垃圾填埋场防渗能力研究结果

1）试验方案

不同配比的NBFC防渗浆材，其流动性和可泵期存在很大的差异，为了研究每个组分对浆材试验的影响，需进行大规模的试验，不仅难以操作而且因实验室条件会产生很大的误差。因而结合前期已取得的实验成果，决定采用正交试验方法，采用拟订的正交表对试验存在的多种因素进行安排，并分析当其变化引起的结果的变动。正交试验法需在所有的因素水平组中挑选一些具有代表性的组合进行实验，并从这些具有代表性的因素组合中分析出整个因素组合全面的试验情况，还可从其中挑选出最优级的因素组合，这样就大大减少了试验的次数，并且能从中获得理想的数据组合。但是正交试验法往往需要前期大量的试验作为选择代表性组合的基础。

根据前期浆材实验基础，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180～220 g/L，膨润土的掺量取180～220 g/L，碳酸钠的掺量取1.5～2.5 g/L，其余组分对实验影响较小，取固定值：粉煤灰的掺量为160 g/L，羧甲基纤维素钠的掺量为1.5 g/L，减水剂的掺量为3 g/L，为了对表中数据进行方差分析，预留一列空白列。采用L9（34）四因素、三水平正交试验法对防渗浆材的流动度和可泵期进行试验。正交试验结果见表3.10。

表3.10　防渗浆材的流动度与可泵期正交试验表

注：第9组初始流动度为135 mm，小于浆材施工所要求的140 mm，没有可泵期。

2）试验数据分析

（1）方差分析法

为了增加防渗浆材的流动度与可泵期正交试验表的精确度，现采用方差分析法对正交实验表中的数据进行分析，见表3.11。方差分析法可有效估计误差的大小，明确各因素的试验结果影响的重要程度。由表3.11可知，水泥、膨润土、碳酸钠的离差平方和均大于误差效应的77.78，因此，以上因素无须归并为误差效应重新进行计算。最后进行显著性检验，通过对不同查置信度的临界F值进行查表，本试验中，在置信度为90%时，临界值为：F0.10（2，2）=9.0。

由此可见，F0.05（2，2）＞F水泥＞F碳酸钠＞F膨润土，因此水泥属于显著影响因素，碳酸钠、膨润土在浆材流动度试验中属于次要因素。

表3.11　防渗浆材的流动度试验方差分析

（2）极差分析法

为了更直观地了解浆材的各指标随着浆材各组分掺量的增加而发生的变化趋势，采用极差分析法对浆材各组分的可泵期、流动度、流动度经时损失的影响进行分析，见表3.12至表3.14。

表3.12　防渗浆材的可泵期试验极差分析表

表3.13　防渗浆材的流动度试验极差分析表

表3.14　防渗浆材的流动度经时损失极差分析表

NBFC防渗浆材的可泵期、流动度和流动度经时损失的变化曲线如图3.10至图3.12所示。

由浆材的可泵期极差分析表和图3.10可知，随着碳酸钠掺量的增加，浆材的可泵期逐渐减小，并且减小的幅度较大，碳酸钠的掺量从1.5 g/L增加至2.5 g/L，防渗浆材的可泵期下降了30 min。防渗浆材的可泵期随着水泥和膨润土掺量的增加而减小。各组分对防渗浆材的可泵期影响效果从大到小排序依次为：碳酸钠＞水泥＞膨润土。

图3.10　防渗浆材各组分对可泵期的影响曲线

图3.11　防渗浆材各组分对流动度的影响曲线

图3.12　防渗浆材各组分对流动度经时损失的影响曲线(www.xing528.com)

浆材的流动度经时损失是由浆材的流动度和可泵期计算得到的，它反映的是浆材的流动度和可泵期之间的关系。随着碳酸钠和水泥掺量的增加，浆材的流动度经时损失总体表现出降低的趋势，而随着膨润土掺量的增加，浆材的流动度经时损失逐渐增大。

从浆材的流动度极差分析表和图3.11可知，水泥的极差值为16 mm，成为影响浆材流动度的主要因素，这与离差分析结果一致。经正交试验由于没能考虑碳酸钠与膨润土的耦合作用，浆材的流动度随膨润土掺量的变化难以判断。因此，为了进一步判断膨润土和碳酸钠掺量对浆材流动度和可泵期的影响，需进行单因素实验分析。

3）膨润土和碳酸钠对防渗浆材可灌性的影响

碳酸钠作为膨润土的钠化剂，对膨润土进行钠化作用，从而对浆材的流动度、可泵期产生作用，因此，为了考虑碳酸钠与膨润土之间的相互作用，采用单因素试验进行分析。根据正交实验结果，以水泥掺量200 g/L、膨润土掺量200 g/L、碳酸钠掺量1.5 g/L、粉煤灰掺量160 g/L、羧甲基纤维素钠掺量1.5 g/L、减水剂掺量3 g/L为基准配比，控制膨润土掺量为190～230 g/L，碳酸钠掺量为1～3 g/L，分别测试膨润土和碳酸钠各掺量下浆材的流动度与可泵期，具体试验见表3.15。

根据表3.15分别绘制的膨润土和碳酸钠对浆材流动度、可泵期、流动度经时损失的影响曲线如图3.13至图3.15所示。

表3.15　膨润土和碳酸钠对浆材流动度和可泵期的影响

图3.13　膨润土和碳酸钠对浆材的流动度的影响曲线

图3.14　膨润土和碳酸钠对浆材的可泵期的影响曲线

图3.15　膨润土和碳酸钠对浆材的流动度经时损失的影响曲线

从上述分析可知，随着碳酸钠掺量的增加，防渗浆材的流动度和可泵期呈现减小的趋势，且减小的趋势较为明显，在碳酸钠的掺量达到2.5～3.0 g/L时，浆材的流动度和可泵期几乎不能满足施工要求，因此，为了获得较好的工程性能，需要严格控制碳酸钠的掺量。随着膨润土掺量的增加，浆材的流动度和可泵期也均呈现减小的趋势，但是膨润土的掺量从190 g/L增至230 g/L，浆材的流动度和可泵期只分别减小了15 mm和45 min。相比于碳酸钠掺量从1 g/L增至3 g/L，浆材的流动度和可泵期分别减小80 min和125 min，膨润土掺量变化对浆材流动度和可泵期的影响显得较小。

图3.15反映的是浆材的流动度随时间的增长而损失速率的快慢，浆材的流动度经时损失越大，代表单位时间内浆材的流动度减小值越多；反之，则越少。膨润土的掺量从190 g/L增至230 g/L，浆材的流动度经时损失从32 mm/h增至42 mm/h，说明随着膨润土掺量的增加，浆材流动度在单位时间减小得越来越快，不利于垃圾填埋场防渗浆材长距离运输的要求。随着碳酸钠掺量的增加，浆材的流动度经时损失逐渐减小，说明碳酸钠掺量的增加可以有效减缓浆材流动度随时间逐渐减小的速度，对浆材的流动度具有一定的保持作用，该结果与上述极差分析结果相一致。

4）防渗浆材流动度与可泵期的SEM微观分析

膨润土的主要成分为蒙脱石，其单元结构是由两层（SiO4）四面体夹一层[AlO2（OH）4]铝氧八面体，由于晶层中的氧层间联系力不大，蒙脱石单元结构的c轴上具可变性。蒙脱石晶体中的Ca2+容易被碳酸钠中的Na+离子置换，这就使其具备了被钠化的条件。钠化后蒙脱石单元晶体的c轴间的距离便会具备更强的可变性，这就使得钠基膨润土拥有更好的吸水膨胀性、阳离子交换能力，为其他分子进入其中进行改性和复合提供了优异的条件。

钠化过程一般不能全部完成，这时膨润土会以悬浮物的形式分散在液体中，钠化过程大多数只能在膨润土的表面进行，其次随着浆液中钙离子含量的增多，也会对钠化反应起到抑制作用。钙基膨润土经钠化转变为钠基膨润土后，吸水量可由原来的200%增至500%，这就使得浆材中的自由水含量大大减小，从而解释了随着碳酸钠掺量的增加，浆材的流动度和可泵期具有大幅的降低。由于防渗浆材中的自由水含量较低时，水泥发生水化反应所需的水量不足，水泥发生反应的速率降低，形成凝胶体量减少，对浆材的流动度经时损失具有一定的保持作用。

钙基膨润土的吸水速度快，因此流动度经时损失较大；而钠化后的膨润土虽然吸水量大，但是吸水速度缓慢，这就是浆材中的自由水缓缓减少而不是立刻被吸收，这也表现为浆材流动度经时损失较小。另外羧甲基纤维素钠的掺入也可使浆材具有一定的黏度，可有效地保持浆材中的水分，减少流动度经时损失，使其在高温高压状态下仍具有一定的流动度。实验得知，取羧甲基纤维素钠配置成溶液直接加入未经钠化的膨润土中，膨润土颗粒处于悬浮状分散在溶液中，其吸水膨胀性并无明显变化。

为了进一步研究碳酸钠对膨润土的钠化作用及羧甲基纤维素钠对膨润土的改性作用，进行防渗浆材流动度与可泵期的SEM微观分析。以水泥掺量200 g/L、膨润土掺量200 g/L、碳酸钠掺量1.5 g/L、粉煤灰掺量160 g/L、羧甲基纤维素钠掺量1.5 g/L、减水剂掺量3 g/L为基准配比，另取一组不添加碳酸钠和羧甲基纤维素钠的膨润土浆材固结体，待养护后，与基准配比得到的同期浆材固结体在电镜扫描试验下进行比较，其SEM图如图3.16、图3.17所示。

图3.16　未添加碳酸钠和羧甲基纤维素钠的浆材固结体SEM图

图3.17　添加碳酸钠和羧甲基纤维素钠的浆材固结体SEM图

对比图3.16与图3.17可以看出，添加碳酸钠和羧甲基纤维素钠的浆材固结体相比于同期未添加碳酸钠和羧甲基纤维素钠的浆材固结体，膨润土颗粒结构更加饱满，浆材固结体的空间网格结构更加密实牢固。这是因为掺入碳酸钠后，膨润土晶层间的距离可变性随之增强，羧甲基纤维素钠分子也会与晶层中的离子发生交换作用，使其可以更好地镶嵌入其中，膨润土的吸水性、膨胀性也得以增强，这表现为浆材流动性和可泵期的降低。