PBFC防渗浆材实验研究成果

采用聚乙烯醇等有机化膨润土进行防渗浆材的配制，使其具有更高的防渗性能及吸附阻滞性能，即在黏土基BFC浆材（N型）的配制基础上，采用聚乙烯醇（PVA）为改性剂对膨润土进行有机化处理，配制出聚乙烯醇改性的膨润土、粉煤灰、水泥为主剂的防渗浆材（简称“PBFC浆材”），该类浆材渗透系数为（0.53～1.86）×10-8cm/s，而普通钠基膨润土-水泥浆材的渗透系数为（1.3～5.5）×10-8cm/s。根据膨润土改性剂及减水剂的种类，PBFC浆材可细分出多种类型，本节先介绍PBFC浆材的基本实验方案，关于PBFC浆材性能的深入研究在后面章节中再详细叙述。

1）正交实验方案

通过前期浆材的室内对比试验，选用TOJ800-10A型聚羧酸高效减水剂，决定采用L9（34）三水平、四因素正交试验法优选浆材的配比组合，浆材实验因素与水平见表2.13。根据表2.13中的因素及相应水平，采用三水平、四因素所配制的9组组合以及对其中的数据采用极差值法分析处理，其结果见表2.14。

表2.13　浆材实验因素与水平

表2.14　浆液L9（34）正交试验配比及测试结果

注：①其他成分加量：粉煤灰取18%，无水碳酸钠取0.5%，各因素加量按1 000 g计算；
②实验中聚乙烯醇的掺入是将其先溶于水中，以溶液的形式掺入；
③浆材稳定性好、流动性和适宜的可泵期，其结石率在99%以上，析水率为2%左右。

2）各因素对渗透系数的影响分析

用正交试验极差值法对试验数据进行分析，见表2.15，得出各因素对浆材固结体7 d/28 d龄期渗透系数的影响趋势，如图2.37所示。

表2.15　浆材固结体渗透系数极差分析结果

注：K1，K2，K3分别代表试验因素的3个水平，所代表水平均由小到大，例如水泥因素，K1，K2，K3分别代表16%，20%，24% 3个水平。

图2.37　各因素对浆材固结体渗透系数的影响趋势

由图2.37可知，试样7 d与28 d的渗透系数随水泥、膨润土、聚乙烯醇的增加而减小，且随着各种因素加量的增加，渗透系数减小趋势变缓；各因素对28 d龄期的浆材固结体的渗透系数影响程度由大到小依次为水泥、聚乙烯醇、膨润土、减水剂。聚乙烯醇加量对渗透系数的影响程度高于膨润土，对膨润土进行有机化改性效果明显，其抗渗特性优于天然膨润土。由极差分析得到各因素最优配比组合（质量百分比）为：水泥18%～24%、膨润土18%～26%、粉煤灰17%～22%、聚乙烯醇0.2%～0.8%、减水剂0.01%～0.03%；最优组合为：水泥20%、膨润土22%、粉煤灰18%、聚乙烯醇0.5%、减水剂0.03%与水泥24%、膨润土26%、粉煤灰19%、聚乙烯醇0.5%、减水剂0.03%两组。虽然，聚乙烯醇加入量为0.8%时，渗透系数较小，但此时浆液在搅拌时极易产生气泡而导致渗透性降低，因而聚乙烯醇加量不宜超过0.8%，同时聚乙烯醇加量为0.8%与加量为0.5%时，渗透系数相差不大，因而聚乙烯醇加量为0.5%时为最优组合，进而从正交表中得到的优化组合为第五组配方。

上述极差法分析结果同多因素线性回归分析结果，其结果如下：

式中　A——水泥；

B——膨润土；

C——减水剂；

D——聚乙烯醇。

将已知实验数据代入式（2.18）得出多因素线性回归分析表，见表2.16。

表2.16　多因素线性回归分析表

图2.38　抗渗效果对比

从表2.16可以看出，0.709＞0.453＞0.359＞0.166，可知水泥起整体骨架作用，影响最大，其次为聚乙烯醇与膨润土，而减水剂对渗透系数的影响程度远低于其他因素对渗透系数的影响程度。经有机化改性的膨润土-水泥浆材抗渗透性能与普通钠基膨润土-水泥防渗浆材对比，如图2.38所示。

从以上实验结果分析可得出以下结论：

①随着水泥掺量的增加，所有配合比固结体（无论是7 d龄期还是28 d龄期）的渗透系数都在逐渐降低，但其降低程度有明显的不同。对于28 d龄期的固结体，当水泥配合比较小时，渗透系数显著增大，配合比16%的固结体的渗透系数相当于24%的2.9倍，并且在水泥加量较小时，增加膨润土、减水剂及聚乙烯醇的掺量，固结体渗透系数没有明显降低。主要原因：水泥用量较小时，水泥石骨架稀疏松散，结构内部孔隙较多，且增加有机化膨润土掺量可形成更多的结合水充填于空隙之中，从而导致固结体因过度膨胀性而将水泥石骨架涨破，形成渗流通道。

②在水泥用量增加的基础上，增加膨润土的用量或加大膨润土有机化程度（即加大聚乙烯醇配比），可以大幅降低固结体的渗透系数。主要原因：在水泥掺加量比例较高时，形成的浆材固结体骨架密度比较高，在此基础上，增加有机化膨润土用量由于其膨胀性能可以充填其中孔隙，减少孔隙数量，减弱渗水途径。其次，就膨润土颗粒大小而言，其颗粒细小，可有效填充于水泥骨架中的孔隙内，优化了浆材固结体的孔级配和孔隙结构，使总的孔隙率降低，同时使渗径增长或阻塞，致使渗流作用减弱。

③由聚乙烯醇改性过的膨润土，层间结构改变，膨润土颗粒比表面积增加，具有更强的黏结和吸附性，其充填于水泥石骨架缝隙之中，使得细颗粒之间有更紧密的连接，孔隙率降低，致使渗流作用减弱，使外界的水分子不易侵入，表现出足够的水稳定性。与此同时其阻止了微细裂缝的产生，形成致密结构，从而拥有更高的抗渗性能。(www.xing528.com)

④实验过程中，由聚乙烯醇与无水碳酸钠产生的絮状物可知，聚乙烯醇可与溶解在水中的无水碳酸钠产生微细丝絮状，阻止了试块裂缝的开展，提高抗渗强度。

⑤对于PBFC防渗浆材，因浆材中采用聚乙烯醇改性的有机化膨润土代替普通钠基膨润土，使浆材具有更高的防渗性能。其渗透系数在（0.53～1.86）×10-8 cm/s之间，而普通钠基膨润土-水泥浆材的渗透系数大致水平为（1.3～5.5）×10-8cm/s，与之相比，改性后膨润土组成的防渗浆材抗渗透性能、阻滞性能更好。

3）浆材渗透系数随龄期的变化趋势

如图2.39所示，给出了9组PBFC防渗浆材固结体的渗透系数7 d与28 d龄期的变化趋势。从柱状图可以看出，养护龄期较长的固结体的渗透系数与养护龄期小的固结体相比，渗透系数明显降低，其减小幅度达7～15倍，平均减小达11倍。养护期越长，水泥水化越彻底，固结体结构越密实，同时膨润土的自由结合水越来越多并趋于稳定，而且固结体自由水将不断减少，水泥水化产物的强度和密度将不断增加，浆材中的孔隙率减小，因此，使得水泥-有机化膨润土防渗浆材固结体的渗透系数在不同龄期时发生了显著变化。

图2.39　渗透系数随龄期及配比变化的柱状图

首先，在浆材的固结硬化反应阶段，经过膨润土的硬凝反应及聚结作用、水泥的水化反应以及粉煤灰所特有的火山灰反应等一系列的作用，在防渗浆材内部形成了大量的凝胶体及结晶体，其中，凝胶体主要是因为较多的经水化作用而形成的硅酸钙胶体集聚而形成的，而结晶体则主要由水化产物钙矾石和氢氧化钙等晶体聚集而成，由于这些产物（聚结体、凝胶体和结晶体）在结构体内的形成并且持续发展，为特殊网状结构的生成提供了有利条件，这种网状结构主要由所生成的结晶体和聚结体混合而成。如图2.40所示，在这种网状体中，大量的空隙存在为在胶体中不易发生反应的惰性粒子提供了空间，大量的未反应颗粒填充在孔洞中，使得这种网状结构形成了较紧密的固结体。

图2.40　PBFC浆材SEM图像

其次，防渗浆材中由于水泥的水化反应作用产生大量性质稳定的凝胶体，大量的水化反应产物如水化硅酸钙（C2S，C3S等）、水化铝酸钙以及钙矾石等的产生进一步充填没有塞密实的孔隙或孔洞，与此同时，自身具有较好分散性的膨润土使得防渗浆材中的水化作用更加充分且分布较均匀，充分的接触面和空间加剧了C2S和C3S的产生速度。此外，水泥水化反应可以生成大量的Ca（OH）2，而存在于膨润土空间结构中的Na+和K+等活性阳离子可与Ca（OH）2中的Ca2+发生离子交换作用，从而使得膨润土可以与其产生二次水化反应，二次水化反应使膨润土颗粒的分散层变得更薄，同时，形成的胶体粒子之间可以彼此吸附，从而生成更大的聚集体填充在孔洞之间，进一步提高了浆材固结体的抗压强度，降低了其渗透系数。

再次，膨润土颗粒的二次水化反应使得大量的C-S-H凝胶产生，进一步提高结构中空隙的密实度，并且在空气与水的共同条件下，组合在一起的晶体结构渐渐硬化，使得外部环境中的微粒子难以进入，从而得到良好的抗渗性。与此同时，因为膨润土自身所特有的特性，即在水作用下体积会发生膨胀，使得在水化过程中浆材固结体缝隙得到补充而减小固结体的渗透系数。

最后，由于浆材中添加的调节浆材和易性的材料粉煤灰所产生的火山灰活化反应，这种反应主要从两个方面提高浆材固结体的密实度，其一是因为反应所产生的具有活性的物质充填于介于水泥和粉煤灰之间的水化膜层；其二是因为粉煤灰中的非活性粒子在膨润土和水泥之间生成蜂窝结构体系中逐步密实，从本质上讲，水泥-有机化膨润土防渗浆材渗透系数较小的原因归根结底就是因为种种水化及其他反应使得浆材的密实度一步步提高。与此同时，聚乙烯醇从一定程度上降低了水泥等的水化速度，但并不影响其水化作用、粉煤灰的火山灰反应等，因而使得7 d与28 d龄期的浆材固结体渗透系数相差较大。

龄期为28 d的浆材固结体渗透系数随渗透时间的变化趋势如图2.41所示，图中给出了在正交实验表中具有代表性的三组浆材（分别为黏土基浆材第5组及第6组，水泥基浆材第8组，其中5组及6组的渗透系数变化较大，因而6组应为一代表组，5组与6组同时也代表了1组与2组之间的差异）渗透系数在28 d内随时间变化的柱状图。在渗滤液的渗滤过程中，渗透初期（前8～10 d的时间）的渗透系数在逐渐增加，随后为减小态势。在渗透初期，渗透系数有较大的增加，且比率较大，一般在4～14 d增到最大值。随后随着渗滤的进行，单位时间滤出的水量逐渐减少，即浆材固结体的渗透系数逐渐减小，直至18 d后的相对稳定态势，即固结体在18 d以后渗透系数值相对较小，不同配比分别接近某一不同常数。

图2.41　渗透系数随渗透时间的变化趋势

由图2.14分析可知，防渗浆材固结体经过28 d的养护，水泥水化等过程基本完成，固结体密实度较大，渗透系数较小，随着时间延长，固结体中渗水通道形成，从而导致渗透系数增加，同时由于膨润土经有机化改性后的高吸附性及黏聚性，吸附渗水作用带入的细小颗粒，同时渗水通道内水泥、粉煤灰等进一步水化反应，致使通道阻塞，使渗透系数进一步减小，并逐渐接近于某一较小常数。与此同时，渗水通道出现时间不同，会导致渗透系数有一定的波动，但由于后期渗水通道相对比较细小，对渗透系数影响相对较小，柱状图波动幅度较小。

4）浆材固结体应力-应变的特性

通过室内无侧限抗压强度试验，得到了有机化膨润土-水泥浆材固结体（养护28 d）的无侧限抗压强度与变形之间的关系以及弹性模量、极限应变等力学参数。正交表中9组实验配方的无侧限抗压强度与轴向变形之间的关系如图2.42所示。

通过加载模拟分析得知，浆材固结体28 d凝期的竖向极限应变范围为3.68%～6.42%，弹性模量在200 MPa左右。在加压初期，与垃圾场周围土体应力变形曲线相似，近似直线，此阶段可视为弹性阶段；在堆载加压过程中，随着竖向应变的增加其抗压强度逐渐增加，初始强度增加缓慢；在达到浆材固结体极限强度时，曲线平稳下降而非突降，这说明防渗浆材的固结体具有明显塑性变性特征，其破坏形态体现为塑性破坏。

水泥-有机化膨润土浆材固结体的应力-应变曲线是软化型的。普通水泥土的应力-应变曲线在1%的应变以内就会出现峰值，而水泥-有机膨润土防渗浆材固结体极限应变可达到5%左右。这是因为固结体的骨架中填充了有机膨润土，使脆性骨架塑性化，从而使固结体有了更好的变形能力。

对比分析图2.42中各曲线，浆材配比的各因素对固结体应力及变形特性的影响不同。根据正交试验的结果，水泥是对固结体应力-应变曲线最重要的影响因素，即固结体28 d凝期的极限应变随水泥用量增加呈减小趋势，其余各因素对其轴向应力的最大值影响不显著。分析其原因是：水泥-有机膨润土浆材固结体骨架主要由水泥水化形成，水泥用量越多，其所形成的骨架越密集，强度越高。由此可知，水泥-有机化膨润土浆材固结体具有良好的力学性能，可在一定范围内适应垃圾场周围土体的变形要求。

图2.42　PBFC浆材无侧限抗压试验固结体的应力-应变曲线

防渗浆材中采用聚乙烯醇有机化膨润土，具有更高的防渗性能。其平均渗透系数为（0.53～1.86）×10-8cm/s，同普通钠基膨润土-水泥浆材渗透系数（1.3～5.5）×10-8 cm/s相比，其抗渗透性及对垃圾场渗滤液污染物的吸附阻滞性能更高。

5）PBFC浆材的配方确定

PBFC浆材各因素最优水平（质量百分比）：水泥18%～24%、膨润土18%～26%、粉煤灰17%～20%、聚乙烯醇0.2%～0.8%、减水剂0.01%～0.03%。最优组合为：水泥20%、膨润土22%、粉煤灰18%、聚乙烯醇0.5%、TOJ800-10A型聚羧酸高效减水剂0.03%与水泥24%、膨润土26%、粉煤灰19%、聚乙烯醇0.5%、TOJ800-10A型聚羧酸高效减水剂0.03%两组。

采用聚乙烯醇为改性剂的浆材固结体具有更低的渗透系数、更优的吸附阻滞性能及耐久性，完全满足垃圾安全填埋场防渗要求。