水化液体对土工织物粘土垫层水力特性的影响
1．序言
土工织物粘土垫层（ＧＣＬｓ）已经被广泛地用于填埋中的隔水层，污染场地的补救，以及次生污染系统。
在复合材料垫层中，ＧＣＬｓ可被辅设在土工膜下方，或在其它情况中，作为一种单独的垫层。
虽然ＧＣＬｓ具有较低的水力渗透率，这是公认的，但在一些情况中，将不得不限制液体的流动（指非饮用水）。例如，一些填埋物可能位于靠近海岸线处，因为寻找合适的位置，已经成为非常困难的事情。在这种情况下，使用ＧＣＬ垫层在沥滤渗透之前可能与海水接触。其它可能发生的情况是，在重工业区或邻近重工业区，酸雨是主要的环境影响之一。对于这些区域的填埋，酸雨水可能是水化ＧＣＬ液体。更进一步讲，ＧＣＬｓ在覆盖物中可能易遭受酸雨的长期渗透作用。
１．１ ＧＣＬｓ的水力传导率
有这样几项观察孔液对ＧＣＬｓ工程特性影响的研究。大多数的观察集中在水力传导率的变化上。例如，有人已经做过用各种化学溶液，包括天然的或人造填埋物的沥出液渗入ＧＣＬｓ样品的试验。
阳离子、电解质、渗透常数和水化液对ＧＣＬｓ中膨润土的水力传导率具有很强的影响。通过渗透一个自来水水化液ＧＣＬ样本，用０２５Ｍ ＣａＣｌ２溶液，作用于３５ｋＰａ应力下，ＧＣＬ样品的水力传导率增加近１０倍。试验由格力森等人完成，结果示出，当渗透物由自来水转换为０２５Ｍ ＣａＣｌ２溶液时，压实的砂性膨润土混合物水力传导率增加了约１００倍，另外，在描述ＧＣＬ安装现场时提到，此膨润土中的钠被石灰岩表层滤去的钙置换，引起了水力传导率的大量增加。
由试验中可以看出，控制ＧＣＬｓ让其能阻止化学溶液渗漏的最重要因素是水化液体。当一个ＧＣＬ样品先于其它的渗透液水化，ＧＣＬｓ的水力传导率仍然非常低（在１０ １１—１０ １０ｍ／ｓ范围内）。另外，ＧＣＬｓ的渗透作用与实际的冲洗液造成较低的水力传导率（１０ １２—１０ 1０ｍ／ｓ）。从而得出结论，由于实际的冲洗液包含数量大约相等的单价和多价的阳离子，单价阳离子可抵销多价阳离子的影响。
试验结果示出，ＧＣＬ样品用蒸馏水预先水化，当ＮａＣｌ的浓度，从００１增加到２０Ｍ时，ＧＣＬ的水力传导率增加近１５—２个数量级，由于ＧＣＬｓ孔隙率的增高，其水力传导率有所增加。由于浓度接近孔隙率全部作用的相同级别，造成水力传导率的增加。对比一下，用ＮａＣｌ溶液预先水化的ＧＣＬ样品，当ＮａＣｌ浓度从０１增加到２０Ｍ时，ＧＣＬ的水力传导率增加近２５—３的数量级。结论是ＧＣＬ直接滤过的ＮａＣｌ溶液相对初始滤过蒸馏水而言，吸附层厚度比孔隙率的影响更大。
在盐浓度增加时对针穿孔ＧＣＬ的水力传导率的作用进行了研究。研究人员发现，ＧＣＬ的水力传导率随ＮａＣｌ的浓度而增加，不管ＧＣＬ是否渗透蒸馏水或是直接渗透ＮａＣｌ溶液。结果表明，盐溶液浓度增加可收缩吸附层并显著增加水力传导率，甚至当渗液仅包括单价阳离子时。
用各种溶液对ＧＣＬ进行膨胀试验和水力传导率试验。试验结果指出，ＧＣＬｓ渗透的溶液包括二价的，三价的阳离子具有较高的水力传导率和较低的自由膨胀率（与ＧＣＬｓ渗透单价溶液或消离子水比较）。另外，也推断出，当ＰＨ值非常低（＜３）或非常高（＞１２）时，才影响ＧＣＬｓ的膨胀和水力传导率。
对ＧＣＬ渗透不标准液的水力传导率作用因素试验进行了讨论。试验结果表明，不标准液包括单价阳离子的高浓度和低浓度的多价阳离子，可以导致水力传导率的显著增加，试验提供充分的时间进程，以使吸附的阳离子进行交换。在化学平衡之前，水力传导率（包括预水化的ＧＣＬｓ）的试验结束，可能导致测得的水力传导率不代表化学平衡时的水力传导率，而可能是很低的。
进一步讲，还进行了其中包括非水液体渗透ＧＣＬｓ的研究。土地管理部门采用汽油、柴油和煤预先水化渗透ＧＣＬ。结果示出在有效压力２０７ｋＰａ作用下，样品的水力传导率低于１×１０ １１ｍ／ｓ。还发现，当被有机液体和化学溶液渗透时，水化作用的ＧＣＬｓ的水力传导率没有看出有显著的增加。
对乙醇浓度对针穿孔ＧＣＬ的水力传导率的作用进行了研究。乙醇浓度≤５０％时，水力传导率是下降的，反之，当乙醇浓度高于５０％时，水力传导率逐渐增加。这种情况可解释为受到吸附层的厚度和粘滞度作用的影响。
２ 试验程序
为了估算填埋中ＧＣＬｓ的性能，或海岸区和酸雨区次生污染防治设备的性能，实施了一系列渗透试验。通过水化／渗透液体的类型和它们应用的效果进行选择。
另外，在ＧＣＬｓ中，膨润土的自由膨胀试验采用同样的液体排列组合进行，有助于估价水力传导率试验的结果。
２.１ 土工织物粘土垫层
ＧＣＬｓ在这项研究中的应用指定名称为ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ。接下来的描述是以工厂制造加工提供的信息为基础。ＧＣＬ—Ａ包括非纺织针刺土工织物，这种土工织物是针再一次通过膨润土层刺入有纺的缝—膜土工织物。膨润土含量为３６ｋｇ／ｍ２。“干性”膨润土的水份含量在ＧＣＬ—Ａ中约为１０—１２％。在ＧＣＬ—Ｂ中，３６ｋｇ／ｍ２的膨润土粘合在两织物之间，上面的一层是有纺的土工织物，下面一层是稀松有纺土工织物。两种ＧＣＬｓ的厚度在干燥情况下约为６ｍｍ。
２.２水化作用和渗透液体
ＧＣＬｓ水化液和渗透液的选择包括自来水、酸性水、海水、ＭＳＷ淋洗液和汽油。这些液体的选择特性列于表１。
酸性水是在电离—蒸馏水中加入了盐酸。ＰＨ值调整到５.０，这个值是相对于大多数酸雨的ＰＨ值。应该注意，在某些范围内，遭受了相当严重的工业污染后，雨水的ＰＨ值甚至可以低于４.５。
从直埋物附近的海滨提取海水，从同一直埋物处理厂抽取ＭＳＷ冲洗液的样品，冲洗液各种主要指标的浓度列于表２。
2.3 试验设备和程序
2.3.1自由膨胀试验
为了获得膨润土对试验液体的反应，进行了一系列自由膨胀试验。试验按照ＡＳＴＭ Ｄ５８９０—９５标准，除了膨润土允许在某些液体中膨胀以外。对于每一种试验，把２ｇ烘干的膨润土放进１００ｍｌ圆柱型量筒内，加９０ｍｌ水化液体。大约１８小时后，对膨润土体积进行量测。
２.４水力传导率试验
进行水力传导率试验的ＧＣＬ样品直径为１００.０ｍｍ（３.９４ｉｎ）。试验的ＧＣＬ用柔性壁渗透仪按照ＡＳＴＭ Ｄ５８８７—９５标准程序进行。ＩＤ）渗透的接口设备用做渗透液容器。样品被水化并给予５１６.８ｋＰａ（７５.０ｐｓｉ）的反压力，以提高饱和度。样品的有效应力保持在３４.５ｋＰａ（５.０ｐｓｉ）。样品的容量变化采用水化度指示器进行监测。水化时间为４８小时。对于用消电离蒸馏水和自来水水化的样品，水化时间约为１星期。
参照有关人员的研究，在可比性试验结束前，ＧＣＬ的高度应为常数。在这项研究中，监视水化过程中和渗透期间样品的体积变化，记录压力盒中水的容量变化。最终，全部的水力传导率试验，样品的体积达到稳定。另外，试验后测量样品的高度。
ＧＣＬ样品与各种液体的水化／渗透结果列于表３。对于样品，流入和流出压力调整为１３.８ｋＰａ的规定水头差，相当于约１５０的水力梯度。对于每项试验来说，任何单一液体的渗透直到显现为平衡，即：流出率与流入率的比保持在１±０.１，以及计算的水力传导率变化小于４个连续量测平均值的２５％。化学平衡条件用ＰＨ值和电的传导率进行评定。
３.结果论证
３.１自由膨胀试验结果
自由膨胀试验结果示于表３。
用Ｇｕｏｙ－查普曼理论描述膨润土的膨胀与溶解物的阳离子化合价的关系，电解值浓度和溶解物的不导电常数。正如所料，膨润土用海水浸泡后证明了其最低限度的膨胀。海水较多的电解质浓度和多价的阳离子抑制了膨润土的膨胀。另一方面，可以发现，膨润土由酸性水溶化膨胀量最大。必须注意到，膨润土浆的ＰＨ值为８—９，受到泥浆液／固体率的影响。因此，产生这个结果的原因可能是酸与孔隙水中的碱相中和，这样使得膨润土更加膨胀。另外膨润土由ＭＳＷ冲洗液水化，其膨胀程度仅为消电离水的一半，这是由于淋洗液中的溶解物造成的。
３.２水力传导率试验结果
表４为水力传导率试验结果的简要概括。试验后量测的样品物理性质在表５中示出。
特别注意到，ＧＣＬｓ对酸性水的水力传导率和ＭＳＷ冲洗液的水力传导率与消电离水的相似。关于各种水质的水力传导率的详细介绍在下文中叙述。
3.2.1水
样品对自来水或消电离水的渗透，其水力传导率相对稳定且快。ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ样品对自来水的渗透作用，其水力传导率分别为４.４×１０ -１１和４.８×１０ -１１ｍ／ｓ。ＧＣＬｓ对消电离水的水力传导率均为２.７×１０ -１１ｍ／ｓ。另外，虽然非常缓慢，但样品的体积仍在增加。对于水的渗透，这两个型号ＧＣＬ的水力传导率几乎是相同的。
图１ 自来水水化水力传导率试验结果
图２ 消电离水水化样品的水力传导率试验结果
３.２.２海水
ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ对海水渗透的水力传导率分别为１.７×１０ -７和１.２×１０-２。这个结果是海水→淋洗液水力传导率试验中的一部分。ＧＣＬ样品的水力传导率在渗透过程中仍然趋于稳定。然而，ＧＣＬ—Ａ的水力传导率是ＧＣＬ—Ｂ的１５倍。出流的ＥＣ经渗透过程而减少，最终接近海水的ＥＣ（图３ｂ）。
图３海水水化样品的水力传导率试验结果
出流的ＰＨ值随试验的进程而有所降低（见图３Ｃ）。Ｎａ＋，Ｃａ２＋及Ｋ＋的各种浓度示于图３（ｄ）。ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ的阳离子浓度相同。渗透作用初期，出流液体Ｎａ＋的浓度比海水中的浓度大，然后逐渐减少，最终低于海水浓度。另一方面，出流液体Ｃａ２＋的浓度稳定低于海水。更进一步讲，Ｋ＋的浓度稳定高于海水，因此可以推断，膨润土中的Ｋ＋离子也被替代。很显然，阳离子的替换过程在膨润土颗粒表面持续进行。在试验初期，Ｎａ＋和其它所有离子浓度的增加可能是ＥＣ较高的原因（见图３ｂ）。
另一方面，对于水化后的ＧＣＬ样品用海水渗透，其水力传导率直到４倍孔隙体积的海水透过后才停止增加。ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ样品对海水的水力传导率分别从３.０×１０-１１和２.５×１０ -１１增加到２.２×１０ -１０和１.２×１０ -１０ｍ／ｓ。这些水力传导率数值比ＧＣＬ样品直接渗透海水要低得多。一旦渗透由自来水转换成海水。流出率（ｑｏｕｔ）比流入率（ｑｉｎ）大。这种现象类似于Ｄａｎｉｅｌ报告的用ＣａＣｌ溶液渗透消电离蒸馏水水化的ＧＣＬ。ｑｏｕｔ或ｑｉｎ的升高可能是由于双层膨润土渗出的收缩量造成的。吸附水的释放增加了流出率。在渗透量大到１倍孔隙体积时，流出／流入率达到最大值，并很快回落到一个相对稳定值。另外，在渗透作用中，ＧＣＬ样品的体积稳定降低。流出液体的导电率在试验的第一阶段明显增加，然后逐步下降。最终流出液体的导电率几乎与流入的海水一样。流出液体的ＰＨ值开始约为８.２，然后持续下降。
导电率峰值发生在水流量达１孔隙体积之后。ｑｉｎ／ｑｏｕｔ的峰值也发生在孔流量为１的前后。海水中Ｎａ＋，Ｃａ２＋和Ｋ＋的浓度分别为４６００、４８０和２９０ｍｇ／ｌ，高价阳离子和高电解质浓度海水导致水力传导率的增加。另外，在膨润土颗粒表面，阳离子的交换作用是流出液体导电率发生变化的原因。ｑｏｕｔ／ｑｉｎ比率的变化可能是由于双层膨润土颗粒的收缩量造成。
然而，就水力传导率而言，这项研究的结果证实了ＧＣＬｓ与淡水的水化作用可以在一定程度上降低液体的负面影响，如海水。然而，自来水水化作用的ＧＣＬｓ水力传导率低于海水水化作用ＧＣＬｓ的水力传导率。
3.2.3酸性水
当酸性水用于水化作用和渗透作用液体时，水力传导率的作用不明显。流出液体的导电率比酸性水要高得多。这可能是由于一些盐份从膨润土中释放到酸性水中造成的。从一系列试验，检测的流出液体的ＰＨ值见图４。由于ＧＣＬ样品的入流和出流面都与酸性水起水化作用，由收集到的几乎全部的出流液体示出ＰＨ值是稳定增高的。增高的ＰＨ值证实，膨润土具有相当大的缓冲容量。然而，预计长期被酸性液体溶解，最终膨润土将竭尽其缓冲容量。从出流ＰＨ值示出到试验末尾时，有降低的趋势。如果水力传导率试验持续时间较长，那么出流的ＰＨ值与入流的相同。然而，有人建议，由于这项研究中采用酸性水的ＰＨ值，大于３，水力传导率也许仍可保持在１０ -１１ｍ／ｓ范围。
3.2.4冲洗液
水化ＧＣＬ样品，并渗透ＭＳＷ冲洗液，在出流量达１个孔隙体积前连续监测ＧＣＬ样品的水力传导率。水力传导率和ｑｏｕｔ／ｑｉｎ的比率在渗透作用开始不久就达到稳定。最终ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ对ＭＳＷ冲洗液的水力传导率分别为３.０×１０ -１１和２.６×１０ -１１ｍ／ｓ。在ＰＨ值稳定，渗透作用继续的情况下，出流液的导电率降低。
然而，对于用自来水预水化的ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ样品，对冲洗液的水力传导率分别为３.７×１０ -１１和１.９×１０ -１１ｍ／ｓ。转换为渗透冲洗液不会导致水力传导率的明显增加。ＧＣＬ样品在自来水水化作用前似乎释放一些盐份到渗出物中，从而引起了导电率的增加。
虽然冲洗液包含各种型式数量可观的阳离子，但对水力传导率的作用非常小，因为高化合价阳离子的浓度相对低于钠离子浓度。与此同时，开始出流液的ＰＨ值高于ＭＳＷ冲洗液并逐渐达到平衡。
对于水化和开始用海水渗透的样品，一旦开始用ＭＳＷ冲洗液，水力传导率便会迅速下降。ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ的水力传导率从１.７×１０ -７和１.２×１０ -８ｍ／ｓ分别下降至１％×１０ -９和２.０×１０ -１１。用海水水化的ＧＣＬ—Ａ对ＭＳＷ冲洗液的水力传导率大大高于ＧＣＬ—Ｂ。进一步讲，ｑｏｕｔ／ｑｉｎ的比率在ＭＳＷ冲洗液的渗透过程中小于１Ｈ欢洌瘢铮酰簦瘢椋瞠嚷适贾战咏?０，没有观察到明显的流量变化。水力传导率明显下降的原因可能是由于ＭＳＷ冲洗液对膨润土的重新水化造成的。这可由ＧＣＬ样品流量的增加表明。与此同时，当流出物由海水转换为ＭＳＷ冲洗液时，其导电率明显降低。最终，必须再次指出，海水对ＧＣＬ—Ａ具有更明显的作用，因为海水水化的样品对ＭＳＷ冲洗液的水力传导率大大高于ＧＣＬ—Ｂ。进一步讲，由ＰＨ值和导电率量测的结果判断，试验在结束时接近平衡。
图４酸性水水力传导率试验结果
图５ＭＳＷ淋洗液水力传导率试验结果
对于酸性水水化的ＧＣＬ样品，对ＭＳＷ冲洗液的水力传导率试验结果示于图７。
图７酸性水水化的ＧＣＬ样品对ＭＳＷ冲洗液的水力传导率试验结果
样品的水力传导率，在转换为ＭＳＷ冲洗液渗透之后，有所增加。ＧＣＬ—Ａ和ＧＣＬ—Ｂ样品对ＭＳＷ冲洗液的水力传导率最终值分别为４.８×１０ -１１和２.３×１０ -１１ｍ／ｓ。ｑｏｕｔ／ｑｉｎ比率在ＭＳＷ冲洗液渗透作用的初期阶段显示出某些变化，但随着试验的进展，其平均值接近１.０。对于ｑｏｕｔ／ｑｉｎ比率产生变化的原因还不清楚。可能是由于ＭＳＷ冲洗液代替海水时阳离子置换过程导致的双层渗出所致吸收的水量变化造成的。或是悬浮物、ＭＳＷ冲洗液中的微生物阻塞了孔隙。
进一步讲，在渗透作用的后期，ＭＳＷ冲洗液几乎完全替代酸性水。之后出流液体的导电率几乎达到了平衡。
总的来说，ＧＣＬｓ用冲洗液、自来水、海水和酸性水水化作用的水力传导率均非常相似。仅有ＧＣＬ—Ａ在ＭＳＷ冲洗液渗透之前，预先由海水水化的情况例外。
总之，可以推断，尽管水化液体不同，但ＧＣＬ样品对ＭＳＷ冲洗液的水力传导率仍然都非常的低。
3.2.5汽油
对于自来水——海水——汽油系列，是连续性的试验。出流液体的收集是在转换为汽油之后，同时孔隙流量为小于０１的时候。小流量渗透的ＧＣＬ样品取自入流后期透水板中的酸性水或海水。施加的水力梯度不能克服进水口压力，汽油不能进入孔隙。汽油的渗透作用示出，酸性水水化的ＧＣＬ样品不渗透汽油。对酸性水的水力传导率试验是这一系列试验的第一阶段。渗透由酸性水转换为汽油之后，在渗透结束之前，仅收集了０.２孔隙体积的出流。在水力传导率最终量测之后，试验进行了至少３个星期，因此可以计算出，汽油不能渗透过水化的ＧＣＬ样品，不管是海水还是酸性水。可以估测一下，汽油渗入孔隙水，最终可能由于汽油较低的不导电常数造成ＧＣＬ样品的水力传导率显著增加。然而，在渗透作用持续时间较长的情况下，这还需做进一步的水力传导率试验。
３.２.６ 与自由膨胀试验的相关性
水力传导率试验结果与自由膨胀试验结果有着密切的关系。当液体的渗透作用使膨润土的膨胀加大的情况下，ＧＣＬ样品的水力传导率低。然而，渗透作用的化学性质不仅是控制水力传导率的唯一因素。例如，悬浮物和在ＭＳＷ冲洗液中的微生物可进一步降低ＧＣＬｓ的水力传导率。
图６ ＭＳＷ淋洗液与自来水水化ＧＣＬｓ样品比较的水力传导率试验结果
4.结论
研究结果使我们可以深入了解在沿海区域和酸雨区域的填埋和二次污染控制系统中对ＧＣＬｓ的应用前景。
当ＧＣＬｓ设置为防渗层的时候，可以把填埋的渗透作用减至最小，即使渗滤液体为酸性雨。对于填埋时底部的ＧＣＬｓ垫层系统，将仍然会妨碍冲洗液的流动，即使是被海水或冲洗液本身水化的。
ＧＣＬｓ作为一项次生污染控制系统的屏障，对汽油或其它有机液体仍然是长期有效的，不管是由什么样的水，海水或酸性雨水产生的水化作用。
图８水力传导率试验与自由膨胀试验结果之间的关系
5.总结
本文分析了孔隙液体对两种ＧＣＬｓ工程特性的影响。其中的一种ＧＣＬｓ具有内在的加固纤维，而另一种没有。
两种ＧＣＬｓ的水力传导率都取决于水化作用和渗透作用的化学性质。只要ＧＣＬｓ用水状溶液水化或渗透，其水力传导率将保持最低。
已经水化并由水状溶液渗透的ＧＣＬｓ样品，其水力传导率受最后的一种液体控制。用汽油渗透，结果示出，只要ＧＣＬｓ被水化，由于水头差低于进水口压力，汽油将不能渗透通过。因此，可以得出这样的结论，即使ＧＣＬｓ由海水、酸性雨水或冲洗液水化，它将仍然是有效的水力屏障。
进一步讲，自由膨胀试验结果可用于预测水化液体或渗透作用对ＧＣＬｓ的水力传导率的影响。膨润土的自由膨胀率越大，其水力传导率越低。
综上所述，ＧＣＬｓ可以在填埋和二次污染系统中作为有效的水力保障。酸性水、海水或冲洗液，均可用作水化液体，不必是饮用水。
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