DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.04.019
膨润土-红黏土混合土对NaCl溶液的渗透试验研究
陈永贵，雷宏楠，贺勇，叶为民
(同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海，200092)
摘要：针对不同质量配比的膨润土-红黏土混合土压实样，开展不同浓度的NaCl溶液渗透试验；基于扩散双电层理论和土颗粒微观结构，分析溶液浓度对不同质量配比混合土渗透系数的影响机理；根据试验结果，建立混合土渗透系数与膨润土掺量(质量分数)的函数关系式。研究结果表明：混合土的渗透系数随着膨润土掺量的增加而降低，膨润土的加入明显提高了混合土的防渗和化学阻滞能力；随着溶液浓度提高，红黏土的絮凝程度增加，渗透系数降低；掺入质量分数为20%的膨润土后，随着溶液浓度提高，混合土扩散双电层被压缩，渗透系数相应增大。
关键词：压实黏土衬垫；红黏土；膨润土；盐溶液；渗透系数
中图分类号：P64 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)04-0910-06
Experimental study of permeability of bentonite-laterite mixtures for salt solutions
CHEN Yonggui, LEI Hongnan, HE Yong, YE Weimin
(Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: The bentonite-laterite mixtures with different mass ratios of bentonite were compacted, and then permeability of the mixtures was tested for NaCl solutions with different concentrations. Based on theory of the diffuse double layer and micro-structure characteristics of soil particles, effect mechanism of salt solutions on permeability coefficient of the mixtures was analyzed. Furthermore, an empirical equation between saturated permeability and bentonite content (mass fraction) was established according to the tested results. The results show that saturated permeability of bentonite-laterite decreases with the increase of bentonite content, and thus retarding ability improves significantly. The infiltration of NaCl solution induces more flocculation, which decreases the permeability of laterite soil. For mixtures with 20% (mass fraction) bentonite, the permeability coefficient increases with the increase of salt concentration due to the compression of diffuse double layers.
Key words: compacted clay liner; laterite; bentonite; salt solution; hydraulic conductivity
在填埋场建设中，为减缓生活垃圾降解产生的渗滤液向周围土壤扩散，污染地下水土资源，通常在填埋场底部及其四周铺设黏土衬垫系统，防止土壤和地下水受到污染[1]。CJJ 176—2012“生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范”[2]要求，衬垫系统的渗透系数不能大于1.0×10-7 cm/s。工程实践表明，黏性土是良好的衬垫材料，国内外众多研究者也对此进行了广泛研究[3-4]。然而，很多地区建设垃圾填埋场都面临着难以寻找到满足规范要求、合适的衬垫材料的问题。例如，我国长江以南的热带和亚热带地区广泛分布着红黏土[5]。一方面，红黏土具有较好的力学性能，作为衬垫材料应用于填埋场时具有沉降量小、无开裂、整体性能好等优点[6]；但另一方面，红黏土中竖向裂隙发育，防渗性能难以满足阻滞渗滤液的要求。为此，有研究者探讨在红黏土中掺入具有高吸水膨胀性、低渗透性以及强吸附性的膨润土[7]，以改善红黏土原有的防渗性能，提高化学阻滞能力，最终形成一种膨润土-红黏土复合衬垫系统。国内外有许多研究者对膨润土-天然黏土混合材料进行了相关研究，主要是测定不同膨润土掺入量条件下混合土的力学特性、渗透特性及其对污染物的阻滞性能，结果均表明混合土的工程性质与膨润土掺入量密切相关。MORANDINI等[8-9]发现，随着膨润土的加入，混合土阳离子交换能力增强，渗透系数明显降低，塑性增加，提高了其作为填埋场衬垫系统的工程屏障性能。杜延军等[10-12]将膨润土掺入天然黏土和黄土中进行试验，研究混合材料的压缩固结特性、渗透特性及污染物阻滞规律。然而，随着填埋场中生活垃圾不断降解，渗滤液中污染物成分逐渐增多，使得黏土衬垫系统长期遭受化学入侵作用。渗滤液中污染物浓度增大，使得黏土特别是膨润土的微观结构发生变化，从而导致其渗透性能不断变化[13]。因此，针对不同质量配比的膨润土-红黏土混合材料，开展不同浓度条件下的化学溶液渗透试验，对研究膨润土-红黏土的化学阻滞性能具有重要意义。本文作者通过制备不同质量配比的膨润土-红黏土压实土样，开展不同浓度盐溶液的渗透试验，测定混合土试样的饱和渗透系数，分析膨润土掺入量、溶液浓度对渗透系数的影响规律，以期为红黏土地区填埋场衬垫材料的选择提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验所用土样包括红黏土和膨润土。红黏土取自湖南郴州，天然风干后，研磨粉碎过0.5 mm筛。参照JTGE40—2007“公路土工试验规程”[14]测试红黏土物理力学性质指标，主要结果如表1所示。采用Bruker公司生产的D8 FOCUS X射线衍射(XRD)仪分析红黏土的矿物成分，结果如图1所示。由表1和图1可知：高岭石、石英是红黏土的主要矿物成分，此外还含有一定量的蒙脱石矿物。
试验所用膨润土取自内蒙古高庙子。经球磨筛分，样品粒径低于0.2 mm，为灰白色粉末，其基本物理力学性质如表2所示。
1.2 试样准备
分别测定风干后的红黏土与膨润土的含水率，根据膨润土干土质量占混合土干土总质量的百分比分别制备膨润土掺量(质量分数)为0，2%，5%，10%和20%的混合土。根据压实目标干密度，称取相应质量的混合土倒入试样环，采用DDL-200型数控万能压力机试验机，垂直加载速率为0.2 mm/min，均匀压实土样至目标高度。为防止试样回弹，保持恒定体积静置30 min，压实后试样干密度为(1.50±0.01) g/cm3。
表1 红黏土的基本物理力学性质
Table 1 Basic physic-mechanical properties of laterite soil
图1 红黏土XRD图谱
Fig. 1 XRD pattern of laterite
表2 膨润土的基本物理力学性质
Table 2 Basic physical and mechanical properties of bentonite
1.3 仪器与方法
渗透试验示意图如图2所示。采用等水头法进行饱和渗透试验。为防止掺入膨润土后试样吸水膨胀，压实土样置入不锈钢试样环中，上、下两端均垫有滤纸和透水石；下部进水口与常水头容器连接，上部出水口与量筒连接，测量一定时间内渗透溶液体积，根据达西定律计算其渗透系数：
(1)
式中：k为渗透系数(cm/s)；q为渗透流量(m3/s)；I为水头梯度；F为试样横截面积(cm2)；Δh为水头差(cm)；t为时间(s)；V为t时间内流经试样的溶液体积(cm3)；L为试样高度(cm)。
图2 常水头渗透试验示意图
Fig. 2 Diagram of constant head permeability test
为考察盐溶液浓度对混合土渗透性能的影响，分别选用0.1和1.0 mol/L的NaCl溶液以及去离子水作为渗滤液，对不同膨润土掺入量的混合土样开展渗透试验，具体试验方案如表3所示。试验开始时，先用去离子水饱和压实土样并测定渗透系数；然后通入不同浓度的NaCl溶液，测定相应的渗透系数；当在同一浓度盐溶液下土样的渗透系数不变时，认为渗透达到稳定，结束试验。
表3 渗透试验方案
Table 3 Experimental scheme of permeability tests
2 结果与讨论
2.1 膨润土掺量对土样渗透性能的影响
膨润土掺量对混合土试样渗透系数的影响如图3所示。由图3可知：试样的渗透系数随着膨润土掺量的增加而逐渐降低；未掺入膨润土时，压实红黏土的渗透系数为2.76×10-7 cm/s；掺入质量分数为5%的膨润土后，混合土试样的渗透系数为1.50×10-7 cm/s；继续增加膨润土掺量至20%，混合土试样的渗透系数降低到1.81×10-8 cm/s。由此可见，膨润土掺量对混合土渗透性能的影响十分显著[8]。根据CJJ 176—2012“生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范”[2]中对填埋场底部衬垫系统防渗性能的规定可知，当膨润土掺量达到10%时，压实混合土的防渗性能可满足规范要求。
图3 膨胀润土掺量对混合土渗透系数的影响
Fig. 3 Effect of bentonite mass fraction on permeability coefficient of the mixtures
对图3中的试验结果进行拟合，可得到混合土渗透系数与膨润土掺量的函数关系：
(2)
式中：λ为混合土中的膨润土掺量(%)；kh 为混合土渗透系数(cm/s)。
2.2 膨润土掺量对盐溶液渗滤下土样渗透性能的影响
图4所示分别为红黏土和膨润土掺量为20%的混合土在去离子水和2种不同浓度的NaCl溶液作用下渗透系数的变化情况。由图2可知：随着膨润土的加入，3种不同浓度溶液的渗透系数均明显降低；经去离子水饱和的红黏土通入盐溶液后渗透系数增大，而混合土的渗透系数基本不变。这是因为膨润土具有高吸水、高膨胀的特性，随着膨润土加入，土样经饱和后膨润土吸水膨胀，降低了土中有效孔隙，从而减小了土样渗透系数。同时，膨润土具有较低的渗透特性和较高的化学吸附特性，是良好的化学屏障，因此，在不同浓度溶液作用下，混合土渗透系数变化较小。由此可见，膨润土的加入明显提高了材料的防渗性能和化学阻滞能力。
图4 膨润土掺量对不同盐溶液渗滤下土样渗透系数的影响
Fig. 4 Effect of bentonite content on permeability coefficient of the mixtures for salt solutions
2.3 盐溶液浓度对土样渗透性能影响
针对压实红黏土以及膨润土掺量为20%的压实混合土，分别开展NaCl浓度为0.1 mol/L和1.0 mol/L的2种盐溶液渗透试验。
图5所示为红黏土渗透系数kr随时间的变化。从图5可以看出：在去离子水初始渗透阶段，红黏土渗透系数基本不变；当不同浓度盐溶液渗透时，红黏土的渗透系数随渗透时间逐渐增大，最后达到某一稳定值，并且高浓度(1.0 mol/L)溶液的渗透系数小于低浓度(0.1 mol/L)溶液的渗透系数；其中，在高浓度盐溶液初始渗透阶段，红黏土渗透系数先下降后上升。由此可见，渗透溶液的化学性对压实红黏土渗透性能具有较大影响。
图5 红黏土渗透系数随时间的变化
Fig. 5 Change of permeability of laterite samples with time
黏性土的渗透性能随溶液浓度的变化主要受扩散双电层厚度及微观结构的影响，其中扩散双电层厚度对蒙脱石类黏土渗透性能起主要控制作用，而微观结构对高岭石类黏土渗透性能起主要控制作用[16]。一方面，随着溶液浓度增加，土颗粒扩散双电层被压缩，颗粒间孔隙越大，最终表现为渗透性增大；另一方面，对于高岭石类黏土，当孔隙溶液pH大于高岭土颗粒边缘等电点(4.0~7.2之间[15])时，高岭土颗粒边缘带负电，颗粒间呈相互排斥的分散结构。随着溶液浓度升高，离子的增加会削弱这种排斥作用，使土颗粒间形成“边-面”、“边-边”或“面-面”的絮凝结构，如图6所示。此时，液限随之升高。当孔隙溶液pH小于边缘等电点时，规律相反[16-17]。根据黏性土渗透系数经验公式[18]可知：随着液限升高，土的有效孔隙率降低，进而渗透系数降低。综上所述，对于高岭土，在孔隙溶液pH大于边缘等电点的环境中，随着溶液浓度升高，渗透系数降低。
图6 不同类型土颗粒结构示意图[15]
Fig. 6 Structural diagrams of different soil particles[15]
由于试验用红黏土土样中富含高岭石等矿物，含有一定量蒙脱石，故土样性质与高岭石类土和蒙脱石类土相关。根据扩散双电层理论和土颗粒微观结构理论，对试验现象分析可知：通入1.0 mol/L NaCl溶液后，土的渗透系数先减小后增大，说明土样孔隙中盐溶液入渗，促使土颗粒形成边-面结合的絮凝结构，宏观表现为土样渗透系数降低；而随着土样孔隙溶液浓度升高，压缩土颗粒双电层，使渗透系数回升，直至稳定。通入0.1 mol/L NaCl溶液的土样则主要受扩散双电层影响，扩散双电层厚度被压缩，有效孔隙率增大，渗透系数增大。在入渗过程中，总体上高浓度土样的渗透系数低于低浓度土样的渗透系数，说明红黏土主要受土颗粒间范德华力影响，形成絮凝结构，而受扩散双电层的影响则相对较小。因此，低浓度溶液主要影响红黏土的扩散双电层厚度，而高浓度溶液不仅影响土样扩散双电层厚度，而且影响黏土的微观结构。
图7所示为混合土渗透系数随时间的变化。对比图5和图7可知：与盐溶液在红黏土中渗透规律相反，2种浓度盐溶液在混合土中渗透时渗透系数均有所上升，直至渗流稳定，并且高浓度溶液的渗透系数略高于低浓度的溶液渗透系数。这是因为掺入膨润土后，混合土中蒙脱石质量分数明显增大，渗透过程受扩散双电层的影响更加明显；当入渗溶液浓度升高时，扩散双电层被压缩，土中有效孔隙率增加，导致渗透系数增大。
图7 混合土渗透系数随时间的变化
Fig. 7 Change of permeability coefficient of mixture samples with time
综合以上分析可知：溶液浓度对2种试样渗透性能的影响机理有所不同。红黏土中高岭石含量丰富，与高岭石类黏土的物理力学及工程特性相似，孔隙溶液的离子强度对土颗粒微观结构具有控制作用，因而随着溶液浓度的提高，土颗粒形成絮凝结构的程度加深，导致渗透系数降低。而在掺入质量分数为20%膨润土的混合土中，蒙脱石质量分数显著增加，混合土的工程性质受蒙脱石类黏土影响较大，孔隙溶液的离子强度对扩散双电层厚度影响明显，因而，随着溶液浓度提高，扩散双电层厚度被压缩，导致渗透系数增大。
3 结论
1) 混合土的渗透系数随着膨润土掺量的增加而降低，且二者具有指数函数关系。膨润土的加入明显提高了混合土的防渗和化学阻滞能力。
2) 化学溶液对土样渗透系数的影响与土中矿物成分有关。红黏土中高岭石矿物质量分数较高，渗透性能主要受土颗粒微观结构的影响，随着溶液浓度提高，土的絮凝程度增加，渗透系数降低。掺入20%膨润土的混合土中蒙脱石矿物质量分数较高，其渗透性能主要受扩散双电层厚度的影响，随着溶液浓度提高，扩散双电层被压缩，土样渗透系数增大。
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(编辑 伍锦花)
收稿日期：2017-04-24；修回日期：2017-06-25
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41772279)(Project(41772279) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：陈永贵，博士(后)，教授，博士生导师，从事环境地质工程及非饱和土力学研究；E-mail：cyg@tongji.edu.cn
