下蜀土-膨润土混合土的膨胀性试验及机理

摘要： 下蜀土 － 膨润土混合土作为一种可选的衬垫材料，其 膨 胀 性 对 城 市 垃 圾 卫 生 填 埋 场 的 安 全 性 有 重 要 意 义 。 本 文
按不同的初始含水量（ 10% ～ 20% ） 和膨润土掺量（ 5% ～ 15% ） 共 配 制 了 9 组 混 合 土 试 样，并 在 不 同 的 温 度 （ 30 ～ 50℃ ）
将取回的下蜀 土 风 干 粉 碎，并 过 2mm 筛，连 同 膨 润土在 105℃ 下烘干 24h 后立即制样。制样时控制膨 润土掺量分别为 5% 、10% 和 15% ，初始含水量分别为 10% 、15% 和 20% ，干密度为 1. 7g / cm3 ，共 配 制 了 9 组 试样，相关参数如表 2 所示。参考《GB / T50123 － 1999 土工试验方 法 标 准 》，对 所 有 试 样 开 展 无 荷 膨 胀 率 试 验，试验初始温度为 30℃ 。为 了 研 究 温 度 对 试 样 膨 胀
条件下开展一系列无荷膨胀试验。试验结果表明： 初始含水量是影响下蜀土 － 膨润土混合土膨胀的重要 因 素，初 始 含 水
量越高，试样膨胀性越小； 混合土中膨润 土 掺 量 越 高，膨 胀 性 越 大； 温 度 对 下 蜀 土 － 膨 润 土 混 合 土 的 膨 胀 性 也 有 重 要 影
响 ，膨 胀 性 随 温 度 的 升 高 增 加 ，尤 其 对 于 膨 润 土 掺 量 较 高 的 试 样 ，膨 胀 性 的 温 度 效 应 更 明 显 。
第 38 卷 第 4 期 2011 年 7 月
水文地质工程地质 HYDROGEOLOGY ＆ ENGINEERING GEOLOGY
Vol． 38 No． 4 Jul． 2011
下蜀土 － 膨润土混合土的膨胀性试验及机理研究
顾 凯，施 斌，唐朝生 （ 南京大学地球科学与工程学院，南京 210093）
关键词： 下蜀土 － 膨润土混合土； 膨胀性； 初始含水量； 膨润土掺量； 温度
中图分类号： P642. 11 + 6
文献标识码： A
文章编号： 1000-3665（ 2011） 04-0125-05
在 城 市 垃 圾 卫 生 填 埋 场 中 ，衬 垫 层 是 填 埋 场 封 闭 系 统 的 重 要 组 成 部 分 ，其 防 渗 性 能 一 直 是 设 计 人 员考虑的重点。膨润土由于具有低渗透性和高吸附 性 等 优 点 ，目 前 是 衬 垫 层 的 首 选 材 料 ，许 多 学 者 围 绕 膨 润 土 的 工 程 性 质 开 展 了 大 量 研 究［1 ～ 3］。 但 在 实 际 工 程 中 ，单 纯 使 用 膨 润 土 并 不 能 取 得 最 佳 效 果 ，主 要 是 因 为 膨 润 土 具 有 较 强 的 胀 缩 性 ，干 燥 条 件 下 容 易 产 生 裂 隙 ，为 垃 圾 淋 滤 液 的 外 渗 提 供 快 捷 通 道 。 为 此 ，在 保 证 渗 透 系 数 满 足 设 计 要 求 的 条 件 下 ，常 在 膨 润土中掺入一定比例的砂形成砂 － 膨润土混合物， 从而 达 到 降 低 收 缩 性 的 目 的。 如 Gary Granthama 等［4］对 威 尔 士 北 部 某 垃 圾 填 埋 场 砂 － 膨 润 土 衬 垫 层 渗 透 性 进 行 了 现 场 试 验 ，结 果 表 明 其 渗 透 性 满 足 防 渗要求。但砂的加入同样会降低膨润土的膨胀性， 其 密 封 性 能 亦 受 到 影 响 。 因 此 ，膨 润 土 － 砂 混 合 物 的 膨 胀 性 能 受 到 了 诸 多 学 者 的 关 注 。 如 王 志 俭 等［5］ 研 究 了 密 实 砂 － 膨 润 土 混 合 物 膨 胀 特 性 ，发 现 混 合 物 的 最 大 膨 胀 率 与 含 水 量 无 关 ； 刘 泉 声 等［6］ 通 过 实 验 ，发 现 砂 － 膨 润 土 混 合 物 的 膨 胀 性 随 膨 润 土 含 量 的 增 加 而 增 加 ； 徐 永 福 等［7］ 在 试 验 中 发 现 ，砂 － 膨 润 土混合 物 的 膨 胀 变 形 随 着 时 间 的 增 加 而 增 加； Sun 等［8 ～ 9］认 为 砂 － 膨 润 土 混 合 物 的 膨 胀 性 与 干 密 度 、 含 水 量 、混 合 比 及 应 力 状 态 有 关 。
1 试ຫໍສະໝຸດ Baidu材料及方法
1. 1 试验材料 试验用土为下蜀土和膨润土。下蜀土取自南京浦
口地区，埋 深 约 1m，其 矿 物 成 分 以 石 英、长 石 为 主，粘 土矿物主要是伊利 石，其 次 为 蒙 脱 石，高 岭 石 很 少，属 亚粘土。膨润土购自 南 京 汤 山 膨 润 土 有 限 公 司，为 钙 基膨润土。它们的基本性质见表 1。 1. 2 试验方法
收稿日期： 2010-07-12； 修订日期： 2010-09-31 基金项目： 国家自然科学基金重点项目（ 40730739） 作者简介： 顾凯（ 1987-） ，男，硕士研究生，主要从事城市环境岩
土工程研究。 通讯作者： 施斌，E-mail： shibin@ nju． edu． cn
有 研 究 表 明 ，我 国 长 江 中 下 游 地 区 广 泛 分 布 的 下 蜀 土 在 最 优 含 水 量 附 近 压 实 后 ，完 全 可 以 满 足 填 埋 场 衬 垫 层 的 抗 渗 要 求 ，是 一 种 可 选 的 衬 垫 材 料［10 ～ 11］。 正 如 上 文 提 到 ，衬 垫 材 料 仅 仅 满 足 填 埋 场 的 抗 渗 要 求 是 不 够 的 ，还 需 要 具 有 一 定 的 膨 胀 性 ，确 保 干 缩 裂 隙 在 遇 水 后 能 迅 速 闭 合 。 为 此 ，本 文 在 下 蜀 土 中 掺 入 一 定 量 的 膨 润 土 ，对 不 同 配 比 条 件 下 下 蜀土 － 膨润土混合土的膨胀性开展试验研究。除此 之 外 ，考 虑 到 填 埋 场 中 的 垃 圾 在 降 解 过 程 中 会 产 生 大 量 的 热 量 ，使 填 埋 系 统 的 温 度 升 高 ，温 度 对 下 蜀 土 － 膨润土混合土膨胀性的影响也是本文的研究重 点。相关研究结果对衬垫材料的选取和垃圾填埋场 的优化设计有一定意义。