垃圾填埋场防渗新技术解析

1）防渗浆材的基本组成

根据目前国内外垃圾填埋场防渗浆材研究现状与应用成果，针对垃圾填埋场防渗措施对防渗浆材及其结石体性能的要求，本着经济、实用、环保的原则。本书选择膨润土、水泥和粉煤灰作为垃圾渗滤液防渗浆材的主要添加材料。

（1）膨润土

膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土岩。膨润土资源十分丰富，世界已探明储量近百亿吨，其中美国、苏联和中国的储量占世界地质储量的1/4。钙基膨润土占世界地质储量的70%～80%，钠基膨润土资源十分有限。我国膨润土储量居世界第二位，仅次于美国，主要集中在东北和东部沿海各省，如吉林公主岭和九台、辽宁黑山、山东潍县涌泉、浙江临安和仇山等，且80%以上为钙基膨润土。

图2.1　蒙脱石的结构形式

蒙脱石的晶体结构是由两层硅氧四面体片中间夹一层铝（镁）氧八面体片构成的2∶1型层状硅酸盐，如图2.1所示。其中硅氧四面体片是由硅氧四面体共角顶连接形成位于同一平面的近似六方网状的硅氧片；铝（镁）氧八面体片是由两层相对的硅氧四面体片提供4个氧原子和2个由处于同一平面的羟基提供的氧原子所构成的八面体共棱连接形成的八面体片，而金属阳离子铝（镁）则位于八面体中心，从而形成了铝（镁）氧八面体片。蒙脱石晶体结构特征：一是两个单元层间以分子间力连接，结构比较松散，所以水分子或其他有机分子易进入层间，使膨润土产生吸水膨胀、高分散性及吸附性等；二是铝（镁）氧八面体中的铝离子可以被镁、锌等多种离子置换，硅氧四面体中的硅离子也可以被铝离子置换，由于低价阳离子置换高价离子，使得蒙脱石的晶体结构带负电荷，因此，为了达到电价平衡，蒙脱石晶胞会吸附交换性阳离子（K+，Na+，Ca2+等），从而使得蒙脱石矿物有吸附阳离子和极性有机分子的特性。

蒙脱石也称微晶高岭石或胶岭石，是含少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物，其化学通式为：

Nax(H2O)4{(Al2-xMgx)[Si4O10](OH)2}

由于蒙脱石的成因类型或产地不同，其化学组成也有所变化，但Si，Al，Fe，Mg始终是蒙脱石的主要成分，其次是K，Na，Ca等元素，见表2.1。

表2.1　国内外膨润土的主要化学成分对比　单位：%

膨润土由于具有优良的物理化学性质，因此在环境治理、食品、医药和农业等领域的应用逐年扩大。膨润土的物理化学性质主要有以下几项：

①吸水膨胀性。膨润土具有良好的吸湿性，能吸附8～15倍于自身体积的水量。吸水后膨胀数倍可达到原体积的30余倍。钠基膨润土吸水速度慢，但吸水量大，而钙基膨润土吸水速度快（一般2 h即可达到饱和），吸水量小。钠基膨润土的吸水量和膨胀倍数是钙基膨润土的2～3倍。

②分散悬浮性。蒙脱石矿物的晶层间易进入水分子，使晶层分离，蒙脱石颗粒以单一晶胞或晶层面的平行叠置状态存在于液体中，由于蒙脱石晶胞带有负电性，晶胞间彼此相斥，因此蒙脱石矿物以胶体分散状态存在于水溶液中，当pH＞7时，更有助于膨润土的分散悬浮性。

③离子交换性。由于蒙脱石晶胞内高价离子Si4+和Al3+可被低价阳离子同晶置换，致使单位晶层中的电荷不平衡，出现过剩的负电荷。晶胞所带负电荷一部分由八面体晶片中OH-置换O2-来补偿，另一部分通过静电吸附低价阳离子平衡，这些被吸附的阳离子具有交换性。最常见的可交换阳离子是Ca2+和Na+。离子浓度相同时，高价阳离子易置换低价阳离子；当离子同价时，半径大的离子水化弱，易被黏土吸附，交换吸附能力大；离子浓度不同时，电价低而浓度高的离子也能够置换高电价低浓度的离子。而且离子交换吸附与脱附是一个动态平衡过程，达到交换吸附平衡需要一定的时间。

④对有机物的吸附性。蒙脱石中硅氧四面体或铝氧八面体中的Si4+离子或Al3+离子被其他低价阳离子取代的晶格置换引起内部电荷不平衡，形成负电荷吸附中心，从而具有吸附各种阳离子和极性分子的能力，所以蒙脱石晶层间和晶胞表面能吸附多种有机分子。同时由于蒙脱石独特的双八面体结构和层状组合具有较大的比表面积（456～676 m2/g），因而其对大分子有机物也具有高度的选择吸附性。蒙脱石对有机物的吸附有交换吸附和物理吸附两种。交换吸附可以是共价键结合，如CH2N2遇到H-蒙脱石形成-Si-OCH3；也可以是离子键结合，如Na-蒙脱石与有机胺盐作用，有机胺盐阳离子取代Na+形成R-NH3-蒙脱石复合物。物理吸附通常在高温或有机溶剂中进行，层间含有高价态金属阳离子的蒙脱石对特定有机分子有较强的吸附能力，对垃圾渗滤液中有机物具有较好的吸附效果。

通过对Cd2+和Pb2+的吸附性实验，高岭石的稳定吸附能力最低，蒙脱石的稳定吸附能力最高。因此蒙脱石含量越高，越有利于阻止垃圾渗滤液对地下水的污染；黏性土中黏粒含量的增高不仅有利于阻止重金属离子的径流扩散，而且也有利于阻止重金属离子的化学扩散；黏性土中CaCO3的存在有利于使重金属离子呈稳定态吸附。

⑤化学稳定性与无毒性。蒙脱石在室温下不与碱、氧化剂、还原剂反应，具有较好的化学稳定性。膨润土对人、畜、植物无毒害和腐蚀作用，对人体皮肤无刺激，对神经和呼吸系统无影响。

对于南京小汤山钠基膨润土，其膨润土的性能指标见表2.2。该膨润土的蒙脱石含量在60%以上，具有高塑性、低渗透性、分散悬浮性好等特点，并能较好地吸附渗滤液中的污染成分。

表2.2　膨润土的性能指标

（2）粉煤灰

粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出并被收尘器收集的物质，其主要成分是SiO2，Al2O3和Fe2O3等，表2.3是我国40个大型电厂粉煤灰化学成分分析统计值。粉煤灰通常为球状颗粒、不规则多孔玻璃颗粒、微细颗粒、钝角颗粒和含碳颗粒等，其中前三种颗粒SiO2和Al2O3含量较高，具有较高的水化活性，有利于水泥-粉煤灰体系水化。粉煤灰颗粒尺寸变化范围大，直径从几百微米到几微米，比表面积一般为2 500～7 000 cm2/g，相对密度为2.01～2.22。我国根据粉煤灰的细度和烧失量将其分为3个等级：Ⅰ级粉煤灰，0.045 mm方孔筛筛余量小于12%，烧失量小于5%；Ⅱ级粉煤灰，0.045 mm方孔筛筛余量小于20%，烧失量小于8%；Ⅲ级粉煤灰，0.045 mm方孔筛筛余量小于45%，烧失量小于15%。

表2.3　我国40个大型电厂粉煤灰化学成分分析统计值

粉煤灰由低铁玻璃珠、多孔玻璃体及多孔碳粒组成，是一种多孔性的固相物质，孔隙度一般可达60%～70%。粉煤灰的多孔性及组分特点均使其具有较优良的吸附和过滤性能，因此经常在水处理中使用。对于垃圾场防渗浆材的配制，选用一级（或二级）粉煤灰均可。粉煤灰对重金属离子具有一定的吸附能力，能有效降低渗沥滤液中COD、BOD5和三氮的浓度。同时加入粉煤灰可有效降低浆材固结体的渗透系数。

（3）水泥

水泥是应用比较广泛的一种胶凝材料，也是注浆工程中广泛应用的一种材料。水泥用作注浆材料具有来源较广、成本较低、无毒性、施工简便等优点，但纯水泥浆存在易析水、稳定性差、颗粒大不易进入微小裂隙等缺点。垃圾填埋场防渗浆液材料常用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，水泥的主要成分及含量见表2.4。水泥的作用主要是用来提高浆材的强度，使得浆材的强度满足要求，但是水泥的掺入量过大也会导致浆材的抗渗性能降低，故需要选择合适的掺入量。

表2.4　水泥的主要成分及含量

（4）减水剂

为确保浆材的可灌性（可泵期）、稳定性和结石体的密实性，可选用聚羧酸减水剂（TOJ800-10A）、铁络木质素磺酸盐（FCLS）、萘磺酸盐甲醛缩合物（NUF-5）等作为浆液配制的减水剂（或称为稀释剂）。

聚羧酸系高效减水剂是高性能混凝土、高强度混凝土、矿渣混凝土、水泥灌浆、干砂浆中常用的高效减水剂。TOJ800-10A等聚羧酸高效减水剂可增加混凝土和易性，并保持一定的坍落度，从而使防渗浆材能满足施工工艺要求。TOJ800-10A聚羧酸减水剂具有早强高强、适应性优良、低坍落度损失、高耐久性等优点，当坍落度为80 mm左右时，减水率可为25%以上；当坍落度为180 mm左右时，减水率可为30%以上，具体性能指标见表2.5。

表2.5　TOJ800-10A聚羧酸减水剂的性能指标参数

（5）膨润土改性剂

实验研究证实，对膨润土进行有机化改性可以显著提高浆材结石体对渗滤液的吸附阻滞能力。首先，经有机化改性后的膨润土表面存在长碳链表面活性剂，使得膨润土层间距增大，比表面积增大，从而具有更高的吸附性能。其次，有机膨润土对有机污染物的吸附为水相与有机相之间的分配过程，此种情况对污染物的去除率主要决定于有机污染物在有机插层及水中的溶解程度，因此，有机污染物碳链越长，去除率越大；相反，在水中溶解度越大，去除率越小。膨润土对无机物吸附为静电吸附和离子交换吸附，包括由分子间作用力引起的物理吸附，以及层间所带的永久性负电荷对无机污染物的静电吸附，同时还有层间存在的阳离子与无机污染物阳离子发生离子交换的吸附作用等，使得有机膨润土吸附性能增强。最后，对膨润土进行有机改性后，使颗粒表面由于有机分子的包裹作用而转变成疏水性，从而提高对疏水性有机物的吸附。同时，膨润土经有机改性后，其表面性质发生了较大的变化，孔密度减少，孔径增大，分散性增强。因而既大大增加膨润土的吸附能力，又增大了膨润土的疏水性，提高了分离效率。

本书主要选用聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠等对膨润土进行有机化改性。采用聚乙烯醇为改性剂对膨润土进行有机化改性，改性后性能显著提升主要原因如下：

①膨润土经聚乙烯醇改性后，其颗粒表面形成致密高黏度薄膜，同时由于膨润土的分散悬浮作用，使得颗粒分布均匀，彼此间黏结力更大，结构密实度提高，吸附阻滞性增强。同时浆材中颗粒经聚乙烯醇的包裹，形成表面细致的高吸附性颗粒，提高其抗渗性能。聚乙烯醇溶剂充填在膨润土层间结构中，形成许多细小孔道，增大了膨润土孔隙率及颗粒的比表面积，提高了其吸附性能。

②在高碱度条件下，膨润土、水泥以及聚乙烯醇通过化学反应得到以基本结构单元（SiO4）四面体和（AlO4）四面体联结而成的网状结构。出于结构上的原因，使浆材兼有有机聚合物、水泥的特点，表现为高强度、高韧性、高耐久性等特点。

③聚乙烯醇可以促进水泥水化反应的进行，有机聚合物聚乙烯醇分子中含有大量的醇羟基活性基团，能与水泥水化产物相互作用，改变水化产物的生成部位和形貌，其产物的填充作用能使试体更加密实。

采用羧甲基纤维素钠（CMC-Na）代替聚乙烯醇对膨润土进行有机化改性。试验研究，经羧甲基纤维素钠改性后的膨润土材料制成的防渗浆材表面会形成一层致密的薄膜，可有效降低浆材的渗透系数，可增加垃圾填埋场的使用寿命，并且改性后的浆材固结体对污染物及重金属离子的吸附阻断能力也得到了增强。

（6）其他外加剂

可在防渗浆材配制中掺入适量的碳酸钠。在碱性环境下更有助于水泥、膨润土及粉煤灰水化反应的进行以及膨润土的有机化改性。

此外，掺入适量的聚丙烯纤维可以有效提升防渗墙体的抗裂性与抗渗性。加入纤维可以减少浆材固结体中的细微裂隙从而提升抗渗能力，据研究，加入0.1%的聚丙烯纤维可以使浆材的抗渗性提升一倍。常用纤维为丙烯单丝纤维（长度为5～10 mm），其产品具体测试性能指标见表2.6。

表2.6　聚丙烯纤维测试性能指标

2）实验方法

（1）正交试验法的原理及分析方法

图2.2　全面试验法节点示意图

采用正交试验法进行浆材配方的优选，首先说明正交试验法的原理。对于单因素或两因素试验，因其因素少，试验的设计、实施与分析都比较简单。但在实际工作中，常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施。全面试验可以分析各因素的效应、交互作用，也可选出最优水平组合。但全面试验包含的水平组合数较多（如图2.2所示的27个节点），工作量大，在有些情况下无法完成。对于三因素、三水平的试验方案见表2.7。

表2.7　三因素、三水平全面试验方案

续表

正交试验表的确定是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是从试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验的，通过对这部分试验结果分析得到全面试验的情况，寻求最优水平组合。

正交试验是用部分试验来代替全面试验的，不可能像全面试验一样对各因素效应、交互作用一一进行分析；当交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂。虽然正交试验设计有上述不足，但它能通过部分试验找到最优水平组合。

对于上述三因素、三水平试验，若不考虑交互作用，可利用正交表L9（34）安排，试验方案仅包含9个水平组合，就能反映试验方案包含的27个水平组合的全面试验情况，找出最佳的生产条件，如图2.3所示。

图2.3　正交实验法示意图

正交设计就是从选优区全面试验点（水平组合）中挑选出有代表性的部分试验点（水平组合）来进行试验。图2.3中标有试验号的9个“（o）”，就是利用正交表L9（34）从27个试验点中挑选出来的9个试验点。这9种组合正交实验方案见表2.8。

表2.8　L9（34）正交实验的9种组合方案

通过上述正交实验表的确定，保证了A因素的每个水平与B因素、C因素的各个水平在试验中各搭配一次。对于A，B，C 3个因素来说，是在27个全面试验点中选择9个试验点，仅是全面试验的1/3。

从图2.3正交实验法分析可知，所选择的每个实验配方在选择区间内分布比较均匀，此种设计方法是通过由一个点出发的3条棱线上均匀分布的3个点，通过两两相连所形成的水平或垂直平面相交点组合而成，所以实验组合在每个面上都是均衡分布的，其中，在三维直角坐标中每条棱边分别相当于3个因素，其上的3个点相当于3个水平。9个试验点均衡地分布于整个立方体内，有很强的代表性，能较全面地反映选优区内的基本情况。

（2）正交试验法的分析方法

一般情况下，采用极差分析方法是正交试验结果的最基本的分析方法，比较容易理解且方便直观。以下简述了极差分析的过程，如图2.4所示。

图2.4　极差分析法示意图

其中，Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标和为Kjm平均值。由大小可以

判断第j列因素优水平和优组合。以各因素水平为横坐标，试验指标的平均值为纵坐标，绘制因素与指标趋势图。由因素与指标趋势图可以更直观地看出试验指标随着因素水平的变化而变化的趋势，为进一步试验指明方向。

Rj为第j列因素的极差，反映了第j列因素水平波动时，试验指标的变动幅度。

极差R：表示该因素在其取值范围内试验指标变化的幅度。

根据极差R的大小，可判断各因素对试验指标的影响主次。比较各R值大小，R值越大的表示因素对指标的影响大，因素越重要；R值越小的表示因素对指标的影响较小。

极差分析法简单明了，通俗易懂，计算工作量少。但这种方法不能将试验中由试验条件改变引起的数据波动同试验误差引起的数据波动区分开来，也就是说，不能区分因素各水平间对应的试验结果的差异究竟是因素水平不同还是试验误差引起的，无法估计试验误差的大小。此外，各因素对试验结果的影响大小无法给以精确的数量估计，不能提出一个标准来判断所考察因素的作用是否显著。为了弥补极差分析的缺陷，可采用方差分析法。

方差分析法的基本思想是将数据的总变异分解成因素引起的变异和误差引起的变异两部分，构造F统计量，作F检验，即可判断因素作用是否显著。

方差分析法分析的过程如下：

总偏差平方和：

总偏差平方和=各列因素偏差平方和+误差偏差平方和

自由度分解：

求出方差：

构造F统计量：

列方差分析表，作F检验：若计算出的F值F0＞Fa，则拒绝原假设，认为该因素或交互作用对试验结果有显著影响；若F0≤Fa，则认为该因素或交互作用对试验结果无显著影响。

3）防渗浆材实验项目及测试仪器

通过上述正交实验方法进行垃圾场防渗浆材组分的优选，实验过程中采用土工仪器测定浆材及其结石体的性能参数，并根据试验数据不断优化浆液的配方。需要测试的浆材（或固结体）性能及选用的测试仪器如下：

（1）浆材的可灌性

可灌性是基于流动度和可泵期来衡量浆材施工性能的综合技术指标。可泵期和流动度采用流动度仪（由流动度盘和截锥圆模组成）测试。金属截锥圆模（φ36×60×60）：上口直径36 mm，下口直径60 mm，高60 mm，内壁光滑且无接缝。塑料流动度盘：直径500 mm，厚5 mm，表面刻有不同直径的同心圆。

可灌性实验过程如图2.5所示，其实验步骤如下：

图2.5　浆材可灌性实验过程

①将防渗浆材各组分按配比质量称重后倒入2 000 mL玻璃烧杯中。

②用JJ-1型增力电动搅拌器搅拌拟配制浆材5～10 min，至膨润土颗粒均匀分布在浆液中即可。

③将流动度盘放在水平位置上，用湿布摩擦流动度盘和截锥圆模，使其表面湿而不带水，再将截锥圆模放于流动度盘的中央。

④将搅拌好的浆液迅速注入截锥圆模内，用抹刀刮平，再将圆模垂直提起，同时开启秒表计时；30 s后用直尺量取浆材扩展后两个相互垂直方向的直径，取平均值作为浆材的流动度。

⑤每5 min按步骤④测浆材的流动度，直至该浆材的流动度达到140 mm，此时的记录时间，即为浆材的可泵期。(www.xing528.com)

（2）浆材的密度

防渗浆材的密度采用泥浆比重称测定，如图2.6所示。测量时，将浆液装满于泥浆杯中，加盖后使多余的浆液从杯盖中心孔溢出。擦干泥浆杯表面后，将杠杆放在支架上（主刀口坐在主刀垫上）。移动游码，使杠杆成水平状态（水平泡位于中央）。读出游码左侧的刻度，即为浆液的密度（即比重值）。可以将这种方法的原理形象地归结为“杠杆原理”。测浆液比密度前，要用清水对仪器进行校正。如读数不在1.0处，可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒进行调节。

图2.6　泥浆比重称

图2.7　水泥维卡仪

（3）浆材的凝结时间

浆材的凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间自水泥浆液拌合起，至水泥浆开始失去塑性所需的时间。终凝时间从水泥浆液加水拌合起，至水泥浆完全失去塑性并开始产生强度所需的时间。防渗浆材的初凝与终凝时间采用水泥维卡仪进行测定，如图2.7所示。

（4）浆材的流变参数

浆材的流变参数的测量包括浆液的静切力、动切力、塑性黏度、表观黏度、稠度系数和流性指数等，一般选用静切力计、旋转黏度计、漏斗黏度计等，尤以旋转黏度计最常用。旋转黏度计按动力可分为手动和电动两种；按转速范围可分为两速、六速和多速不等。目前常用六速旋转黏度计，如图2.8所示。

图2.8　六速旋转黏度计

六速旋转黏度计的工作原理：将浆液放置在两个同心圆筒的环隙空间内，电机经过传动装置带动外筒恒速旋转，借助于被测浆液的黏滞性作用于内筒一定的转矩，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的黏性成正比，于是液体的黏度测量转换为内筒转角的测量。

测量时，将刚搅拌好的浆液倒入样品杯刻度线处（350 mL），立即放置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线处。拧紧手轮，固定托盘。如用其他样品杯，筒底部与杯底之间不应低于1.3 mm。迅速从高速到低速进行测量，待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的读数。

测浆液静切力时，应先用600 r/min搅拌10 s，静置10 s后将变速手把置于3 r/min，读出刻度盘上最大读数，即为初切力。再用600 r/min搅拌10 s，静置10 min后将变速手把置于3 r/min，读出刻度盘上最大读数，即为终切力。

试验结束后，关闭电源，松开托盘，移开量杯。轻轻卸下内外筒，清洗内外筒并擦干，再将内外筒装好。

如用φ600，φ300，φ100，φ3代表外筒转600，300，300，3 r/min从仪器刻度盘上读到的格数，各类流体的黏度指标计算如下：

牛顿流体：

宾汉流体：

幂律流体：

卡森流体：

（5）浆材的抗压强度

浆材的抗压强度采用万能电子实验机进行测试，如图2.9所示，该仪器可将试验过程中的应力及应变变化过程的相关数据传递到计算机中，对所得的试验数据进行分析并保存。浆材的抗压强度测试步骤如下：

图2.9　电子万能试验机

①浆材在浇筑过程中会发生初凝，故应在浆材制备30 min内进行铸模并成形。并将试模进行密封，将密封状态下的试块进行编号，并置于（20±5）℃的养护箱内进行带模养护。带模养护的试块应在养护时间7 d内脱模，脱模后的试块应尽快置于水中养护至相应试验所需龄期。试样成形及养护过程如图2.10所示。

图2.10　试样成形及养护过程

②在试块成形期间由于浆材的溢出和浆材的收缩，会导致试块成形面凹凸不平。因此，在试块进行试验前需要进行裁切和整平工作，由于试块在切割过程中易发生受剪破坏，因此在对试块进行切割时应格外仔细。

③进行试样的抗压强度试验，将试样水平放置在电子万能试验机上，通过计算机控制以0.5 mm/min的速率均匀地将荷载加在试样表面，直至试样破坏，并记录数据。试样抗压强度按下式进行计算：

式中　σ——单个试样的抗压强度计算值，kPa；

F——实验过程中最大加载值，N；

A——试样受压面面积，mm2。

④以一组3个试样抗压强度平均值作为实验结果，3个值中有一个超出平均值10%，应剔除后再取平均值，并将实验结果精确至1 kPa。

（6）浆材的抗剪强度

浆材的抗剪强度主要采用三轴应力应变仪进行测试，试验仪器如图2.11所示，该仪器可采集试验过程中试样的轴向应力、轴向应变及围压等相关数据，并对试验数据进行分析和保存。

图2.11　应力应变三轴试验仪及计算机控制系统

浆材的抗剪强度测试步骤如下：

①在浆材搅拌均匀后30 min内，将浆材倒入已经在内壁均匀涂抹凡士林的模具（61.8 mm×120 mm）中，并浇筑至溢出。试块的养护与测试抗压强度试块的养护过程一致，养护完成后对试样进行裁切和整平，试样制备及养护过程如图2.12所示。

②试样养护28 d后进行三轴压缩试验，由于制备的浆材是用于垃圾填埋场的防渗浆材，根据浆材的使用环境，本书三轴试验采用不排水、不固结试验（UU试验），试验过程采用按剪切速率进行采样，剪切速率为1 mm/min，采用单级加载的方式，最大剪切量为6 mm。

③试验完成后，关闭排水阀，卸载围压，导出压力室内的水，然后将试样拆除，拆除试样后用毛巾将试验仪器擦拭干净，导出试验数据。

图2.12　三轴试样制备及养护

（7）浆材的渗透系数

浆材的渗透系数测试分别采用常规变水头渗透试验和全自动渗透系统实验两种方法进行。

变水头渗透实验一般用N-55型渗透仪，采用的试样尺寸为61.8 mm×40 mm，试样的制备养护和三轴试样的制备与养护一致。变水头渗透实验的仪器及试样养护如图2.13所示。变水头渗透实验步骤参照《公路土工试验规程》规定。

图2.13　试样养护及变水头试验仪器

依据土工实验规程，变水头渗透系数按下式进行计算：

式中　a——变水头管的断截面面积，cm2；

L——渗径，即试样的高度，cm；

H1，H2——测试时的起始和终止水头，cm；

t1，t2——测读起始水头和终止水头的时间，s。

全自动渗透系统如图2.14、图2.15所示，其实验步骤如下：

①将养护好的试样上下端装好滤纸和透水石后再装入橡胶模中，然后装在全自动渗透系统压力室内，用螺母拧紧，要求密封至不漏水、不漏气。

②将纯水注入压力室中，直至水溢出，关闭压力室阀门。然后将渗透压、围压及渗透出水压力装置连接至压力室和试样上下两端，渗透压装置连接试样底部，渗透出水压连接试样上端。

③实验过程中先将围压加载至200 kPa，待围压稳定后加载渗透压，渗透压分3个阶段加载，分别为50，100，150 kPa。加载压力为水压，每阶段加载时间相同，计算机及实时记录试验数据并保存。待试验结束后将仪器中的水排干净，切断电源，关闭仪器。最后对实验数据进行分析。

图2.14　全自动渗透系统及试样养护

图2.15　全自动渗透系统工作原理

全自动渗透系统测试试样的渗透系数按下式进行计算：

式中　kp——渗透压在p时的浆材渗透系数，cm/s；

V1，V2——渗透开始和结束时的渗流量，mL；

t1，t2——渗透阶段开始和结束时间，s；

A——试件中部横断面，cm2；

h——渗径，即试件高度，cm；

i——水力梯度；

P——施加的渗透压，kPa；

γw——水的重度，N/mm2，取iw=0.009 8 N/mm2。

（8）浆材的吸附阻滞性能

防渗浆材结石体对垃圾场渗滤液等污染物的吸附阻滞能力是检验生活垃圾填埋场防渗效果的重要指标。测试浆材的吸附阻滞性能，首先通过渗滤仪等仪器采集渗滤液经防渗浆材滤出后的样本；然后，使用高效液相色谱仪、火焰原子吸收分光光度计、原子荧光光度计等仪器测试渗滤液的有关成分组成。

由常州工学院自制的一种气压式生活垃圾填埋场渗滤仪，已获得授权发明专利（专利号：ZL201710119199.3），该渗滤仪的结构组成如图2.16所示，该渗滤仪试样尺寸为φ100×50 mm，直径为100 mm，高度为50 mm。气压式生活垃圾填埋场渗滤仪操作步骤如下：

图2.16　气压式生活垃圾填埋场渗滤仪结构原理及仪器组成

1，3，9—密封圈；2—螺帽；4—进气阀；5—调节杆；6—阀堵；7—储液室；8—浆材结石体；10—试样室；11—底座；12—锥形筒；13—环形支架

①将符合龄期养护强度的浆材结石体装入试样室中，要求试样与仪器内壁之间无缝隙，连接好储液室、底座、进气阀等，将渗滤仪固定在带锥形筒的环形支架上，并用烧杯（或其他容器）对准锥形筒的出液口准备收集滤液。

②将垃圾场渗滤液（或人工配制重金属溶液、酞酸酯溶液等）通过进液孔注入储液室中，注满渗滤液后及时用φ15～20 mm螺帽及O形密封圈密封。一般情况下，倒入的渗滤液为250 mL左右，然后拧紧螺母，保证在实验过程中仪器密封不漏水且不漏气。

③在进气阀的端头连接好打气筒（自带气压表），通过进气阀输入压缩空气给渗滤液进行加压，使渗滤液经浆材结石体（浆材试样）滤出，滤出的液体经锥形筒流入烧杯（或容器）中。在使用过程中，可通过进气阀的调节杆调节储液室的气压，工作气压保持在0.1～0.5 MPa，待压力恒定后，可移开打气筒，及时用阀堵封住进气阀。

④从仪器最下方进行渗滤液收集，将渗出的渗滤液收集好后进行集中测定其内各种成分的变化情况。

通过高效液相色谱仪、火焰原子吸收分光光度计、原子荧光光度计等分析仪器测试渗滤液污染物（Hg，Pb，NH4-N，TP，SS，CODCr，BOD5等）的初始浓度和滤出后的浓度，便可计算出浆材结石体的吸附阻滞率。高效液相色谱仪、火焰原子吸收分光光度计、原子荧光光度计分别如图2.17、图2.18、图2.19所示。

图2.17　高效液相色谱仪

图2.18　火焰原子吸收分光光度计

图2.19　原子荧光光度计

（9）浆材其他性能测试

①浆材结实率：采用有机玻璃管测定。

②浆材析水率：采用量筒测定。

③浆材pH值：采用pH试纸测定。

④弹性模量及变形模量：采用应力-应变仪测定。

⑤浆材结石体耐久性测定：pH值为4的酸性液体的长期浸泡试验。

⑥SEM电镜图：采用CX-200扫描电镜仪测定。

此外，通过自制的一套防渗系统动态模拟实验装置进行浆材结石体的渗滤实验，完成防渗浆材低渗透系数的渗滤沉积作用和膨润土、粉煤灰对渗滤液等污染物吸附阻滞作用机理的深入研究。结合垃圾填埋场具体工程测试数据，通过数值模拟分析的方法完成防渗墙浆材结石体力学特性的研究，建立起对工程实践有指导意义的墙体应力-应变关系数学模型。根据地下水渗流运动的二维数学模型，建立垃圾场渗滤液中重金属污染物运移形式及数学模型，同时根据所建立的运移数学模型模拟分析防渗浆材对渗滤液等污染物的吸附阻滞作用。