垃圾填埋场有机改性黏土防水垫层的渗透机理研究

Soil and groundwater contamination by leakage through landfill liner is one of the key problems in China, therefore, a systematical study on the effectiveness of hydraulic barrier is of great importance. Due to the chemical sensitivity of sodium bentonite geosynthetic clay liner (NaB GCL), this project focus on the hydraulic conductivity of non-swelling clay GCL modified by super absorbent polymer (SAP). Since the hydraulic conductivity of NaB GCL modified by SAP is not related to the swelling of bentonite, using non-swelling clay in lieu of Na-bentonite is feasible for GCL to maintain low hydraulic conductivity. By conducting laboratory experiments, this project illustrate the hydraulic conductivity and chemical compatibility of SAP-modified GCL by the analysis of surface chemistry, water chemistry analysis and hydration properties of SAP hydrogel. Based on the hydration properties and micro structure of SAP hydrogel, this project evaluates the formation, stability and shape of SAP hydrogel as well as the interactions between SAP hydrogel and clay surface. Based on the permeability, chemical compatibility and SAP-clay interactions, this project finds out the controlling mechanism on the hydraulic conductivity of SAP modified GCL as well as the potential concerns of using this material.

因传统钠基膨润土防水垫层的化学敏感性，在防治垃圾填埋场渗滤液渗漏的应用中具有一定风险。最新研究表明，经高吸水性树脂（SAP）改性后的钠基膨润土渗透系数降低且不依赖于土自身膨胀性，据此本项目探索采用经SAP改性后的非膨胀性黏制作防水垫层的可行性。通过设计典型室内试验，结合黏土矿物表面化学特征、渗滤液水化学与聚合物水理性质分析，揭示有机改性黏土防水垫层的渗透系数及其与渗滤液的化学相容性。从宏观有机改性黏土的水理性质实验和微观SAP水凝胶形态结构特征两个层面，深入研究SAP与黏土矿物之间的相互作用机理，以及渗滤液化学成分对SAP水凝胶形成、形态、稳定性的影响。顾及有机改性黏土防水垫的渗透系数、化学相容性及水凝胶与黏土矿物之间的相互作用机理，本项目旨在建立有机改性黏土的渗透系数的控制机制，阐释有机改性黏土的适用性与局限性，为填埋场污染物防控的重大需求提供可靠的理论依据。

我国以火电为主的能源结构导致了大量燃煤产物的产生。这些燃煤产物，主要包括，粉煤灰、底灰、脱硫石膏等，需要使用合理的技术手段进行处理处置。在传统填埋技术中，使用压实黏土作为填埋场的防污屏障可以起到二次污染防控的效果。然而，填埋场的设计要求对压实黏土的施工及土质具有严格的控制：一方面若想达到国标GB 50869-2013要求的渗透系数（即1x10-9 m/s），对压实黏土的物理性质有严苛的要求，这就导致了某些地区由于缺乏相应土壤，而造成异地运输等附加成本；另一方面，压实黏土的压实密度与厚度对施工质量及成本提出了苛刻的要求，若压实度不均匀或不够，很容易引起局部渗漏而造成二次污染。土工合成织物粘土衬垫（GCL）的使用，可有效解决上述问题，并替代压实粘土衬垫作为填埋场的防污屏障。然而，GCL中膨润土的化学敏感性，影响了GCL的防渗效果，在未知渗滤液成分的情况下使用GCL具有一定的风险。尤其是CCP渗滤液通常具有较高离子强度和较多高价态阳离子，易对GCL的防渗特性产生不利影响。因此，研究GCL与CCP渗滤液的化学相容性具有重要的理论价值和现实意义。.论文研究工作在大量查阅文献和实验数据分析的基础上，一方面通过物理实验模拟填埋场在渗滤液、有效应力、预水化条件下的力学-化学-渗流场耦合作用，采用定量描述的方法，分析力化耦合对GCL渗透系数的影响；另一方面，借助微观结构分析手段，包括扫描电子显微镜、X光衍射层间结构分析手段，对渗滤液影响下的膨润土、改性膨润土水合机制进行了深入探索。论文的主要研究在于：.1、通过对全美（即，美国）范围内CCP填埋场的实地调研与资料采集，对所得数据进行汇总并编制了CCP渗滤液化学成分数据库。通过对数据库进行数据统计、方差分析，选取数据库中具有代表性的五种渗滤液的化学特征，作为考察GCL渗透系数的关键因素。五种渗滤液包括1）一般性CCP渗滤液，2）富高价态离子的飞灰渗滤液，3）烟气脱硫产物（FGD）渗滤液，4）高离子强度飞灰渗滤液，5）天然碱渗滤液。本研究使用了九种GCL：其中包括2种传统钠基膨润土GCL（NaB GCL），6种聚合物改性膨润土GCL（B-P GCL）以及1种膨润土聚合物复合材料（BPC）。测试前GCL在压实地基土上或使用去离子水进行预水化，其实验结果与未经预水化的GCL相对比。渗透实验起初采用有效应力20 kPa直到进出水达到水力平衡及化