填埋场防渗浆材的性能测试

水平防渗是在填埋场场底及其四壁表面铺设防渗衬层,在填埋场库区内外形成隔离屏障,防止垃圾渗沥液渗出污染地下水和地下水进入库区增加渗沥液量。目前我国垃圾填埋场的水平防渗方法有以下4种:高密度聚乙烯和黏土复合衬层、膨润土防渗衬层、黏土防渗衬层、沥青混凝土衬层等。国外从20世纪80年代开始在垃圾填埋场防渗处理中使用人工合成材料作为衬底材料,逐步成为一项成熟的技术并得到越来越多的应用。通常采用的2 mm厚的HDPE作为衬底材料,其渗透系数可达10-13～10-12 cm/s。目前人工合成衬底材料已形成系列产品,并制定了相应的设计和施工标准。

垂直防渗是根据填埋场的工程与水文地质特征,利用填埋场基础下方存在的独立水文地质单元、不透水或弱透水层等条件,在填埋场一边或四周设置垂直的防渗工程（如防渗墙、防渗板、注浆帷幕等),将垃圾渗沥液封闭于填埋场中进行有控地导出,防止渗沥液向周围渗透污染地下水及填埋场气体无控释放,并阻止周围地下水流入填埋场库区内。垂直防渗在山谷型填埋场中应用较多（如杭州天子岭、南昌麦园、长沙、贵阳、合肥等垃圾填埋场),在平原区填埋场也有应用（如北京阿苏卫填埋场)。垂直防渗不但用于新建填埋场的防渗工程,而且可广泛用于既有填埋场或堆放场的污染防止工程,尤其是对不准备清除已填垃圾的老填埋场,其基地防渗又不可能,此时周边垂直防渗就显得特别重要。目前常用的垂直防渗措施有竖向隔离墙、深层搅拌桩墙、钢板桩墙、注浆帷幕、高压喷射灌浆板墙等。在一些发达国家,几乎所有的填埋场工程都采用垂直防渗隔离墙,一般用土-膨润土（SB)、水泥-膨润土（CB)和预制混凝土等材料做成。而我国近年来则主要借用了水利工程、地质工程及土木工程的技术方法施工垂直防渗墙,一般采用纯水泥浆、水泥黏土浆、塑性混凝土、水泥砂浆和化学水泥复合浆材,也有采用粉喷膨润土方法构筑地下柔性防渗帷幕。

上述研究工作取得的成果推动了我国垃圾填埋场防渗技术的应用与发展,主要集中于填埋场渗沥液产生机理及处理工艺研究,但关于垃圾填埋场防渗浆材对渗沥液吸附阻滞作用的研究成果报导较少。从工程实践看,现有垃圾填埋场垂直防渗技术也存在一些问题,如防渗墙连续性不好,均匀性不够,防渗墙耐久性不高,抗渗性能低和对污染物的吸附阻滞性能差等,急需进一步研究加以解决。

实践证明,一个良好的填埋场防渗系统应具有以下功能:

①防渗系统将渗沥液封闭于填埋库区,形成一个独立的水文地质单元,使渗沥液导入渗沥液收集系统,防止其向填埋场周围渗漏,造成地下水、地表水和土壤的污染。

②防渗系统材料与渗沥液有很好的化学相容性,能抵抗渗沥液的侵蚀,能有效阻滞渗沥液中污染物向外迁移。

③防渗系统能有效阻止地下径流进入垃圾填埋场,避免在填埋库区产生更多渗沥液,增加污水处理量和渗漏的可能性。

④防渗系统具有足够强度和耐久性,确保在填埋工作寿命之内防渗系统的安全性。

⑤防渗系统具有较好的环境效应,其本身不会对环境产生负面影响和破坏。

所以,垃圾填埋场防渗系统应具有渗透系数低（不大于10-7 cm/s),对渗沥液中的有机和重金属污染物有阻滞作用,耐久性好等特点。

2.1.5　填埋场防渗材料

用于填埋场防渗层的材料可分为无机天然防渗材料、天然与有机复合防渗材料和人工合成有机材料三大类。

1)无机天然防渗材料

这种材料主要有黏土、粉质黏土、膨润土及其改性材料等。黏土是较为经济的材料,在填埋场中被广泛采用。但黏土只能延缓渗沥液的渗漏,而不能阻止渗沥液的渗漏,除非黏土的渗透性极低且有较大的厚度。

人工改性黏土的添加剂分有机和无机两种。有机添加剂包括一些有机单体（如甲基脲等)的聚合物、有机聚合体（聚乙烯醇等);无机添加剂包括石灰、水泥、粉煤灰和膨润土等。对于黏土,无论采用有机改性还是无机改性,应选择成本费用低、对环境无污染、防渗效果好的添加剂。

在美国,一般用土-膨润土（SB)作材料,德国等欧洲国家一般用水泥-膨润土（CB)作材料,而日本则用深层搅拌技术。通常在这些材料中掺入炉灰或粉煤灰等,以使防渗隔离墙的渗透系数小于10-7 cm/s,并使之有足够的强度和耐久性。

2)天然与有机复合防渗材料

天然与有机复合防渗材料主要指聚合物水泥混凝土（PCC)防渗材料,沥青水泥混凝土也属该类材料。PCC是由水泥、聚合物胶结料与骨料结合而成的新型填埋场防渗材料,在水泥混凝土搅拌阶段掺入聚合物分散体或者聚合物单体,然后经过浇注和养护而成。PCC作为一种新型建筑材料,已有几十年的研究和应用历史。PCC具有比较优良的抗渗性能,渗透系数由普通水泥砂浆的10-8～10-6 cm/s降低到10-9 cm/s。PCC具有较高的耐磨性和耐久性,并且其抗压强度、抗折强度、伸缩性、耐磨性都可以通过改变配方加以改善,国内研制的PCC防渗材料的抗压强度达到20 MPa。

3)人工合成有机材料

主要是塑料卷材、橡胶、沥青涂层等,这类人工合成有机材料通常称为柔性膜,主要用于水平防渗,目前国内也开始研究用于垂直防渗。常用的柔性膜主要有高密度聚乙烯（HDPE)、低密度聚乙烯（LDPE)、聚氯乙烯（PVC)、氯化聚乙烯（CPE)、氯磺聚乙烯（CSPE)、塑化聚烯烃（ELPO)、乙烯-丙烯橡胶（EPDM)、氯丁橡胶（CBR)、丁烯橡胶（PBR)、热塑性合成橡胶、氯醇橡胶。柔性膜防渗材料通常有极低的渗透性,其渗透系数均可达10-11 cm/s。其中高密度聚乙烯的渗透系数达到10-12 cm/s,甚至更低,是应用最为广泛的填埋场防渗柔性膜材料。

国外在垃圾填埋场建造衬垫层中,早期采用硅酸钠和丙烯酰凝胶,近年来,使用了比硅酸钠和丙烯酰凝胶性能更好的胶态硅、氢氧化铁、褐煤蜡等材料。其他材料还有环氧聚合物、呋喃、聚硅氧烷等。聚硅氧烷和胶态硅等特制新材料的出现大大提高了筑造防渗衬垫的技术水平。这些材料具有比水小的黏滞性,在大范围的化学环境内能长期保持稳定。室内测试表明,渗透系数可达10-8 cm/s,比以前的渗透灌浆技术（10-5 cm/s)降低了3个数量级,明显提高了防渗效果,但费用较高。

根据国外研究资料,垃圾场防渗墙常用黏土与膨润土（SB)、水泥与膨润土（CB)和预制混凝土等材料做成。在防渗材料中掺入粉煤灰或炉灰等,以使防渗墙的渗透系数小于10-7 cm/s,并使之有足够的强度和耐久性。因此,选择膨润土、水泥和粉煤灰作为垃圾渗沥液防渗浆材的主要添加材料,进行膨润土-粉煤灰-水泥（BFC)黏土基防渗浆材的研究是当前垃圾场防渗墙技术攻关的主要方向。因BFC黏土基浆材（膨润土加量超过水泥)具有渗透系数低、对渗沥液的吸附阻滞作用好、成本低、便于现场使用等特点,所以具有更加广阔的应用前景。

2.1.6　垂直防渗施工方法

根据施工方法的不同,可用于垂直防渗墙工程施工的方法有地基土改性法、打入法和开挖法等。

1)地基土改性法施工防渗墙

地基土改性方法施工防渗墙是通过充填、压密地基土等方法使原土渗透性降低而形成的防渗墙。在填埋场垂直防渗墙施工中主要有注浆法、喷射法和原土就地混合法三种。

（1)注浆法施工防渗墙

注浆法即注浆帷幕的一种方法,按一定的间距设计钻孔,采用一定的注浆方法和压力把防渗材料通过钻孔注入地层,使其充填地层孔隙,达到防渗的目的。该方法在我国的垃圾填埋场防渗中应用较广泛。

注浆浆液可利用水泥浆液,添加剂为黏土（或膨润土)和化学凝固剂或液化剂,或者以水玻璃为主的化学溶剂。水玻璃具有耐久性差的弱点,通常适用于临时性防渗。例如,使用52.5号普通硅酸盐水泥与膨润土混合浆液注浆可形成渗透系数达到10-6～10-7 cm/s的垂直防渗墙。使用超细水泥和添加剂浆液注浆可进一步提高防渗效果,但造价相应提高。化学注浆可在水泥注浆之后进行,用以提高注浆的防渗性能,注浆材料有改性环氧树脂、丙烯酸盐和木质素类化学注浆材料等。

采用水泥浆灌注的杭州天子岭垃圾填埋场,其灌注标准为ω≤0.03 L/（min・m2)（ω＝0.01,其对应的渗透系数K＝1.5×10-5 cm/s);南宁市垃圾填埋场,其灌注标准为ω≤0.02～0.05 L/（min・m2);南昌麦园垃圾填埋场垂直防渗采用黏土固化浆,即以粒度为200目以上的商品黏土为主要注浆材料,加一定比例的普通水泥及少量外加剂配制而成的不同水固比的浆液,对该场址岩层的微小裂隙进行注浆封堵,结石体本身渗透系数一般可达10-5 cm/s左右,并确定其帷幕灌注标准为ω≤0.01 L/（min・m2)。

（2)喷射法施工防渗墙

喷射法施工是指通过高压旋喷或摆喷方法使浆液与地基土搅拌混合,凝固后成为具有特殊结构、渗透性低、有一定固结强度的固结体。该方法可使防渗墙的渗透系数达到10-8 cm/s,固结体强度可达到10～20 MPa。浆液可使用膨润土—水泥浆液或者化学浆液。

（3)原土就地混合法施工防渗墙

原土就地混合法施工方法是将欲形成防渗墙位置的原状土用吊铲等工具挖出,并使其与水泥或其他充填材料就地混合后重新回填到所开挖的槽中。为了保证切槽的连续施工,采用膨润土浆液护壁。该方法在美国应用较多。该法适用于深度较浅的防渗墙。

2)打入法施工防渗墙

打入法施工防渗墙是利用夯击或振动的方法将预制好的防渗墙体构件打入土体成墙,或者利用夯击或振动方法成槽后灌浆成墙的一种方法。用这种方法施工的防渗墙有板桩墙、复合窄壁墙及挤压灌注防渗墙、振动水力喷射成槽造墙。

（1)板桩墙

板桩墙的施工是将已预制好的板桩构件垂直夯入地层中。常用的板桩有钢板桩和外包铁皮的木板桩,板桩之间要用板桩锁连接,两板桩之间要有重叠,间隙要保持闭合或进行密封,防止渗漏。板桩墙还要有耐腐蚀性。板桩墙比较适宜在软体土层中使用,对于硬塑性土层则由于打夯困难而受到限制。

（2)复合窄壁墙

复合窄壁墙施工是先通过夯击或振动将土体向周围排挤形成防渗墙空间,把防渗板放入已形成的防渗墙空间,然后注浆充填缝隙形成防渗墙体。复合窄壁墙的施工有梯段夯入法和振动冲压法。

梯段夯入法是先夯入厚的夯入件,最后分梯段夯入最薄的夯入件达到预计深度。打夯结束后,把含有膨润土和水泥的浆液注入形成的槽内,硬化后便形成了防渗墙体。

振动冲压法是用振动器把板桩垂直打入土体里,直至进入填埋场基础下方的黏土层里,板桩以外的空隙注浆充填。施工时还要求振动板之间的排列和搭接闭合成一体,两板的间隙要保证闭合和封闭。板桩墙通常是耐腐蚀的。

（3)挤压灌注防渗墙

利用冲击锤或振动器将夯入件打入所要求的深度,夯入件在土体中排挤出一个槽段空间,一般5～6个夯入件循环使用,当第3和第4个夯入件打入后,前两个打入件可起拔出来,向槽段灌注防渗浆材成墙。灌注浆材料可使用由骨料（砂和粒级0～8 mm的砾石)、水泥、膨润土和石灰粉加水混合而成土状混凝土。土状混凝土各成分配比应根据对防渗墙体要求的渗透性、强度和可施工性等指标而定。防渗墙体材料应满足制成防渗墙体的渗透系数（＜10-7 cm/s),并满足抗腐蚀性、能用泵抽吸、具有流动性、便于填充等要求。

（4)振动水力喷射成槽造墙

振动水力喷射成槽造墙工艺将垂直振动与水力喷射成槽、泵吸反循环排渣、槽内注浆造墙等技术方法组合起来使用,其造墙效率高,可比液压抓斗等机械式成槽机提高3倍以上;实现单元槽段无接头连接,防渗效果显著;槽孔尺寸可调,成槽深度大。该施工方法已由本课题组申请为国家专利。

3)开挖法施工防渗墙

开挖方法施工防渗墙是通过挖掘地下土形成沟槽,槽壁的稳定由灌入的泥浆维护,然后在沟槽中灌注墙体材料,并将泥浆挤出而形成防渗墙。

防渗墙施工可用的材料组成有:塑性材料（Ca、Na膨润土,黏土)、骨料（砂、岩粉等)、水泥、水、添加材料（稳定剂、挥发剂等)。上述矿物防渗材料有时达不到填埋场防渗要求,需采取进一步防渗措施。常用方法是使用复合防渗系统,类似于水平防渗系统中的复合衬层系统,如使用柔性膜［如高密度聚乙烯（HDPE)膜］和矿物材料复合组成复合垂直防渗系统。复合垂直防渗系统的优点是:渗透性极低,具有很好的防渗效果;通过减少过流量,可使长期稳定性增强;墙体具有较高强度;由于柔性膜分布于整个墙体中,避免了墙体可能存在的缺陷;具有可监测性和可修复性;由于柔性膜材料可相互连接,避免墙体连接可能出现的缝隙。

2.2　防渗浆材的组成与配方的优化研究

2.2.1　防渗浆材的组成

根据目前国内外垃圾填埋场防渗浆材研究现状与应用成果,针对垃圾填埋场防渗对防渗浆材及其结石体性能的要求,本着经济、实用、环保的原则,选择膨润土、水泥和粉煤灰作为垃圾渗沥液防渗浆材的主要添加材料。

1)膨润土

膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土岩。膨润土资源十分丰富,世界已探明储量近百亿吨,其中美国、苏联和中国的储量约占世界地质储量的1/4。钙基膨润土占世界地质储量的70%～80%,钠基膨润土资源十分有限。我国膨润土储量居世界第二位,仅次于美国,主要集中在东北和东部沿海各省,如吉林公主岭和九台、辽宁黑山、山东潍县涌泉、浙江临安和仇山等,且80%以上为钙基膨润土。