張 　 芊，　陸 海 軍*,2，　李 繼 祥，　張 　 雄

( 1.武漢輕工大學(xué) 多孔介質(zhì)力學(xué)研究所, 湖北 武漢 430023；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 巖土工程研究所, 遼寧 大連 116024 )

?

滲瀝液污染下水泥固化高嶺土透水及變形特性

張 芊1，陸 海 軍*1,2，李 繼 祥1，張 雄1

( 1.武漢輕工大學(xué) 多孔介質(zhì)力學(xué)研究所, 湖北 武漢 430023；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 巖土工程研究所, 遼寧 大連 116024 )

針對(duì)填埋場(chǎng)襯墊在高荷載作用下開(kāi)裂破壞的現(xiàn)狀，采用水泥固化高嶺土，評(píng)價(jià)其抗?jié)B、抗開(kāi)裂及固結(jié)壓縮特性，探究其作為填埋場(chǎng)襯墊材料的可行性．采用純高嶺土與水泥摻量5%、10%、15%的固化高嶺土進(jìn)行試驗(yàn)，室內(nèi)模擬填埋場(chǎng)襯墊受滲瀝液污染的工況，通過(guò)滲透試驗(yàn)測(cè)定水力傳導(dǎo)系數(shù)，分析其抵抗污染物滲透能力；通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定壓縮系數(shù)，分析其固結(jié)壓縮特性；通過(guò)干濕循環(huán)開(kāi)裂試驗(yàn)測(cè)定開(kāi)裂因子，分析其抵抗開(kāi)裂變形特性．結(jié)果表明：試樣水力傳導(dǎo)系數(shù)隨時(shí)間增加而下降，其中純高嶺土下降40.4%，而水泥固化后高嶺土僅下降16.0%～27.1%．由于試驗(yàn)高嶺土屬于中壓縮性土，試樣孔隙比隨荷載壓力上升而下降，水泥摻量越多，孔隙比下降越少，200 kPa荷載下，0.25～64 min的軸向位移變化量占總變化量的65.1%～70.7%；摻入水泥后試樣的開(kāi)裂面積明顯減小，最大開(kāi)裂因子降幅達(dá)52.6%，水泥摻量10%與15%的試樣開(kāi)裂因子差別較小．水泥固化后高嶺土的強(qiáng)度及抗開(kāi)裂能力提高，滿足作為填埋場(chǎng)襯墊材料的要求．

水泥；高嶺土；滲瀝液；滲透；變形

0　引　言

現(xiàn)今垃圾填埋場(chǎng)安全運(yùn)行問(wèn)題已越來(lái)越得到重視[1]．黏土襯墊是填埋場(chǎng)的重要組成部分，全國(guó)正在運(yùn)行的填埋場(chǎng)有935座，其中34%沒(méi)有采取防滲措施，剩余部分約90%的填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)存在不同程度的破壞[2]，研究更安全可靠的填埋場(chǎng)襯墊材料越發(fā)成為科學(xué)工作者們關(guān)注的焦點(diǎn)．

許多學(xué)者[3-5]嘗試采用秸稈纖維、赤泥、粉煤灰等材料對(duì)黏土進(jìn)行改性．高嶺土作為一種金屬礦產(chǎn)，是以高嶺石族黏土礦物為主的黏土和黏土巖，能夠吸附滲瀝液中的有機(jī)污染物．張永利等[6]采用煅燒、酸浸對(duì)高嶺土進(jìn)行改性后，考察了其對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附特性；杜延軍等[7]、陳蕾等[8]利用水泥固化高嶺土，并對(duì)其吸附鉛、鋅等金屬離子的能力以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究．襯墊材料的滲透特性、長(zhǎng)期荷載下的變形及開(kāi)裂特性是考察填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的重要因素，國(guó)內(nèi)外對(duì)此方面的研究仍然較少．

為了探究水泥固化滲瀝液污染高嶺土的抗?jié)B、抗開(kāi)裂及壓縮特性，評(píng)估其作為填埋場(chǎng)襯墊材料的可行性，本文模擬填埋場(chǎng)黏土襯墊工況，針對(duì)水泥固化滲瀝液污染高嶺土，采用滲透試驗(yàn)分析土樣的抗?jié)B能力，采用固結(jié)試驗(yàn)觀察土樣的固結(jié)壓縮特性，采用開(kāi)裂試驗(yàn)研究干濕循環(huán)下土樣的抗開(kāi)裂能力．

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用高嶺土產(chǎn)自湖南衡陽(yáng)某高嶺土礦中，取樣后，未經(jīng)物理化學(xué)方式處理．其化學(xué)成分組成及基本物理性質(zhì)如表1、2所示．其屬軟質(zhì)高嶺土，擊實(shí)曲線如圖1所示，可以看出，所取高嶺土的最大干密度為1.64 g/cm3，最優(yōu)含水率為21.8%．

表1　高嶺土的化學(xué)成分

表2　高嶺土的基本物理性質(zhì)

圖1　高嶺土的擊實(shí)曲線

試驗(yàn)高嶺土的掃描電鏡照片與孔容-孔徑分布如圖2、3所示．可以看出，土樣顆粒呈大殘片狀，不規(guī)則排列，且殘片間存在較大空隙，孔徑分布呈雙肩峰態(tài)勢(shì)，3 nm與8 nm的孔徑占比較大，總孔容為0.160 3 cm3/g．

圖2　高嶺土的掃描電鏡照片

圖3　高嶺土的孔容-孔徑分布曲線

試驗(yàn)所用水泥為陜西省秦嶺水泥股份有限公司所生產(chǎn)的425#普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測(cè)其各項(xiàng)性質(zhì)指標(biāo)符合通用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]，具體各項(xiàng)數(shù)值如表3所示．試驗(yàn)所用滲瀝液取自武漢市陳家沖生活垃圾填埋場(chǎng)，其基本化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表4所示．

表3　水泥的基本性質(zhì)指標(biāo)

表4　填埋場(chǎng)滲瀝液的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)所需高嶺土人工破碎，通過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩后取出土樣，置于真空干燥箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度為105 ℃，并每隔2 h稱取土樣質(zhì)量，至兩次稱取質(zhì)量變化量小于0.2%后，視為土樣已烘干，裝入密封袋內(nèi)密封備用．試驗(yàn)用水泥的預(yù)處理方法同高嶺土．

1.2.1滲透試驗(yàn)根據(jù)美國(guó)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5084及ASTM D 7100，在室溫25 ℃下，采用柔性壁滲透儀對(duì)不同水泥摻量(0%、5%、10%、15%)的高嶺土試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，計(jì)算不同時(shí)間時(shí)的水力傳導(dǎo)系數(shù)．試驗(yàn)前，將試樣置于真空飽和缸中，保持真空狀態(tài)48 h后，向內(nèi)注入清水進(jìn)行預(yù)飽和，使試樣孔隙內(nèi)充滿水分，采用垃圾滲瀝液原液進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)中，除水頭壓力外對(duì)試樣不施加其他外力．試驗(yàn)所用圓柱形模具內(nèi)徑為50 mm，有效高度為100 mm，試樣圍壓保持在100 kPa，滲透壓控制在80 kPa，使膜緊貼試樣，防止溶液側(cè)漏．

水力傳導(dǎo)系數(shù)由下式計(jì)算：

式中：k表示試樣的水力傳導(dǎo)系數(shù)(cm/s)；Q表示試驗(yàn)中的出水量(m3)；L表示試樣厚度(cm)；ρ表示滲瀝液的密度(kg/m3)；A表示試樣斷面面積(cm2)；t表示試驗(yàn)所經(jīng)歷的時(shí)間(s)；p表示滲透壓(kPa)；g為重力加速度(9.85 N/kg)．

1.2.2固結(jié)試驗(yàn)將已干燥的高嶺土置于垃圾滲瀝液中浸泡28 d，而后取出烘干，并再次破碎，過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，摻入不同含量的水泥(0%、5%、10%、15%)后在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀中制成直徑61.8 mm、高20 mm的試樣，制樣時(shí)確保試樣處于最大干密度與最優(yōu)含水率條件．將試樣置于密封袋內(nèi)密封保存養(yǎng)護(hù)，控制溫度為40 ℃．28 d后，取出試樣，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[10]，采用WG型單杠桿固結(jié)儀(南京寧曦土壤儀器有限公司)進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，記錄荷載壓力為12.5、25、50、100、200、400、800 kPa下各試樣的軸向位移．采用孔隙比來(lái)表征試樣孔隙的密實(shí)程度，其代表材料中孔隙體積與材料中顆粒體積之比．

初始孔隙比計(jì)算公式如下：

式中：e0表示試樣的初始孔隙比；Gs表示試樣相對(duì)密度；w0表示試樣初始含水率(%)；ρ0表示試樣的初始密度(g/cm3)；ρw表示水的密度(g/cm3)．

固結(jié)穩(wěn)定后試樣的孔隙比計(jì)算公式如下：

式中：ei表示某級(jí)壓力下的孔隙比；∑Δhi表示某級(jí)壓力下試樣高度的累計(jì)變形量(cm)；hs表示試樣凈高(cm)．

1.2.3開(kāi)裂試驗(yàn)土樣處理方法同固結(jié)試驗(yàn)．在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀中制成直徑61.8 mm、高20 mm的試樣后，采用刮土刀刮去表面多余土顆粒使試樣表面保持平整，養(yǎng)護(hù)28 d后取出．采用數(shù)碼顯微攝像系統(tǒng)每間隔10 min拍攝試樣表面照片(放大倍數(shù)為10)，如圖4所示，同時(shí)實(shí)時(shí)稱取試樣質(zhì)量，至24 h質(zhì)量相差小于0.2 g時(shí)認(rèn)為質(zhì)量恒定，并在試樣表面加水至表面濕潤(rùn)，記錄加水前后質(zhì)量，繼續(xù)拍攝試樣照片，4次干濕循環(huán)后試驗(yàn)完畢．采用數(shù)碼顯微攝像分析軟件分析加水前后試樣表面開(kāi)裂面積，并采用開(kāi)裂因子(CIF)表征試樣開(kāi)裂情況，其計(jì)算公式如下：

式中：Ac表示試樣開(kāi)裂部分的面積(mm2)，At表示試樣實(shí)時(shí)總面積(mm2)．

圖4　數(shù)碼顯微攝像裝置

每輪干濕循環(huán)試驗(yàn)中，選取試驗(yàn)開(kāi)始及結(jié)束時(shí)的照片各一張，并根據(jù)各輪干濕循環(huán)的時(shí)間，合理挑選另兩張清晰度較高的照片進(jìn)行分析，以確保分析的準(zhǔn)確性以及所選照片的代表性．

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1滲透特性

不同水泥摻量下固化高嶺土試樣的水力傳導(dǎo)系數(shù)如圖5所示．隨著時(shí)間的增加，水力傳導(dǎo)系數(shù)呈下降趨勢(shì)，且存在較明顯的波動(dòng)．試驗(yàn)初期，水泥固化后試樣的水力傳導(dǎo)系數(shù)較純高嶺土試樣小14.0%～21.4%，而試驗(yàn)?zāi)┢诟髟嚇拥乃鲗?dǎo)系數(shù)在4.6×10-8～5.1×10-8cm/s，差別較?。?/p>

圖5　滲透試驗(yàn)水力傳導(dǎo)系數(shù)曲線

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11]中指出，填埋場(chǎng)襯墊壓實(shí)黏土的水力傳導(dǎo)系數(shù)應(yīng)小于1×10-7cm/s，可以看出，試驗(yàn)所得水力傳導(dǎo)系數(shù)均滿足要求．由于高嶺土組成中存在多種礦物質(zhì)[12]，在填埋場(chǎng)滲瀝液的作用下，高嶺土中的礦物成分Al2O3等活潑金屬氧化物與滲瀝液中酸堿化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，以離子形式溶于滲瀝液中并下滲，使土體產(chǎn)生膨脹，隨之產(chǎn)生少量氣體．受到滲瀝液流動(dòng)因素影響，土顆粒中有機(jī)質(zhì)受到?jīng)_刷，孔隙表面更為光滑，促進(jìn)滲瀝液下滲，致使孔隙逐漸變大，水力傳導(dǎo)系數(shù)較大且產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象．而水泥抵抗?jié)B瀝液的侵蝕能力較強(qiáng)，與土顆?；旌虾竽軌蜓泳彎B瀝液對(duì)土體礦物質(zhì)顆粒的侵蝕，故試驗(yàn)初期水泥固化后試樣的水力傳導(dǎo)系數(shù)明顯低于純高嶺土試樣．此外，由于下層土體承受上層傳遞的軸向壓力較大，孔隙較小，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，下層土體受到上層沖刷而來(lái)的顆粒、微生物及有機(jī)物作用，生物淤堵[13-14]現(xiàn)象越來(lái)越明顯，土體中微小孔隙被堵塞，阻滯滲瀝液下滲，促使水力傳導(dǎo)系數(shù)減小，最終逐漸趨于恒定．

2.2固結(jié)壓縮特性

不同水泥摻量下固化高嶺土試樣的孔隙比隨荷載壓力變化曲線如圖6所示．由圖可知，荷載壓力為12.5 kPa時(shí)，各試樣孔隙比均在0.943～0.958．隨著荷載壓力的不斷增大，孔隙比逐漸下降，同一壓力下水泥摻量越多的試樣其孔隙比相對(duì)越大．800 kPa時(shí)，純高嶺土試樣的孔隙比為0.710，較5%水泥固化試樣低10.4%，而隨著水泥摻量繼續(xù)增加，各試樣孔隙比差距逐漸減小，10%、15%水泥摻量試樣的孔隙比僅分別較純高嶺土試樣大14.5%、17.0%．

圖6　固結(jié)試驗(yàn)荷載壓力-孔隙比曲線

高嶺土作為一種常見(jiàn)的黏土礦物，其中金屬礦物質(zhì)、硅酸鹽礦物質(zhì)含量較大，多為晶體結(jié)構(gòu)，空間骨架支撐較為完善．固結(jié)試驗(yàn)中，在較低的荷載壓力下，骨架支撐結(jié)構(gòu)未被破壞，孔隙比相對(duì)較大，而隨著荷載壓力的增大，不同礦物質(zhì)骨架逐漸達(dá)到其各自承載極限而出現(xiàn)骨架斷裂現(xiàn)象，空間結(jié)構(gòu)被破壞，致使大顆粒礦物質(zhì)分散為小顆粒，并在長(zhǎng)時(shí)間的荷載壓力下連結(jié)更為緊密，孔隙比下降也更為明顯[15]．經(jīng)滲瀝液污染的高嶺土中，土壤骨架受到腐蝕，空間結(jié)構(gòu)受到破壞，添加水泥后，水硬性膠凝材料凝結(jié)硬化后對(duì)骨架結(jié)構(gòu)形成一定保護(hù)作用[16]，使各礦物質(zhì)骨架能夠承受的最大荷載壓力有所提升，從而達(dá)到提升總體試樣強(qiáng)度的效果．當(dāng)水泥摻量達(dá)到一定比例時(shí)，水泥顆粒已能夠完全包裹空間骨架結(jié)構(gòu)，同一荷載壓力下水泥摻量的繼續(xù)增加對(duì)孔隙比的提升，即試樣強(qiáng)度的增加效果趨于減弱，故此時(shí)隨著水泥摻量增加孔隙比差距逐漸減?。?/p>

圖7所示為荷載壓力200 kPa下不同水泥摻量固化高嶺土試樣的軸向位移隨時(shí)間的變化曲線．試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，各試樣軸向位移為0.52～0.79 mm，試驗(yàn)開(kāi)始0.25 min后，軸向位移出現(xiàn)大幅下降，至64 min后變化逐漸縮小趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)中0.25～64 min的軸向位移變化量占總變化量的65.1%～70.7%．這是由于試驗(yàn)開(kāi)始瞬間，一部分承壓能力較差的骨架發(fā)生突然斷裂，同時(shí)土體中原有的水分會(huì)由于壓力作用而部分排出，致使出現(xiàn)較大的瞬時(shí)軸向位移；隨著時(shí)間的增加，部分處于臨界狀態(tài)下的骨架結(jié)構(gòu)無(wú)法支撐上部土體，在長(zhǎng)時(shí)間的荷載壓力作用下出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，從而使軸向位移進(jìn)一步增大[17]．而當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間大于64 min后，土體結(jié)構(gòu)已逐漸趨于穩(wěn)定，偶有骨架斷裂現(xiàn)象發(fā)生，軸向位移也逐漸穩(wěn)定．

圖7　荷載壓力200 kPa下軸向位移隨時(shí)間變化曲線

試驗(yàn)所得壓縮系數(shù)α1-2與固結(jié)系數(shù)Cv如表5所示．由表可知，試驗(yàn)所用高嶺土的壓縮系數(shù)均處于0.1～0.5 MPa-1，屬于中壓縮性土[18]．隨著水泥摻量的增加，固結(jié)系數(shù)出現(xiàn)小幅下降，則固結(jié)速率出現(xiàn)下降．這是由于水泥摻入增強(qiáng)各骨架承載力后，脆弱骨架斷裂的時(shí)間較純高嶺土試樣有所延后，軸向位移快速下降階段所需時(shí)間略有增長(zhǎng)，固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)，使平均固結(jié)速率出現(xiàn)下降．

表5　固結(jié)試驗(yàn)參數(shù)

2.3開(kāi)裂特性

不同水泥摻量固化高嶺土的開(kāi)裂因子分布如圖8所示，各干濕循環(huán)階段最大開(kāi)裂因子如圖9所示．由圖可見(jiàn)，養(yǎng)護(hù)完成開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，試樣表面開(kāi)裂面積較小，開(kāi)裂因子介于0.001 02～0.001 37；隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，開(kāi)裂因子顯著增大，干燥失水過(guò)程末期，開(kāi)裂因子趨于平穩(wěn)．試樣表面加水后，開(kāi)裂因子較前一次干燥失水末期時(shí)降低8.3%～42.8%，隨著試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，開(kāi)裂因子繼續(xù)增大．

(a) 100%高嶺土

(b) 95%高嶺土+5%水泥

(c) 90%高嶺土+10%水泥

(d) 85%高嶺土+15%水泥

圖8水泥固化高嶺土開(kāi)裂因子分布

Fig.8The CIF distribution of solidified kaolin with cement

圖9　水泥固化高嶺土最大開(kāi)裂因子

試驗(yàn)過(guò)程中，試樣表面的水分將會(huì)逐步揮發(fā)流失，孔隙水壓力降低，高嶺土中土顆粒與礦物顆粒之間距離增大，顆粒間原有的基質(zhì)吸引力已無(wú)法支持其相互連結(jié)，從而在最為脆弱處化學(xué)鍵發(fā)生連續(xù)性斷裂，產(chǎn)生空隙，使仍保持連結(jié)狀態(tài)的顆粒間距離減小，阻止試樣表面其余部分發(fā)生開(kāi)裂．而隨著試樣水分的繼續(xù)散失，不可避免地繼續(xù)發(fā)生開(kāi)裂，直至表面水分基本揮發(fā)完畢到達(dá)天然含水率．試樣表面加水后，土顆粒間缺失的水分得到補(bǔ)給，孔隙水壓力陡然上升，支撐顆粒間缺失的基質(zhì)吸引力使土顆粒產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，故此時(shí)試樣表面開(kāi)裂面積有所降低，開(kāi)裂因子減小，但由于突然增加的孔隙水壓力有限，若已產(chǎn)生裂縫面積較大，裂縫將不會(huì)達(dá)到完全愈合狀態(tài)，故開(kāi)裂因子無(wú)法降低至0．

試樣各階段的最大開(kāi)裂因子是用來(lái)表征試樣抗開(kāi)裂特性的重要參數(shù)，可以看出，滲瀝液污染高嶺土添加5%水泥后，試樣的最大開(kāi)裂因子下降23.6%～32.3%，而摻入10%水泥后，最大開(kāi)裂因子下降幅度達(dá)31.0%～52.6%，摻入水泥對(duì)抵抗試樣開(kāi)裂的效果極為明顯．這是由水泥作為膠凝材料的性質(zhì)所決定的，水泥自身吸收水分后將會(huì)發(fā)生顆粒重組現(xiàn)象從而產(chǎn)生較高強(qiáng)度，其均勻摻入高嶺土中后骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)，當(dāng)水分散失，土顆粒間基質(zhì)吸引力降低時(shí)，水泥顆粒的黏結(jié)作用顯現(xiàn)，從而達(dá)到抵抗試樣表面開(kāi)裂的效果[19]．當(dāng)水泥摻量達(dá)到一定比例時(shí)，水泥顆粒的黏結(jié)作用達(dá)到極限，抵抗開(kāi)裂效果有限，故水泥摻量15%與10%時(shí)開(kāi)裂因子差別較小．

3　結(jié)　論

(1)滲透試驗(yàn)起始時(shí)，純高嶺土試樣的水力傳導(dǎo)系數(shù)為7.72×10-8cm/s，而水泥固化后試樣水力傳導(dǎo)系數(shù)為6.07×10-8～6.64×10-8cm/s，較純高嶺土試樣明顯偏低．隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，曲線產(chǎn)生明顯抖動(dòng)，最終各試樣水力傳導(dǎo)系數(shù)差別較小，均在4.6×10-8～5.1×10-8cm/s，純高嶺土的水力傳導(dǎo)系數(shù)下降40.4%，而水泥固化后，其數(shù)值僅下降16.0%～27.1%．

(2)試驗(yàn)所用高嶺土屬于中壓縮性土，隨著荷載壓力的上升，孔隙比下降，添加水泥后試樣的孔隙比高于純高嶺土試樣；荷載壓力800 kPa下純高嶺土試樣的孔隙比為0.710，相同壓力下水泥摻量15%試樣的孔隙比達(dá)0.831，水泥固化后試樣強(qiáng)度上升，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定．

(3)每次干濕循環(huán)初期，開(kāi)裂因子較前一次干燥失水過(guò)程末期時(shí)降低8.3%～42.8%，水泥固化高嶺土的最終開(kāi)裂因子均處于0.013 9～0.021 3．水泥固化后，試樣的最大開(kāi)裂因子明顯降低，最大降幅達(dá)52.6%，能有效降低開(kāi)裂面積，起到抵抗土體開(kāi)裂的效果．

(4)水泥固化后高嶺土試樣存在較高的強(qiáng)度及抗開(kāi)裂能力，且水力傳導(dǎo)系數(shù)低于1×10-7cm/s，滿足作為填埋場(chǎng)襯墊材料的要求．

[1]陳云敏,高 登,朱 斌,等. 垃圾填埋場(chǎng)沿襯墊界面的地震穩(wěn)定性及永久位移分析[J]. 中國(guó)科學(xué)(E輯:技術(shù)科學(xué)), 2008, 38(1):79-94.

CHEN Yun-min, GAO Deng, ZHU Bin,etal. The permanent displacement analysis and seismic stability along the interface of landfill liner [J]. Scientia Sinica (Series E: Technologica), 2008, 38(1):79-94. (in Chinese)

[2]何 衛(wèi). 秸稈纖維改良黏土作為填埋場(chǎng)襯墊防滲材料的可行性研究[D]. 武漢:武漢輕工大學(xué), 2013.

HE Wei. The feasibility study of straw fiber modified clay as impervious landfill liner material [D]. Wuhan:Wuhan Polytechnic University, 2013. (in Chinese)

[3]楊雅婷,龔 檬,溫慶博,等. 煤矸石用作防滲防污材料的試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013, 35(S1):282-286.

YANG Ya-ting, GONG Meng, WEN Qing-bo,etal. Experimental study on coal gangue applied as anti-seepage and anti-fouling materials [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(S1):282-286. (in Chinese)

[4]XUE Qiang, LU Hai-jun, LI Zhen-ze,etal. Cracking, water permeability and deformation of compacted clay liners improved by straw fiber [J]. Engineering Geology, 2014, 178:82-90.

[5]陳 磊,廖立兵,張秀麗. 膨潤(rùn)土、沸石和赤泥用作垃圾填埋場(chǎng)底部礦物襯里的研究[J]. 環(huán)境工程, 2010, 28(S1):209-213.

CHEN Lei, LIAO Li-bing, ZHANG Xiu-li. Application of bentonite, zeolite and red mud in the preparation of bottom liner for garbage landfill [J]. Environmental Engineering, 2010, 28(S1):209-213. (in Chinese)

[6]張永利,朱 佳,史 冊(cè),等. 高嶺土的改性及其對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附特性[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2013, 26(5):561-568.

ZHANG Yong-li, ZHU Jia, SHI Ce,etal. Modification of kaolin and its adsorption properties on Cr(Ⅵ) [J]. Research of Environmental Sciences, 2013, 26(5):561-568. (in Chinese)

[7]杜延軍,蔣寧俊,王 樂(lè),等. 水泥固化鋅污染高嶺土強(qiáng)度及微觀特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2012, 34(11):2114-2120.

DU Yan-jun, JIANG Ning-jun, WANG Le,etal. Strength and microstructure characteristics of cement-based solidified/stabilized zinc-contaminated kaolin [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(11):2114-2120. (in Chinese)

[8]陳 蕾,劉松玉,杜延軍,等. 水泥固化重金屬鉛污染土的強(qiáng)度特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2010, 32(12):1898-1903.

CHEN Lei, LIU Song-yu, DU Yan-jun,etal. Unconfined compressive strength properties of cement solidified/stabilized lead-contaminated soils [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(12):1898-1903. (in Chinese)

[9]中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院. 通用硅酸鹽水泥:GB 175—2007[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.

China Building Materials Academy. Common Portland Cement:GB 175-2007 [S]. Beijing:Standards Press of China, 2007. (in Chinese)

[10]南京水利科學(xué)研究院. 土工試驗(yàn)規(guī)程:SL 237—1999 [S]. 北京:中國(guó)水利水電出版社, 1999.

Nanjing Hydraulic Research Institute. Specification of Soil Test:SL 237-1999 [S]. Beijing:China Water Power Press, 1999. (in Chinese)

[11]建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所. 生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范:CJJ 17—2004 [S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2004.

Quota Standard Institute of the Ministry of Construction. Technical Code for Municipal Solid Waste Sanitary Landfill:CJJ 17-2004 [S]. Beijing:China Architecture & Building Press, 2004. (in Chinese)

[12]鐘孝樂(lè),詹良通,龔 標(biāo),等. 我國(guó)3種典型高嶺土的固結(jié)、滲透及吸附特性[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2014, 48(11):1947-1954.

ZHONG Xiao-le, ZHAN Liang-tong, GONG Biao,etal. Consolidation permeability and adsorption properties of three kinds of typical kaolin clays in China [J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2014, 48(11):1947-1954. (in Chinese)

[13]Francisca F M, Glatstein D A. Long term hydraulic conductivity of compacted soils permeated with landfill leachate [J]. Applied Clay Science, 2010, 49(3):187-193.

[14]Calace N, Massimiani A, Petronio B M,etal. Municipal landfill leachate-soil interactions:a kinetic approach [J]. Chemosphere, 2001, 44(5):1025-1031.

[15]李 濤. 超大直徑高嶺土樣的固結(jié)壓縮試驗(yàn)[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 32(4):327-331.

LI Tao. Consolidation tests on kaolinite samples with a large diameter [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2006, 32(4):327-331. (in Chinese)

[16]Amareanu M, Melita L. A comparative research study concerning the cements composition influence on the durability and physical-mechanical properties of the concretes [J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2016, 20(3):282-300.

[17]An J, Wolke J G C, Jansen J A,etal. Influence of polymeric additives on the cohesion and mechanical properties of calcium phosphate cements [J]. Journal of Materials Science - Materials in Medicine, 2016, 27(3):58.

[18]建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計(jì)院. 巖土工程勘察規(guī)范:GB 50021—2001[S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2001.

China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying. Code for Investigation of Geotechnical Engineering:GB 50021-2001 [S]. Beijing:China Architecture & Building Press, 2001. (in Chinese)

[19]Kinuthia J M, Wild S, Jones G I. Effects of monovalent and divalent metal sulphates on consistency and compaction of lime-stabilised kaolinite [J]. Applied Clay Science, 1999, 14(1-3):27-45.

Hydraulic and deformation characteristics of kaolin solidified with cement under leachate pollution

ZHANGQian1,LUHai-jun*1,2,LIJi-xiang1,ZHANGXiong1

( 1.Institute of Poromechanics, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；2.Institute of Geotechnical Engineering, School of Civil Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China )

To solve the problem of landfill liner cracking caused by high loading, the hydraulic, cracking and consolidation compression characteristics of kaolin solidified with cement are explored, and the feasibility of the solidified kaolin used as landfill liner-soil material is evaluated. The kaolin and the solidified kaolin containing 5%, 10%, 15% cement are tested in the condition of simulated cases with leachate pollution. Penetration tests are performed to evaluate hydraulic conductivity and the resistance to contaminants permeability of samples. Compression coefficient and consolidation compression characteristics of samples are analyzed by consolidation test. Moreover, through cracking tests in drying-wetting circles, cracking intensity factor and anti-cracking properties of samples are analyzed. Based on the results of tests, hydraulic conductivity of kaolin decreases by 40.4% with the increase of time, while that of the solidified kaolin containing cement decreases 16.0%-27.1%. Since kaolin used in tests belongs to medium compressible soil, void ratio of samples decreases with the increase of load, and the more the content of cement is, the smaller the decrease in void ratio of samples is. The axial displacement changes between 0.25 min and 64 min account for 65.1%-70.7% of the total at 200 kPa. The cracking area of samples reduces after adding cement, and the maximum cracking intensity factor drops by 52.6%. The difference between the solidified samples containing 10% and 15% cement is small. Whereas the strength and anti-cracking ability of kaolin are improved, the solidified kaolin containing cement can be used as landfill liner-soil material.

cement; kaolin; leachate; permeation; deformation

1000-8608(2016)05-0510-08

2016-02-28；

2016-07-12．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474168，11672216)；中國(guó)科學(xué)院巖石力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究課題(Z014007,Z015006)；湖北省百人計(jì)劃資助項(xiàng)目.

張 芊(1993-)，女，碩士生，E-mail:zq_whpu@163.com；陸海軍*(1979-)，男，博士，E-mail:lhj_whpu@163.com.

X53；TU411

A

10.7511/dllgxb201605011