（岩土工程专业论文）利用桐油、糯米汁改良土体环境土工特性的研究.pdf

摘要 本文以垃圾填埋场、危险废弃物填埋场、贮灰场等的衬垫性能要求为背景， 在已有工作的基础上深入研究。将糯米汁和桐油按照适当的比例添加到萧山粘 土、粉土和粉质粘土中，针对各领域所关心的渗透性、抗剪强度、干湿循环及对 污染物的阻滞性能等开展研究，旨在改良土体的物理力学特性及环境土工特性。 本文还通过扫描电子显微镜( s e m ) 的观察，从微观角度分析，揭示糯米汁和桐 油对土体的作用机理。主要研究内容及成果如下： 1 、充分利用桐油易于氧化成膜的特性，改进了萧山粘土混合土的土样制备 工艺，达到渗透性小，质量稳定的要求。 2 、通过较长时间的渗透试验发现，萧山粘土混合土的渗透系数较原土样下 降了两个数量级，粉土和粉质粘土混合土的渗透系数下降了一个数量级；渗滤液 的渗透系数比水的渗透系数稍小，表明了桐油分子膜比较稳定。 3 、研究粉质粘土混合土的强度发现，糯米汁和桐油的存在使土体的抗剪强 度降低了，其效果与对萧山粘土的强度的影响截然不同，粉质粘土混合土的干湿 循环后特性也比较复杂。 4 、研究溶质在混合土中的运移，发现溶质在混合土中的扩散系数大大降低， 但吸附能力有所下降；利用g e o s l o p e 软件对溶质的运移进行分析，考虑溶质运 移的非线性，提出了一种新型夹心式衬垫设计方案，其对溶质迁移的阻滞性能明 显优于单层衬垫。 5 、通过扫描电子显微镜( s e m ) 观察，尝试了从微观结构角度阐述了糯米 汁和桐油对土体的作用机理。 总之，试验研究表明经桐油和糯米汁改良后的混合土体的环境土工特性得到 了较大的改善。 关键词：桐油；糯米汁；衬垫；填埋场；渗透系数；强度；扩散系数；阻滞因子； s e m 。 g e o e n v i r o n m e n t a lp r o p e r t i e sr e s e a r c ho fs o f ti m p r o v e d b yt u n go i la n d s t i c kr i c ej u i c e a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h el i n e ro fl a n d f i l lm s w , t h el i n e ro ff l ya s hs t o r a g e ， t u n go i la n dt h es t i c k yr i c ej u i c ea r em i x e di nc l a ya n ds i l t i na n c i e n to fc h i n a , s t i c k yr i c ej u i c ea n dt u n go i la r ei m p o r t a n tc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s s t i c k yr i c ej u i c ei s am a t e r i a lo fh i g hs t i c k i n e s sa n da d s o r p t i o n ，a n dl o we x p a n s i b i l i t ya n d c o n g l o m e r a t i o n ，s ot h a t i tc a l lc e m e mc l a yg r a i n s ；t u n go i lh a sm a n yb e n e f i c i a l p r o p e r t i e s ，s u c ha sh i 曲s o l i d i t ya n da d s o r p t i o n ，l o ws t i c k i n e s s ，g o o dr e s i s t a n c et oa c i d ， a l k a l i ，w a t e r , s u n l i g h ta n da t m o s p h e r e f o r m e rr e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h em i x e d s o i l ( c l a yo rs i l t ，s t i c kr i c ej u i c ea n dt u n go i l ) h a v et h ep r o p e r t yo f l o w e rh y d r a u l i c p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，h i g h e rs t r e n g t ha n db e t t e ra d s o r p t i o nc a p a c i t ya n dd i f f u s i o n c a p a c i t y t o h e a v y m e t a li o n t h a tg r e a t l y i m p r o v e s t h eg e o t e c h n i c a l a n d g e o e n v i r o n m e n t a lp r o p e r t yo f t h em i x e ds o i l f u r t h e rr e s e a r c hf o rt h em i x e ds o i lh a sb e e nd o n eo nt h eb a s eo nf o r m e rr e s u l t s t h es t i c kr i c ej u i c ea n dt u n go i l ，a st h es a m er a t i oo ft h em i x e ds o i l ，a r em i x e dt o t h es i l ta n ds i l t yc l a yi no r d e rt oi m p r o v et h ep h y s i c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dt h e g e o e n v i r o n m e n t a lp r o p e r t yo ft h em i x e ds o i l t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fs o i lw i t h s t i c kr i c ej u i c ea n dt u n go i li s a n a l y s e d i nt h em i c r o s t r u c t u r eo fc l a y t h e g e o t e c h n i c a la n dg e o e n v i r o n m e n t a lp r o p e r t yo ft h em i x e ds o i la r ei n v e s t i g a t e di nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 f u r t h e rr e s e a r c hi m p r o v e st h em i x e dc l a ys a m p l e sp r e p a r a t i o np r o c e s s a c c o r d i n gt om e c h a n i s mo ft u n go i lo x i d a t e ds u r f a c e ，t h es o i ls a m p l ew a sm a d e s e v e r a lt h i n n e rl a y e rt of u l l ye x p o s ei nt h ea i r , t h eo i lf i l mo ns u r f a c ew i l lb eo x i d a t e d a n dd r i e db yt h eo x y g e n ，h a r ds u r f a c ew i t hl a r g eq u a n t i t yo fm o l e c u l es u f f i c i e n t l y i n d i c a t et u n go i l sp r o p e r t y 2 c o m p a r e dt h ec l a y , s i l t ，s i l t yc l a yw i t ht h er e l a t e dm i x e ds o i l s ( a d d e ds t i c kr i c e j u i c ea n dt u n go i l ) d i s a p p e a rt h a tt h em i x e ds o i l sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti sl o w e r t h a nt h a to ft h eo r i g i n a lc l a yb y2o r d e r so fm a g n i t u d ea n dt h es i l ta n ds i l t yc l a ym i x e d s o i l si sl o w e rt h a nt h eo r i g i n a lb y1o r d e ro fm a g n i t u d e s ot h em i x e ds o i l s p e r m e a b i l i t yi m p r o v e m e n te f f e c ti sb e s t f o rt h em i x e ds o i lp e r m e a b i l i t yt e s tr e s e a r c h , t h ea c t i o no ff i l t r a t el o w e r st h em i x e ds o i lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t i ts t a t e st u n go i l m o l e c u l es u r f a c ei sn o te r o d e db ya l lk i n d so fc h e m i c a l si nf i l t r a t e s ot h es o i l sh i 曲 m o l e c u l es u r f a c ei se n o u g hh a r d 3 s t r e n g t hr e s e a r c ho ft h es i l t yc l a ym i x e ds o i ld i s a p p e a rt h a ta d d e ds t i c kr i c e j u i c ea n dt u n go i lr e d u c es o i l ss h e a f i n gs t r e n g t h t h er e s u l ti sf u l l yd i f f e r e n tw i t h t h e c l a y ss h e a r i n gs t r e n g t h f o rt h es t r e n g t hr e s e a r c ho fs i n yc l a ya n dt h er e l a t e dm i x e d s o i l ，t h ew e t t i n g d r y i n gc y c l ew i l lr e s u l ti nr e d u c eo ft h es i l t yc l a ym i x e ds o i l s c o h e s i v es t r e n g t ha n df r i c t i o na n g l e s ou n d e rc o n d i t i o no fw e t t i n g - d r y i n gc y c l e ， s t r e n g t ho ft h es i l t yc l a ym i x e ds o i li s n tb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a ls o i l 4 a d o p t e dn o l i n e ra d s o r p t i o nm o d e la n dg e o s l o p es o f t w a r et oa n a l y z et r a n s p o r t o fp o l l u t i o n ，t h es a n d w i c hl i n e ri sp r e s e n t e d t h es a n d w i c hl i n e rh a sg o o de f f e c tt o i m p e d et h ep o l l u t i o n 5 b ys c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) o b s e r v a t i o n ，s t u d yo ft h em i x e d s o i l sm i c r o s t r u c t u r ei n d i c a t ew o r k i n gm e c h a n i s mo fs o i lw i t hs t i c kr i c ej u i c ea n d t u n go i l t h ep h o t o si n d i c a t ea g g l o m e r a t i o nt o o kp l a c ei nt h et e s t e ds o i la n dl a r g ea n d d e e ph o l e sf o r m e d k e yw o r d s ：t u n go i l ；s t i c k yr i c ej u i c e ；c l a yl i n e r ；l a n d f i l l ；p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ； s h e a rs t r e n g t h ；d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，a d s o r p t i o nc a p a c i t y ；s e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：矿蕾红 签字日期： 一锣年b 月l2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：i 他 签字日期：钟易月砂日 导师签名：尾吃扒 签字日期：埘年月l z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：己害旧啄易7 修匀司 电话：西1 咕钎刃9 纠 浙江大学工程硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 在我国经济高速发展，人民生活水平迅速提高的背景下，城市固体废弃物产 出量也在急剧增加，2 0 0 5 年底已达到1 3 亿吨。在城市固体废弃物处理方面，目 前采用的方法主要有：卫生填埋、焚烧、混合堆肥等。由于安全填埋几乎能处理 所有的城市固体废弃物，且所需费用较少，所以在发达国家至今仍是最普遍使用 的处理方法。考虑到我国的实际情况，城市固体废弃物的安全填埋是目前最为经 济、方便和适用的处理方法，也是未来相当长的时间内处理城市固体废弃物的主 要手段。由于垃圾产量大大增加，而且含有有毒有害物质，因此造成环境污染的 可能性也大大增加，并且随着人们对垃圾填埋场的环境影响越来越重视，垃圾填 埋场的设计、建设和运行等各环节的管理也越来越严格，其中填埋场基底的防渗 效果最为关键。垃圾填埋场一旦渗沥液泄漏，必然会对地下水或地表水水体造成 污染，其危害往往要延续很长时间，少则几年，多则十几年，且无法采用任何治 理措施消除这种污染。由此可见，垃圾填埋场防渗层的质量是至关重要的。 ( 2 0 0 4 年中国环境状况公报显示，2 0 0 4 年我国危险废弃物产生量达到9 6 3 0 万吨，其危害程度远远大于以生活垃圾为主的城市固体废弃物。杭州天子岭填埋 场二期( 生活垃圾为主) 库容为2 2 0 0 万立方，预计造价为3 4 亿元，平均1 5 5 元立方；而( 2 0 0 5 年全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划中，杭州危 险废弃物填埋场库容为1 2 6 万立方，国家发改委确认投资为2 1 亿元，平均1 6 6 6 元立方，是一般填埋场的1 0 0 多倍。大量的投资集中在隔离和防渗衬层中，常 用的材料是土工膜和土工合成材料粘土衬垫( g c l ) 。 贮灰场是大型燃煤火力发电厂的一个重要的水工生产设施。主要用来堆放锅 炉燃烧后的底煤灰，其产出的粉煤灰的成分主要是活性二氧化硅( s i 0 2 ) 和活性 三氧化二铝( a 1 2 0 3 ) ，一般情况下s i 0 2 、a 1 2 0 3 的总含量大于7 0 ，其余成分包 括三氧化二铁( f e 2 0 3 ) 、氧化钙( c a o ) 、氧化镁( m g o ) 、三氧化硫( s 0 3 ) 和 氧化钠和氧化钾( n a 2 0 + k 2 0 ) 等。根据我国电力行业标准( d l t 5 3 3 9 2 0 0 6 ) 浙江大学工程硕士学位论文 的要求，贮灰场对环境的影响必须符合现行国家环境保护法规的有关规定。特别 对大气环境、地表水、地下水的污染必须有防治措施，并应满足当地环保要求。 因此，贮灰场的设置要必须对其浸出液严格控制，并且要严格地控制这些浸出液 污染当地的水资源环境。 建筑物屋顶防渗问题也一直是个很难彻底解决的问题。主要原因是屋顶气候 变化太大导致防渗材料老化，以及防渗材料的性质与混凝土差异太大，产生的如 热胀冷缩性能的大差异很容易导致防渗材料与混凝土脱开。目前防渗材料几乎不 透气，这样会导致屋面内部的湿气，此外，屋面绿化的大范围采用，更需要开发 防渗性能好、与环境友好特别是与耕植土友好的防渗材料。日本著名的清水建设 技术研究所致力于屋顶绿化用高分子防渗材料的开发，但高分子防渗材料的热胀 冷缩性能与透气性能不好的问题始终很难解决。 以上提到的填埋场、贮灰场的衬垫系统和建筑屋顶材料对渗透性、强度和环 境土工特性等均有要求。填埋场衬垫的防渗性能、强度、阻滞污染物的性能必须 达到环保规定的标准；贮灰场里刚燃烧后的底煤灰温度很高，温度变化剧烈导致 衬垫易干裂，灰场也要考虑防止浸出液污染地下水及周边环境；建筑屋顶主要要 求防渗性能好，抗干裂性能好。鉴于以上各领域涉及到的环境岩土工程问题，此 处以填埋场的衬垫为代表，介绍其现有情况及目前的研究进展。 1 1 1 填埋场的防渗系统 根据我国建设部2 0 0 4 年颁布的城市生活垃圾卫生填埋技术规范 ( c j j l 7 2 0 0 4 ) 中的规定，具备自然防渗条件的填埋场必须满足，“衬里的渗透 系数不应大于1 0 1 0 。1 e m s ，场底及四壁衬里的厚度不应小于2 m 的要求。一 般说来，岩、土层的渗透系数能满足上述要求的天然场址是较难遇到的，因此， 通常需要进行人工防渗。目前国内采用的填埋场底部防渗措施主要有垂直隔离防 渗和水平防渗。 2 浙江大学工程硕士学位论文 ( a ) 垂直帷幕注浆防渗 土工膜土工网土工织物 ( 第二层衬垫) ( b ) 水平防渗 图1 - 1 填埋场的防渗形式 垂直隔离防渗适用于山谷地形，因其沟谷为独立完整的水文地质单元，其形 式见图1 1 ( a ) 。常见的用于控制污染物迁移的垂直隔离措施有：帷幕注浆、竖向 隔离墙、深层搅拌桩墙、钢板桩墙、高压喷射灌浆板墙等。垂直帷幕注浆防渗具 有技术可靠，价格便宜等特点，在早期的填埋场工程中常作为首选方案，如1 9 9 0 年建成的杭州市天子岭垃圾填埋场一期工程和1 9 9 5 年建成的福州市红庙岭垃圾 填埋场都采用了该方法进行场底防渗。 水平防渗通常是采用天然或人工衬里材料，在需要进行防渗的区域内全面积 铺设，适用于防渗标准要求较高或缺乏天然隔水层的工程，其基本形式见图 1 - 1 ( b ) 。我国目前采用的水平防渗方式常见的有：膨润土或粘土水平防渗，如北 京北神树垃圾填埋场和阿苏卫垃圾填埋场；土工膜水平防渗，如深圳市下坪生活 垃圾卫生填埋场和苏州七子山垃圾填埋场。水平防渗的最大优势是：防渗材料可 根据不同技术要求进行加工、选择及组合；施工过程是完全敞开的，便于全程控 制施工质量，以满足填埋场较高的防渗要求。 浙江大学工程硕士学位论文 1 1 2 填埋场衬垫系统存在的问题 在垃圾的长期填埋过程中，由于压实、降雨和微生物的分解作用，以及其他 生物化学反应等，将从垃圾填埋场中渗出一种高浓度的有机废水一渗滤液。垃圾 渗滤液的产生主要有以下原因：一是在填埋过程中大气降雨和地表径流的渗入， 渗入水在填埋场内渗流的过程中，和废弃物发生物理、化学和生物反应( 淋溶作 用) ，带走固体废弃物中的有机及无机的降解中间产物和最终产物，形成垃圾渗 滤液；二是垃圾中原有的水分在废弃物的自重挤压作用下排出；三是垃圾中的部 分有机质在微生物的分解作用下，产生高浓度的污染液( r o w ee t a l ，1 9 9 6 ) 。 为阻止填埋场内产生的渗滤液污染地下水和土壤，发挥填埋场“堵 的功能， 填埋场必须采取有效的隔离措施，如：在填埋场底部和侧部铺设防渗衬垫等。为 此，我国建设部在城市生活垃圾卫生填埋技术规范( c j j l 7 2 0 0 4 ) 中规定， 粘土类衬里和改良土衬里必须满足，“衬里的渗透系数不应大于1 0x1 0 7 e m s ， 场底及四壁衬里的厚度不应小于2 m ”的要求。如不具备此条件，宜采取自然和 人工结合的防渗技术措施。我国目前仅对填埋场防渗系统提出了渗透系数和层厚 的要求，而对填埋场内浸润线的高度并未加以限制。这对于干旱少雨地区而言是 可行的，但对多雨潮湿地区的填埋场是否适用还有待深入研究。当填埋场由于覆 土不及时，或渗滤液集排系统阻塞等原因，造成填埋场内渗滤液水头较高时，即 使底部衬垫的渗透系数较低，仍不能阻止渗滤液通过衬垫系统的渗漏。不仅如此， 由于渗滤液中污染物浓度较大，衬垫系统上的浓度梯度造成的污染物渗漏也是不 可忽视的( 唐晓武等，2 0 0 5 ) 。即使衬垫上无水头作用，渗滤液中的污染物仍将 在化学扩散的作用下发生迁移。可见，渗滤液中污染物通过填埋场衬垫的渗漏是 渗滤液水头、污染物浓度梯度等综合作用的结果。 1 1 3 填埋场防渗材料 填埋场防渗系统，主要是防止渗沥液污染地下水以及防止地下水涌入填埋 场。通常的防渗设计可采用天然防渗层或人工防渗层。针对不同的防渗层可采用 不同的材料。 1 天然粘土材料 4 浙江大学工程硕士学位论文 天然粘土单独作为防渗材料必须符合一定的标准，粘土的选择主要根据现场 条件下所能达到的压实渗透系数来确定。在最佳含水量下，当压实度到9 0 9 5 的最大普式干密度时，渗透性很低( 通常为1 0 。7 c m s 或更小) 的粘土可以作 为填埋场衬层材料。具有下列特性的粘土适宜做衬层材料：液限( l ) 在2 5 3 0 之间；塑限( 6 0 p ) 在1 0 - - 1 5 之间；0 0 7 4 m m 或更小的粒度所占比 例在4 0 - - 一5 0 之间；粒径小于o 0 0 2 m m 的粘土含量在1 8 - - 一2 5 ( 重量百 分比) 之间。 2 人工改性粘土 人工改造粘土层是由天然粘土经人工改性压实而成，改性压实的目的是将 松散、不匀的粘土层压实成均匀分布、低渗透性的土层。现在国内外对天然粘土 进行人工改造时普遍加入填料对粘土层改性，以增进其防渗效果。主要的改造填 料有添加膨润土、石灰、粉煤灰等具有吸湿膨胀性的材料，使粘土层渗透系数降 低并具有自我修复能力。 1 ) 膨润土改性技术 在天然粘土中添加少量的膨润土矿物，来改善粘土的性质，使其达到防渗材 料的要求。国内外研究成果证明膨润土改性粘土在填埋场上程中有很大的发展前 途。膨润土优于其它无机添加剂，主要在于它具有吸水膨胀和巨大的阳离子交换 容量。一般膨润土吸水后，其体积膨胀可达1 0 3 0 倍。因此，在粘土中添加膨润 土，不仅可以减少粘土孔隙，使其渗透性降低，而且可以提高衬里吸附污染物的 能力，同时也可使粘土衬里的力学强度得到提高。 2 ) 粉煤灰改性技术 何俊宝( 1 9 9 8 ) 3 0 用天津市及其郊区广泛存在的某些廉价材料( 主要是粉煤灰 和粉质粘土) 进行复合防渗技术试验研究。试验研究表明：当复合土容重为 1 8 9 e m 3 ，粉煤灰在复合土中的最佳配比为2 5 ，含水量控制在1 5 2 5 时，复 合土的渗透系数达到1 0 。7 c m s 数量级，基本符合部颁标准要求，该项复合防渗技 术既可节省大量的优质粘土，又可消纳相当数量的工业废渣，降低了建设费用， 具有明显的经济效益和环境保护效益。 3 ) 有机处理技术 采用有机处理的粘土能使衬里有效地去除有机污染物并控制渗滤液。i r e n e ( 1 9 9 7 ) 提出这种观点，并进行了一系列的实验。实验表明这种经过季胺 浙江大学工程硕士学位论文 ( q u a t e r n a r ya m m o n i u m ) 处理的有机粘土( o r g a n o c l a y ) 的液限为6 1 ，塑性指数为 2 0 ( 一般液限为2 0 ，塑性指数大于7 的土壤适合于衬里的建造( b e n s o n ， 1 9 9 4 ) ) ，并且这种粘土对酚有很强的吸附性能。这种有机粘土衬里具有阻滞污染 质迁移和减少渗滤液渗透的作用。j a m e s 和p e t e r ( 19 9 4 ) 也报道了有机处理的膨 润土具有1 0 。8 c m s 数量级的水力传导系数和比常规粘土衬里大得多的苯吸附容 量。l a u r a ( 1 9 9 7 ) 也提出了一种新型的c r c 粘土( c o n t a m i n a n tr e s i s t a n tc l a y ) 即能抵抗污染质的破坏，也可以解决污染质对膨润土衬里的破坏问题。通过一系 列的测试，如美国石油局( a p i ) 液体损失实验，固定渗透层水力传导实验和一种 新型的顶部荷载滤压测试，对这种新型的c r c 粘土的有效性进行了评估，而同 时进行的一系列的综合测试表明在g c l s ( g e o s y n t h e t i cc l a yl i n e r s 土工合成粘土 衬里) 中使用的膨润土易受某些污染质的影响，性能下降。 3 人工合成材料 人工衬底材料成为国内外研究的热点，一般采用渗透系数低、机械强度大、 抗腐蚀能力强、抗老化的复合材料膜，如沥青、合成材料等。目前应用比较广泛 的是土工织物膨润土垫g c l 。 g c l 是由两层或多层的土工织物中间加一层膨润土粉末而成的一种复合材 料，其主要组成部分是膨润土粉末层，它具有高膨胀性和高吸水能力，湿润时透 水率很低，外层的土工膜主要起保护和加固作用，使g c l 具有一定的整体抗剪 强度。与其他的人工衬层相比，其遇水后厚度增大，不易被刺穿，即使出现漏水 点也会因膨润土的膨胀迁移而自动愈合。与粘土密封相比，g c l 的优越性主要 表现在：体积小、重量轻、施工简单，并且具有较高的强度。 1 1 4 改性粘土在垃圾填埋场中的用途 l o 等( l oe ta 1 ，1 9 9 6 ；l oe ta 1 ，1 9 9 7 ；l o & m a k ，1 9 9 8 ；l o & y a n g ，2 0 0 1 ) 提出使用有机改性粘土能去处渗滤液中高强度的有机污染物并能减少淋滤液的 流动。研究了各种可能影响改性粘土阻滞污染物移动的物理和化学因素，包括结 构的稳定性、土壤的冻胀性、不同p h 下对非极性和极性有机离子的吸附性以及 不同有效应力下的化学渗透力。当粘土中有机污染物浓度很高时，其渗透系数会 大大增加。同时，l o 提出了一种设计衬垫系统的新方法，目的是控制渗透系数 6 浙江大学工程硕士学位论文 和阻滞污染物的扩散。采用b a t c h 试验研究了麦克斯粘土( 纯粘土) 和有机化粘 土( 有机胺处理的商业粘土) 阻隔渗滤液和污染物移动的性能，结果表明麦克斯 粘土转移铅的能力比有机化粘土高1 2 倍。 刘长礼等( 2 0 0 0 ) 研究了用膨润土砂土混合材料作为填埋场渗层对垃圾污染 质的阻隔能力和防渗性。在不同级类的砂中加入膨润土，当含量达到5 时，防 渗性能约达1 0 。9 c m s ，且城市垃圾渗透液中的污染质对混合材料防渗性能的影响 不大己达到城市垃圾填埋场对防渗衬热性能的要求。另外，改性膨润土对重金属 离子的吸附性能可用于控制重金属离子对土壤的污染。 1 2 现有防渗材料的局限性 土工膜是填埋场中的主要防渗材料，一般要求其原材料为高密度聚乙烯 ( h d p e ) 。对填埋场来说h d p e 膜是一种优点( 适应性) 和缺点都很突出的衬 垫材料。其优点为：良好的防渗性能，其渗透系数小于1 o 1 0 1 2 c m j s ；对大部 分化学物质有抗腐蚀能力；具有良好的机械和焊接特性：可制成各种厚度 ( o 5 3 5 m m ) 。其突出的缺点是对双轴向拉力的承受能力是非常低的( 具体表现 为耐不均匀沉陷能力较差，耐穿刺能力较差) 。h p d e 作为填埋场垫层使用时， 有些重金属离子或是有机污染物会穿过膜的交接处或直接穿透膜污染地下水，且 h d p e 几乎没有吸附性能( 刘长礼等，1 9 9 9 ；r o w e 等，1 9 9 6 ；b e n s o n ，2 0 0 0 ； b o u a z z a 等，2 0 0 2 ) 。土工膜的耐久性近来也是受到普遍关注的问题，许多文献 报道过对其用于垃圾填埋场的理论与实践研究成果，认为土工膜的老化与衰变机 理来源于其膨胀、受紫外线破坏、掺合料析出、生物侵害和氧化降解等影响。 h d p e ( 高密度聚氯乙烯) 也被广泛用于水库或湖泊的防渗，但随着环保意 识的增强，其使用受到了限制。如在圆明园修复过程中，采用h d p e 会完全阻隔 膜下土壤呼吸的通畅，危及整个圆明园的生态系统，国家环保总局最终下达了拆 除防渗膜，回填粘土和湖底淤泥的命令。采用h d p e 的初衷是提高防渗性能，增 加水深和库容( 圆明园水深很浅) ，如能在粘土中添加某些环境友好材料降低其 渗透性，则可大幅度减少粘土层厚度，加大水深和库容。 g c l 是在垃圾场建设中主要是用在底部衬垫中完全或部分取代压实粘土， 浙江大学工程硕士学位论文 这时是放在土工膜之下，并与之密贴：另一种是放在土工膜之上，保护土工膜， 使不致被上覆粒料破坏，防水功能为次，其他的用途是水池、污水池、水渠等处 的防渗。在应用中，它们将与其他材料相接触，因而也会产生一些问题：如在施 工和使用中可能被刺穿，导致其渗透性增大；如使用条件变化较大，其长期抗干 裂性能较差，也将导致其渗透性增大；g c l 中膨润土很薄一般只有几毫米，其 吸附能力也有限；在长期使用中，g c l 会发生收缩从而在搭接部分开裂，导致 整个g c l 失效( 刘长礼等，1 9 9 9 ) 。 在衬垫系统中，处于最外层的是基土。从上面的材料中可以看出，包含土工 膜和g c l 和集液层也存在渗漏的危险，这样粘土层就是最基本也是最后的防线。 但目前对粘土层的要求并没有实质性的提高，还是停留在渗透系数小于1 o 1 0 c m s ，厚度也大体在6 0 1 0 0 c m 。因此，提高粘土材料的防渗性能，增强对污 染离子的吸附性能以及提高其强度是具有一定意义的。 1 3 桐油和糯米汁的基本性质 桐油是我国的特产，源于可再生得到油桐树果实，其主要成分是桐油酸三甘 油酯，即十八碳共轭9 ，1 1 ，1 3 酸三甘油酯，具有良好的聚合反应活性和优异的 成膜性，成膜干燥速度快、机械强度高、附着力强、耐腐蚀性好( 蒲侠等，2 0 0 3 ) ， 分子式可表示为： c n a ( o t 2 ) 3 - c h c h 一佣寄硼一c h c 珏一( 研 o - l a ( o t 2 ) 3 一傩篇c h c i 篇c l l c h c l l 一 o t 3 ( c h 2 ) 3 一傩础锶一c h 鸳c h c h 罱c l 一勰 一般认为，如果油脂含有较多的共轭双键( 共轭双键以c = c - - c = c 为基本单位) ， 油的干性就好。从分子式可看出碳链上含有多个不饱和的碳碳双键，特别是共轭 双键，赋予其化学反应活性较大的特点。含共轭双键的桐油干燥速度比其它含非 共轭双键的干性油快。因此桐油在空气中易氧化成膜，干性油交联成膜可以分为 8 l 髓l 慑唧l 吲l 鲫 一 一 一 浙江大学工程硕士学位论文 三个阶段：首先是导入期，天然抗氧化剂被消耗，然后是氧化期，最后是一系列 的自动催化反应，交联成膜。共轭干性油成膜不仅仅是自由基的化合形成交联， 还有自由基聚合引发链增长聚合，使油分子逐步互相牵连结合，分子不断增大， 最终生成聚合度不同的高分子，并以这种高分子为主形成胶体薄膜( 刘玉环等， 2 0 0 5 ) 。 作为一种性能优良、来源丰富的干性油料，桐油已在民间广泛应用于木器、 农具、船只、雨伞等的涂布，起到防虫蛀、防潮、防水侵蚀等保护作用，是目前 使用的各类植物油中干性最好的。糯米汁具有粘性大、吸附强、胀度小、韧滑、 弱凝沉性等特点( 赵则胜，1 9 9 2 ) 。我国利用桐油、糯米汁等传统有机材料来改 良土体具有非常悠久的历史，如古长城、西安城墙( 汉、唐) 、南京明城墙等。 在不断改进夯筑工具和提高夯筑能量的同时，还在土体中添加石灰、糯米汁、铁 粉、发丝等材料对土体加以改进以提高其强度、抗渗性及耐久性等。添加了糯米 汁和桐油的土体的还具有施工性能好的特性，不会出现h d p e 、g c l 那样的搭接 问题。 1 4 本文的主要工作 林廷松( 2 0 0 6 ) 已通过大量试验对添加了糯米汁和桐油的萧山粘土混合土的 物理特性、力学特性、环境土工特性进行了研究，确定了萧山粘土、糯米汁、桐 油的最佳质量配合比为9 0 5 ：5 ，在此比例下，混合土具有较低的渗透系数， 较高的强度，对重金属离子有较好的吸附能力，极大地改善了萧山粘土的力学特 性及环境土工特性。 本文在此基础上进一步对萧山粘土混合土研究。由于相对于粘土而言，粉土 和粉质粘土性状改变少，有利于大规模生产时的质量控制，本文也将糯米汁和桐 油添加到粉土或粉质粘土中，以期改善粉土或粉质粘土的物理力学特性及环境土 工特性，并从微观结构分析糯米汁和桐油对土体的作用机理。本文所做的主要工 作如下： ( 1 ) 对土样的制备工艺进行了深入的研究，改进了萧山粘土混合土的土样 制作工艺，鉴于桐油的氧化成膜机理，在制备土样时，先把土样制成若干薄层， 9 浙江大学工程硕士学位论文 尽可能使桐油分子与空气充分接触，让其自然干燥氧化形成高分子油膜以充分发 挥桐油的性质，但粉土和粉质粘土的薄层制样较难控制，无法实现和萧山粘土混 合土样相同的制样方法。 ( 2 ) 分别对比萧山粘土、粉土、粉质粘土与添加了糯米汁、桐油后的混合 土的渗透系数，发现萧山粘土混合土的渗透系数较原萧山粘土下降了两个数量 级，糯米汁、桐油对萧山粘土的渗透性能改善效果最好，粉土混合土和粉质粘土 混合土的渗透系数较原土样均降低了一个数量级。 ( 3 ) 研究萧山粘土混合土对渗滤液的渗透试验，发现在渗滤液的作用下， 渗透系数有所减小，说明桐油分子形成的膜没有受到渗滤液中的各种化学成分的 侵蚀，由此看来这种高分子膜比较稳定。 ( 4 ) 研究粉质粘土混合土的强度发现，糯米汁和桐油的存在使土体的抗剪 强度降低了，其效果与对萧山粘土的强度的影响截然不同。其中原因可能是粉质 粘土中掺入的稍具膨胀性的粘粒的存在造成的，有关糯米汁和桐油对膨胀性土的 作用机理有待进一步研究。 ( 5 ) 研究粉质粘土及其混合土的于湿循环作用对强度的影响，在于湿循环 的作用下，粉质粘土混合土的粘聚力和摩擦角都呈减小的趋势，干湿循环作用对 混合土的粘聚力和摩擦力的影响都很大，与原粉质粘土干湿循环后强度变化比 较，看不出优势所在。粉质粘土混合土的干湿循环后特性比较复杂，这有多方面 的原因，主要原因可能是粉质粘土中的膨胀土颗粒的复杂特性给试验结果带来了 不确定性，有待进一步分析。 ( 6 ) 对p b 2 + 在混合土中的扩散特性进行了研究，p b 2 + 在添加了糯米汁和桐 油的粉土混合土中的扩散系数较原粉土中大大降低，但混合土对p b 2 + 的吸附能力 却较原粉土降低了很多，可能是因为桐油分子膜对p b 2 + 不具有吸附性；当增大 p b 2 + 溶液的浓度时，混合土中扩散系数大大降低，阻滞因子也减小了。 ( 7 ) 根据唐晓武教授在成层地基固结理论方面的丰富经验和深入研究，在 其指导下，提出了一种新型夹心式衬垫设计方案。利用g e o s l o p e 软件对溶质的 运移进行分析，在考虑溶质运移非线性的基础上，验证了该衬垫对溶质迁移的阻 滞性能明显优于单层衬垫，建议在工程实践中加以应用。 1 0 浙江大学工程硕士学位论文 ( 8 ) 通过扫描电子显微镜( s e m ) 观察，从微观结构的角度出发，揭示了 糯米汁和桐油对土体的作用机理。糯米汁具有较强的粘性，能充填在土粒之间， 颗粒之间产生胶结吸力，使小团聚体能更紧密的聚集在一起。桐油经氧化聚合作 用在空气中干燥成膜，油膜一方面包裹粘土矿物，另一方面通过吸力将土颗粒紧 紧的连结在一起，改变了粘土矿物的形态，由平行片状变成了球状或椭球状，从 而改变了土体的内部结构。 浙江大学工程硕士学位论文 2 1 引言 第二章混合土的物理力学性质研究 参照我国建设部2 0 0 4 年颁布的城市生活垃圾卫生填埋技术规范 ( c j j l 7 2 0 0 4 ) 中的规定，具各自然防渗条件的填埋场必须满足，“衬里的渗透 系数不应大于1 0 x1 0 c m s ，场底及四壁衬里的厚度不应小于2 m 。选择天然粘 土或粉土单独作为防渗材料必须符合该标准，粘土或粉土的选择主要根据现场条 件下所能达到的压实渗透系数来确定。在最佳含水量下，当压实度达到9 0 - - 9 5 的最大击实干密度时，渗透性很低( 通常为1 0 。7 c m s 或更小) 的粘土可以作 为填埋场衬层材料，并且要有足够的抗剪强度。为了创造巨大的填埋空间，大部 分现代卫生填埋场或堆场的高度都相当高，一些填埋场的高度甚至高达6 0 - - 7 0 m ，因此土质衬垫必须具有足够的强度。 在填埋场的建设中，粘性土已成为城市生活垃圾卫生填埋场封闭系统的重要 组成材料，但粘土衬垫存在一定的缺陷，在干燥失水的情况下会干裂，从而对其 防渗性能产生不利影响。糯米汁本身具有粘性大、吸附强、胀度小、韧滑、弱凝 沉性等特点；桐油具有吸附性强、耐酸碱、耐水、耐日光大气等性能。在众多历 史文献中，都提到我国古代城墙和宫殿墙体搀和桐油、糯米汁等构筑，具有很高 的粘结强度和耐久性( 罗哲文，1 9 9 0 ) ；用桐油石灰抹缝，提高粘结性和抗渗性， 使船舶具有很好的抗沉性。 贮灰场是大型燃煤火力发电厂的一个重要的水工生产设施。主要用来堆放锅 炉燃烧后的底煤灰，其产出的粉煤灰的成分主要是活性二氧化硅( s i 0 2 ) 和活性 三氧化二铝( a 1 2 0 3 ) ，一般情况下s i 0 2 、a 1 2 0 3 的总含量大于7 0 ，其余成分包 括三氧化二铁( f e 2 0 3 ) 、氧化钙( c a o ) 、氧化镁( m g o ) 、三氧化硫( s 0 3 ) 和 氧化钠和氧化钾( n a 2 0 + k 2 0 ) 等。根据我国电力行业标准( d l t 5 3 3 9 2 0 0 6 ) 的要求，贮灰场对环境的影响必须符合现行国家环境保护法规的有关规定。因此， 贮灰场的设置要必须对其浸出液严格控制，并且要严格地控制这些浸出液污染当 地的水资源环境。粉煤灰进入贮灰场时温度较高，一般在7 0 0 c 左右，使用初期， 1 2 浙江大学工程硕士学位论文 底部防渗层受温度影响很大。 建筑物屋顶防渗问题也一直是个很难彻底解决的问题。主要原因是屋顶气候 变化太大导致防渗材料老化，以及防渗材料的性质与混凝土差异太大，产生的如 热胀冷缩性能的大差异很容易导致防渗材料与混凝土脱开。目前防渗材料几乎不 透气，这样会导致屋面内部的湿气，此外，屋面绿化的大范围采用，更需要开发 防渗性能好、对温差变化( 1 5 0 c 一6 0 0 c ) 适应性强、与环境友好特别是与耕植 土友好的防渗材料。日本著名的清水建设技术研究所致力于屋顶绿化用高分子防 渗材料的开发，但高分子防渗材料的热胀冷缩性能与透气性能不好的问题始终很 难解决。 本章主要从渗透特性、强度特性考虑，研究萧山粘土、粉土和粉质粘土掺入 桐油和糯米汁后的物理力学特性变化，并与原土样作对比。 2 2 压实土的基本性质 粘土颗粒在一般情况下呈絮状结构，孔隙很大，这种结构不稳定，在压实的 过程中，土的结构会慢慢发生变化，由絮凝结构向分散结构发展，见图2 1 所示。 土经压实后，分散结构的土粒间形成了