新型防渗材料膨润土垫的试验研究

膨润土垫是由两层土工合成材料之间夹封膨润土,并通过针刺、粘接或缝合工艺制成的一种新型复合防渗材料.针对研发的新型膨润土垫,进行了渗透、抗干湿循环、抗冻融循环、自愈能力、摩擦特性和接缝防渗效果等试验研究.试验结果表明,膨润土垫的防渗性能与单位面积含土量以及膨润土垫内的膨润土的分布是否均匀密切相关;膨润土垫具有良好的抗冻融循环和一定的自愈能力,但抗干湿循环的能力较差;膨润土垫与中砂间的摩擦系数较大,饱和试样的摩擦系数较之于干态有所降低.

土工合成材料膨润土垫性能探讨

膨润土移动是一种常见的现象,通过对大量土工合成材料膨润土垫(GCL)试验数据的分析,发现膨润土的移动对GCL性能会产生不良影响,如导致单位面积质量难以确定和防渗性能降低。同时分析了引起膨润土在GCL中移动的影响因素,包括基底材料粒径、应力集中、保护层的种类以及GCL含水量等。最后提出了针对不同原因引起的膨润土移动现象所应采取的合理解决措施。其成果对GCL这种土工合成材料的制作工艺、施工工艺、设计和科研有一定的参考价值。

影响土工织物膨润土垫水力和力学特性的因素

近年来土工织物膨润土垫被越来越多地应用到防渗工程,它的水力特性和力学性能决定其防渗作用。受试验条件和研究手段的限制,这2方面的研究工作还没有得到国内学者的重视,应用中还存在盲目性。着眼于土工织物膨润土垫的水力特性和力学性能,从影响因素的角度入手,总结了国内外学者的研究及结论,为国内更加广泛地应用奠定了基础。

湿润气候区带膨润土垫ET封顶的性能分析

ET(evapotranspiration,腾发)封顶目前主要用于少雨地区的填埋场,本文考虑1500mm的年降雨量,分析一种加膨润土垫(GCL)的新型土工复合ET封顶在湿润地区的工作性能。建立渗流-腾发耦合模型,计算此新型ET封顶和典型单层土ET封顶的地表径流量、地表蒸发量、植被蒸腾量、最终透水量,对比分析两种ET封顶内的水分运移规律及其工作性能。结果表明:新型ET封顶产生的地表径流总量多于典型单层土ET封顶;新型ET封顶通过膨润土垫的低渗透性使上部土层能够储存更多的水分用于后期腾发,其腾发量大于典型单层土ET封顶,尤其是在降雨高峰期更为明显;在该地区,总厚度1.2m的典型单层土ET封顶并不能有效阻止水分渗透到填埋场中,而新型ET封顶能够满足设计要求。

复合土工膨润土垫用于寒旱区渠道衬砌的实验研究

通过室内外试验,分析了膨润土自由膨胀体积、滤矢量、粘度与盐溶液浓度及阳离子化合价的关系,得出盐溶液浓度、化合价与膨润土自由膨胀体积呈负相关,与滤矢量、渗透系数呈正相关。0.01 mol/L AlCl3使3试样滤矢量分别增加了291.9%、404.8%、367.3%;NaCl溶液对GCL渗透系数的影响最小,溶液浓度由0.01 mol/L升高到0.25 mol/L时,1号、2号、3号3种GCL的渗透系数分别增加了193.4倍、205.1倍、31.3倍。而CaCl2浓度由0.01mol/L增加到0.25 mol/L时,3种GCL试样的渗透系数分别增加了3 289.7倍、1 8461.6倍、357.9倍;GCL力学性能主要影响因素为紫外线照射及空气中氧化,其老化主要发生在第1年,1年后3试样第一峰值分别下降了2.10%、18.35%、24.13%;第二峰值下降了12.13%、-179.10%、24.04%。黄河水中阳离子使其自由膨胀体积减小,滤矢量增大,塑性粘度减小,3试样滤矢量分别增加了26.4%、16.7%、26.8%。对GCL的防渗性能也有一定影响,但影响较小,GCL在寒旱盐渍化地区仍能满足渠道防渗要求,在类似地区可用于渠道防渗。

膨润土垫在垃圾填埋场工程中的应用

简要介绍了国外近年来新兴的一种防渗材料——膨润土垫的工程特性、施工技术要求,并通过设计实例对比优缺点,使其在我国垃圾卫生填埋工程中推广使用。

膨润土垫对管道阴极保护影响的计算与试验

途经环境敏感地段的埋地油气管道周围铺设膨润土垫,可以减小管道泄漏对周边环境造成污染的风险,但也可能对管道阴极保护电流散流产生屏蔽作用。为了研究膨润土垫对管道阴极保护电流的屏蔽程度,建立了异性土壤结构下管道电位计算模型。基于边界元法,对铺设膨润土垫前后不同阴极保护电流下的管道电位分布、管道自然电位一定时阴极保护范围随土壤电阻率的变化关系进行了计算。选取工程中已铺设膨润土垫的1 500 m管段进行建模计算和现场测试,计算和测量在距管道首端200 m处的管道注流点电位变化,计算结果与测量结果具有较高的吻合度,从而验证了算法的准确性。

冻融循环对GCL材料中膨润土粒径分布及膨胀指数的影响

为了解冻融循环对土工织物膨润土垫(GCL)材料中膨润土膨胀性的影响,通过室内试验研究了不同冻融循环次数下GCL材料中膨润土粒径分布及其膨胀指数的变化规律,分析了两者间内在联系,并阐述了膨胀指数变化的微观机理.试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,膨胀指数先迅速增加至峰值后再略微下降并趋于平稳,粒径分布则趋于集中;10次以内冻融循环对GCL材料中膨润土膨胀指数影响较大.提出了主导粒径的概念,认为膨胀指数主要由属于主导粒径的颗粒决定,并给出了主导粒径与膨胀指数间的量化关系.

GCL/GM界面膨润土挤出机理研究

土工复合膨润土垫(GCL)具有良好的防渗隔气及抗张拉等性能,在填埋场中具有较好的应用前景。GCL/GM界面由于膨润土挤出而导致其剪切强度较小,将影响GCL在填埋场边坡中的使用。因此,采用改进的固结仪进行了膨润土挤出机理的研究,重点探讨了正应力、加载速率、加载与水化的顺序、土工织物类型以及渗滤液等因素对膨润土挤出的影响,并在实验结果的基础上提出了超孔隙水压力挤出机理:快速加载时,GCL内部产生了较大的超孔隙水压力,导致膨润土颗粒在该渗透力的作用下通过土工织物中的孔隙往GCL/GM界面的间隙迁移。

环境参数对冻融循环后GCL材料中膨润土膨胀指数的影响

为了解不同环境参数对经一定次数冻融循环后GCL材料中膨润土膨胀性的影响,通过室内试验研究了不同温度、盐浓度、pH值条件下,经10,20和40次冻融循环后GCL材料中膨润土膨胀指数的变化规律及颗粒粒径分布.结果表明,在相同冻融循环次数下,膨胀指数随温度的升高而增大,最大增幅为30.77%;随盐浓度和溶液酸碱度的增大而减小,最大减幅分别为65.22%和15.38%.在相同盐浓度或pH值条件下,膨胀指数与冻融循环次数无明显关系,而在相同水浴温度下,膨胀指数与冻融循环次数呈明显正相关.激光粒度仪试验结果表明,环境参数会对GCL材料中膨润土的颗粒粒径分布产生显著影响,继而影响试样的膨胀指数.

我国四类衬垫系统防污性能的比较分析

对我国填埋场采用的四类衬垫进行了防污性能的比较分析。评价参数包括渗漏率、污染物击穿时间及衬垫系统底部浓度值。除了2m压实黏土衬垫(CCL)外,其余3种均为包含土工膜(GM)的复合衬垫。分析模型采用了污染物通过有缺陷膜复合衬垫的一维运移解析解。以镉离子(Cd2+)为渗滤液中重金属离子的代表;以苯为其中挥发性有机污染物的代表。研究表明土工复合膨润土垫(GCL)复合衬垫的渗漏率最小,2m黏土最大,两者的差别可在3～5个数量级。GCL复合衬垫对重金属离子具有较好的防污性能,尤其是在高水头及复合衬垫接触较差的情形。厚度较大的2m黏土对挥发性有机污染物的防污性能较好,其击穿时间要比GCL复合衬垫大2～3个数量级。随着水头的增大,CCL复合衬垫的防污性能逐渐地优于2m黏土。在10m水头作用下,CCL复合衬垫底部的100年浓度可比2m黏土小近一个量级。单层膜衬垫的防污性能较差,不适合作为填埋场的衬垫系统。控制填埋场复合衬垫的施工质量和渗滤液水头尤为重要。

GCL用于路基水分场调控可行性及铺设位置优化分析

为优化路基土水分场的调控铺设,基于水分场在路基中的迁移规律,对土工复合膨润土垫(GCL)在路基中调控水分场的影响因素进行了系统性研究。通过室内模型试验验证了GCL阻隔毛细水上升和防止雨水下渗的性能;基于水分在非饱和土路基中的迁移规律,采用数值模拟方法对GCL在路基中的铺设位置进行了优化;运用有限元分析法对比研究了现场尺度下GCL在路基中的铺设深度及铺设层数对路基水分场的影响。结果表明:GCL具有十分重要的防渗作用;在单层铺设条件下,GCL位于地面以下1.0 m处可以起到较好的调控水分场作用,GCL上、下0.3 m范围内路基土的体积含水量可以快速达到稳定状态和低值;GCL双层铺设的效果与单层铺设差异不大。

土工膜/GCL界面剪切强度特性的试验研究

土工复合膨润土垫(GCL)是一种新型复合材料,其良好的防渗隔气功能以及抗张拉的能力使其与HDPE土工膜(GM)的联合使用在填埋场具有广泛的应用前景,但GM/GCL界面较低的剪切强度易导致填埋场衬垫系统等失稳。利用大尺寸界面直剪仪进行三种不同土工膜与GCL界面的剪切试验,重点研究GCL不同加载水化顺序对膨润土挤出及界面强度的影响。试验结果表明:干燥状态下,粗糙土工膜/GCL界面的峰值强度较大于光滑土工膜/GCL界面的峰值强度,但粗糙土工膜/GCL界面表现出强烈的应变软化特性,其残余强度接近于光滑土工膜/GCL界面的强度;不同加载水化顺序是影响膨润土挤出的重要因素,并严重影响界面剪切强度;膨润土挤出造成粗糙土工膜/GCL界面的峰值摩擦角降低3.5°,大位移摩擦角降低7.6°,接近光滑土工膜/GCL界面的摩擦角。

溶液特征对GCL膨胀和渗透特性的影响

利用自由膨胀试验和渗透试验研究了溶液阳离子的离子价、浓度和水化离子半径对GCL(土工织物膨润土垫)中膨润土膨胀特性和GCL渗透性能的影响.试验结果表明溶液的这些特征均对GCL的膨胀性和渗透性有不同程度的影响:膨润土的自由膨胀量随着阳离子离子价和浓度的增大而逐渐减小,而GCL的渗透系数则逐渐增大;1价阳离子溶液的浓度对GCL的膨胀量和渗透系数影响显著,而2价或3价阳离子溶液浓度的影响较小;对于1价阳离子溶液,膨润土的自由膨胀量随着水化离子半径的增大而增大,而GCL渗透系数则随之减小.最后,根据研究结果和相关理论对GCL的膨胀和渗透特性进行了机理分析.

冻融循环对GCL渗透特性的影响

为探究土工复合膨润土垫(GCL)在长期冻融循环作用下的防渗性能,以6 h的冷冻和6 h的融化为冻融周期对GCL进行冻融循环试验,研究了经历不同冻融次数后GCL渗透系数和自由膨胀率的变化规律.试验结果表明:4 h内GCL可以达到冻胀稳定状态;GCL经历冻融循环作用后,再经历冻结时易产生不均匀冻胀;GCL在经历较少(≤30次)冻融循环次数情况下,渗透系数随冻融循环次数增加而减小,其最终渗透系数的量级在10-11~10-10m/s之间;随着冻融循环次数的增加,GCL中膨润土的自由膨胀率先增大后减小,最后趋于稳定.

GCL对垃圾渗滤液中阳离子和有机质的吸附能力

通过对渗透前后垃圾填埋场渗滤液进行化学成分的测定和分析,研究了GCL的吸附能力及其变化规律,并采用X射线荧光光谱分析对试验结果进行了验证。研究结果表明在渗透过程中GCL对渗滤液中的有机物和阳离子存在吸附作用,水化液对GCL的吸附能力有一定影响;在渗透开始阶段,GCL对垃圾渗滤液中阳离子和有机物的吸附能力比较强,而后逐渐达到吸附饱和状态而丧失吸附能力,因此用GCL作为防渗屏障,主要是依靠其低渗透特性,而非其对溶液中有机质和有害离子的吸附作用。通过对膨润土进行X射线荧光光谱分析也发现:经过渗透后的膨润土中除常见氧化物外,还有来自渗透液中被吸附的物质,但含量不大。

第Ⅱ类尾矿库环保防渗系统设计探讨

尾矿库是堆存矿山工业固体废物的场所,根据国家新环保法和新尾矿设施设计规范,第Ⅱ类尾矿库必须进行环保防渗系统设计,且防渗性能必须满足规范要求。防渗系统是Ⅱ类尾矿库的极其关键的部分,它能有效地将尾矿库内的尾矿及矿浆水与外界隔离,防止尾矿水对环境的污染。重点探讨了环保防渗系统中HDPE膜及膨润土垫的主要技术特点、防渗层的结构设计、锚固平台及锚固沟的主要技术要求。指出了HDPE膜使用时,应该注意膜材中添加再生料问题、高寒地区温差问题、膜的厚度问题;膨润土应选择钠基膨润土,在含高浓度电解质溶液的防水、防渗工程中,不宜采用膨润土防水毯。针对尾矿库所在地场地基础层渗透系数等因素综合确定防渗结构层,并根据国内外防渗工程实际效果推广单层人工复合防渗结构层。

针刺GCL内部剪切强度的试验研究

通过室内直剪试验研究了土工合成材料膨润土垫(GCL)内部剪切强度及其影响因素,并对直剪仪进行了改造.研究结果表明:针刺GCL的内部剪切强度主要受针刺纤维的抗拉和缠绕作用控制,其他因素对GCL内部剪切强度贡献很小;正应力和水化液类型对GCL内部剪切强度均有影响,表现为内部剪切强度随着正应力的增大而逐渐增大,水化液为蒸馏水时GCL的内部剪切强度最大;在实际工程应用中,GCL铺设完成后在堆载之前应采用自来水进行事先水化,可提高防渗工程的稳定性.