凹凸棒土掺量对隔离墙孔隙分布的影响见图4，图中d为孔隙半径.由图4 可见：随着凹凸棒土掺量的增加，隔离墙孔隙分布曲线整体向左偏移，孔隙半径减小，这说明凹凸棒土颗粒可以填充隔离墙内部孔隙，减小其孔隙半径，使隔离墙更加致密均匀.

图4 凹凸棒土掺量对隔离墙孔隙分布的影响Fig.4 Effects of wa on the pore size distribution of isolation walls

2.2.2 干湿循环作用下隔离墙孔隙分布

干湿循环作用下隔离墙孔隙分布见图5.由图5可见，隔离墙孔隙变化曲线出现了3 个峰：第1 个峰的孔隙半径为0.010～0.100 μm，峰区面积最大；第2个峰的孔隙半径为0.100～5.000 μm，峰区面积次之；第3 个峰的孔隙半径为5.000～50.000 μm，峰区面积最小.有研究表明，孔隙分布曲线中3 个峰分别对应试样中的小孔、中孔及大孔，峰区面积反映的是相应的孔隙体积［12］.干湿循环作用后，第1 个峰的峰区面积明显减小，第2 个峰的峰区面积增大，其原因是干湿循环作用下产生的胀缩效应会破坏隔离墙的内部结构，增大其孔隙率，使部分小孔隙演变为中孔隙.随着循环次数的增加，第1 个峰的峰区面积继续减小，第2 个峰的峰区面积继续增大，即隔离墙土体内部小孔数量减少，中孔数量增多，说明干湿循环作用削弱了隔离墙土颗粒间的胶结作用，破坏了隔离墙的结构完整性，使其内部形成微裂隙，增大了较大孔隙的分布.随着凹凸棒土掺量的增大，第1 个峰的峰区面积逐渐增大，第2 个峰的峰区面积逐渐减小，第3 个峰的峰区面积有减小趋势但变化不大，这说明凹凸棒土的掺入使隔离墙内部中孔隙减少，小孔隙增加，原因是凹凸棒土吸水性强，可减弱隔离墙因胀缩效应所产生的破坏，且凹凸棒土有黏性和可塑性，可吸附土颗粒，减小孔隙，改变土体内部渗流通道，干燥后收缩小，对干湿循环产生的破坏有所抑制.

图5 干湿循环作用下隔离墙孔隙分布Fig.5 Pore size distribution of isolation wall under dry‑wet cycles

2.2.3 冻融循环作用下隔离墙孔隙分布

冻融循环作用下隔离墙孔隙分布见图6.由图6可见：首次冻融过程中，有2个明显的主峰区；冻融循环2次时，2 个主峰区孔隙半径分布均减小；冻融循环3 次时，第1个峰峰值降低，第2个峰峰值升高.这可能是因为冻融循环开始时，膨润土水化产生胶结物填充于土体孔隙中，增加了土体的密实度，且土体中的大团聚体由于冻胀力遭到破坏，形成较多的小团聚体，也使大孔隙数减少；随着冻融循环次数的增加，冻胀温缩对土体的破坏愈加严重，使小孔隙发展为中孔隙，出现小孔隙减少、中孔隙增多的现象.由图6 还可见，随着凹凸棒土掺量的增大，第1 个峰的峰区面积增大，第2 个峰的峰区面积减小，即小孔隙数量增加，中孔隙数量减少，大孔隙数量基本不变，但孔隙半径略微变小，这表明凹凸棒土可有效降低冻融循环过程中隔离墙内出现的微裂隙，有利于增强土-膨润土隔离墙对污染液的阻隔效果.

图6 冻融循环作用下隔离墙孔隙分布Fig.6 Pore size distribution of isolation wall under freeze‑thaw cycles

2.2.4 干湿/冻融循环作用下隔离墙孔隙结构变化对比

比较图5、6 可见：未进行干湿/冻融循环时，隔离墙内部孔隙结构较单一，孔径为0.001～0.100 μm；3次干湿循环后，小孔隙数量减少，部分转化为中孔隙；冻融循环后，孔隙结构变化与干湿循环基本一致，但第2 个峰的峰区面积较大，这表明冻融循环作用下隔离墙内中孔隙分布更广，结构破坏较干湿循环更为严重，内部流通性更好，防渗及阻隔效果较差，这与上述冻融循环作用对隔离墙渗透系数的影响及损害较大的结论一致.