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钙基膨润土在隔离墙中的应用

钙基膨润土在 竖向隔离墙 中的应用 165 设和可持续发展战略.在众多污染修复技术中,竖 向隔离墙技术是 防止污染物随地下水迁移、围堵污 染范围扩散 的有效措施之一 . 竖 向隔离墙 的建造步骤包括 :沟槽开挖 、注入 泥浆护壁 、回填料拌和及回填 L6 J.泥浆 以在沟槽侧 壁 中形成的滤饼为作用 面,在 自重力作用下 ,为开 挖沟槽侧壁提供水平向压力 ,保持沟槽侧壁稳定 , 防止侧壁坍塌.此外 ,滤饼还起到阻断沟槽 中泥浆 往侧壁邻近土体中渗透流失、防止地层中的水往沟 槽内入侵的作用 .膨润土泥浆 的稳定性是影 响竖向 隔离墙成功建造 与否的关键性 因素 J,其 主要设 计参数包括马氏黏度、泥浆密度、滤失量和 pH值 , 这些性质受膨润土质量影 响显著. 传统竖 向隔离墙泥浆 由约 5%钠基膨润土 和 约 95%水构成 ,对于高质量钠基膨 润土相对 匮乏 的国家和地区 ,可考虑将储量较为丰富的钙基膨润 土作为替代材料" J.但钙基膨润 土分散和防渗性 能均较钠基膨润土差 ,钙基膨润土需经改 良后方可 应用于竖向隔离墙技术.通过前期试验发现磷酸盐 可有效保持高岭土一膨润土的分散性,缓解其受污 染物侵蚀所发生的絮凝现象 ,其中六偏磷酸钠的分 散效果尤为显著 1引.

此外 ,已有研究 [1 坞 发现六 偏磷酸钠可有效改善高岭土、膨润土或天然黏土的 吸附能力和工程特性,表明六偏磷酸钠有望促进钙 基膨润土在竖 向隔离墙技术 中的应用。然 而 ,关于 将六偏磷酸钠改 良钙基膨润 土应用于阻滞污染运 移技术的相关研究仍鲜见报道. 本文以六偏磷酸钠改良
钙基膨润土泥浆为研 究对象 ,进行了系列泥浆试验,探讨在不同磷酸盐 和膨润土掺量下 ,泥浆马氏黏度 、泥浆密度、滤失量 和 pH值的变化特性 ,评价通过添加六偏磷酸钠提 高钙基膨润土应用于竖向隔离墙技术 的可行性 ,并 在对 比各参数特性测量值和推荐值的基础上 ,进一 步筛选符合竖向隔离墙建造及回填料制备要求的 泥浆,提出改良钙基膨润土的六偏磷酸钠最优掺量 建议值. 1 试验材料与方 法 1.1 试验材料及改良土制备 钙基膨 润土 由美 国胶 体环 保 技术 有 限公 司 (Colloid Environmental Technologies Co.,Hoff- mall Estates,IL,USA)提供 ,其颗粒分布曲线根据 ASTM D422-63进行测定 ,结果如图 1所示.液 、塑 限根据 ASTM D4318进 行 测定 ,结果 表 明 ,液 限 wL=103% ,塑限 w :48%,塑性指数 ,D:55% , 属于高液 限粉土 (MH).六偏磷 酸钠 由 Humboldt Manufacturing Co.(Schiller Park,IL,USA)提供 , 其 商 品 名 称 为 “H-4247 Sodium Hexametaphos— phate”,以下简称 SHMP,分子式为(NaPO3)6. 蠢 鑫 S 登 -∈' l0o 80 60 40 28 1o~2 10一 10— 土粒直径/mm 钙基膨润土在隔离墙中的应用

钙 基膨 润土颗粒 分布曲线 本文选取改 良钙基膨润土(以下简称改 良土) 的六偏磷酸钠掺量(磷酸盐质量占膨润土干土质 量百分数 )为 0% ,0.5% ,1%,2%,4% ,8%,制备 过程如下 :① 将 晶粒状六偏磷酸钠置于去离子水 中,用磁力搅拌 机搅拌至 完全溶解制得磷 酸盐溶 液 ,去离子水用量应足以保证钙基膨润土含水率为 其液限的2倍.② 在磷酸盐溶液中按六偏磷酸钠 与膨润土干土质量 比0—8%加入一定量风干膨润 土,于快速搅拌机中充分搅拌 30 min,制浆.将所制 土浆倒入烧杯中 ,室温下密封 静置 24 h,待水化完 全后于搅拌机中再次搅拌 10 min.③ 将土浆于 105℃烘箱 中烘干 ,研磨过 75 i xm筛 ,制得不同六 偏磷酸钠含量的改良土. 1.2 试验方法 试验设计 的磷 酸盐掺量为 0—8% ;膨润土含 量为 10% ,15% ,20% ,25% ,30% ,其中膨润土含 量百分数为膨润土的干土质量与泥浆质量之比.泥 浆制备仪器为图2所示的快速搅拌机.

膨润土泥浆 按 以下方法制备 :将一定量膨润土与 自来水用快速 图 2 快速搅拌机实物图 l66 东南大学学报 (自然科 学版 ) 第46卷 搅拌机高速搅拌 5 min,所得泥浆密封于烧杯中静置 24 h,待充分水化后再次高速搅拌 5 min,随后立即 对泥浆进行马氏黏度 、密度 、滤失量和 pH值测量. 马氏黏度 、泥浆密度和滤失量试验均参照美国 石油协会 (American Petroleum Institute,API)13B一1 规范 进行.试验设备包括秒表 和 201型马 氏漏 斗黏度计 、SERIES 300 API型滤失仪 和 140型 泥 浆密度计( 图 3).pH值测量仪器为 Cole—Parmer一 720型 pH计 . (a)马氏漏斗黏度计 (b)滤 失仪 (C)泥浆密度计 图 3 试验设备实物 图 2 结果与讨论 2.1 马 氏黏度 传统竖向隔离墙膨润土泥浆的设计参数推荐 值为 。:马氏黏度 40 S,密度 1.0l~1.04 g/cm , 滤失 量 < 25 mL,6.5≤pH≤10. 图 4为不 同磷酸盐掺量下泥浆马氏黏度与膨 润土掺量关系曲线.图中 CaB表示素土 (未经磷酸 盐改 良
钙基膨润土 )泥浆 ;X SHMP—CaB代表改 良 土(经 % 磷 酸盐 改 良钙 基 膨 润 土 )泥 浆 ,如 2 SHMP—CaB表示 含 2%磷酸盐掺量的改 良土泥浆. 由图可见 ,泥浆马氏黏度受膨润土掺量和磷酸盐掺 量影响显著.相同磷酸盐掺量下 ,马氏黏度 随膨润 土掺量增加 而增加.如膨润土掺量 从 10%增加至 30%,素土泥浆的马氏黏度值南 30 S增加为 68 S, 增幅为 127%.此外 ,泥浆马氏黏度随六偏磷酸钠 掺量增加表现 出不同程度 的增 加,磷酸盐掺量 为 8%时,B30泥浆试样 因过于黏稠而无法测量其马 氏黏度值.总体而言 ,含磷酸盐泥浆 的马氏黏度高 于素土泥浆. 2 I 2 1 1 德 膨润土掺量/% 图 4 泥 浆马 氏黏度 由图 4可知 ,接近推荐值 40 S的泥浆有 25% 膨润土掺量 的 CaB、0.5 SHMP—CaB和 l SHMP— CaB,20% 和 25% 膨 润 土掺 量 的 2 SHMP—CaB, 15%膨润土掺量的4 SHMP—CaB. 2.2 泥 浆密 度 图 5为泥浆密度试验结果.

泥浆密度范围 为 1.06~1.26 g/cm ,高 于传统竖 向隔离墙 膨润 土泥浆密度推荐值 1.01—1.04 g/cm .这是 由于 本文泥浆试样的膨润土掺量(10% ~30%)远 高于 传统膨润土泥浆 (~5% )所致.表明传统钠基膨润 土泥浆密度的要求或不适用于
钙基膨润土情况. 膨润土掺 量/% 图 5 泥浆密度 泥浆密度随膨润土掺量增加呈 明显线性增长 趋势,表明膨润土掺量对泥浆密度影响显著.膨润 土掺量由 10%增至 30% ,含 8%磷酸盐泥 浆密度 从 1.07 g/cm 增 至 1.26 g/cm ,增量达 l8%.相 比之下,磷酸盐掺量对泥浆密度影响不显著.相 同 膨润土掺量下 ,随磷酸盐掺量增加 ,泥浆密度增 幅 < 3% 一,Eu.暑)\越稍 增刊 杨玉玲,等:改良钙基膨润土在竖向隔离墙中的应用 167 2.3 滤失量 图 6为不同磷酸盐掺量下泥浆滤失量和膨润 土掺量关 系曲线.由图可知,泥浆 滤失量受膨润土 掺量和磷酸盐掺量影响显著,其变化规律与马氏黏 度相反.泥浆滤失量随膨润土和磷酸盐掺量增大而 显著降低.膨润土掺量越低 ,六偏磷酸钠 的影响作 用越明显 ;类似地 ,磷酸盐掺量越低 ,膨润土掺量对 滤失量影响效果越 明显. 图 6 滤 失量 素土泥浆滤失量范 围为 36—117 mL;改 良土 泥浆滤失量范围为 4~102 mL.

总体而言 ,相 同膨 润土掺量下,素土滤失量大于改良土泥浆,且所有 素土泥浆和 0.5 SHMP.CaB泥浆均不满 足竖 向隔 离墙膨润土泥浆滤失量要求.而其余 泥浆则部分满 足滤失量要求 ,如膨润土掺 量 =30% 的 1 SHMP— CaB泥浆 ,膨 润土掺量 ≥20% 的 2 SHMP—Ca B 泥 浆 ,除 10%膨 润土掺量外的其余 4 SHMP—Ca B 泥 浆及所有 8 SHMP—Ca B 泥浆 .由此可见 ,六偏磷酸 钠对提高泥浆滤失量特性起积极作用. 2.4 pH 值 图7为不同磷酸盐掺量下泥浆 pH值随膨润 土掺量 的变化情 况.结果表 明,素土 泥浆 pH值 不 受膨润土掺量影 响,基本稳定在 7.8;而改 良土泥 浆 pH值随磷酸盐和膨润土掺量增加而降低 ,其变 化范围为 7.5~5.8.改 良土泥浆 pH值降低是由磷 图 7 泥浆 pH值 酸盐的偏酸性(4%溶液 中 pH=5.8)特征导致的. 图 7还表明,大部分含 4%和 8%磷酸盐的泥浆不 能满足隔离墙泥浆 6.5≤pH≤10的要求. 
钙基膨润土在隔离墙中的应用

综合 以上试验结果及分析 ,满足马氏黏度 、滤 失量和 pH值要求的泥浆有 :20%和 25%膨润土掺 量 的 2 SHMP—Ca B 泥 浆 ,15% 膨 润 土 掺 量 的 4 SHMP—Ca B 泥浆.100 g泥浆 中以上 3种泥浆的六 偏磷酸钠消耗量分别为0.4,0.5和0.6 g,其中膨 润土掺量为 20%的 2 SHMP—CaB泥浆磷 酸盐消耗 最少 ,因而考 虑用于后续竖 向隔离墙 回填料 的制 备.进一步地 ,本文所用钙基膨润土 的最优六偏磷 酸钠掺量选为 2%. 3 结论 1)竖向隔离墙泥浆马氏黏度和泥浆密度随六 偏磷酸钠和膨润土掺量增加表现 出不同程度 的增 长.其中马氏黏度受磷 酸盐 和膨润土掺 量影 响显 著 ;泥浆密度受膨润土掺量影响较大 ,且几乎不受 磷酸盐掺量影响。由于钙基膨润土泥浆 中膨润土掺 量较大 ,传统钠基膨润土泥浆密度的要求或不适用 于钙基膨润土情况. 2)泥浆滤失量和 pH值随磷酸盐和膨润土掺 量增加呈不同程度降低趋势.磷酸盐和膨润土掺量 增加可导致滤失量显著减小 ,六偏磷酸钠对提高泥 浆滤失量特性起积极作用.膨润土掺量对 pH值影 响不大,偏酸性的六偏磷酸钠可降低泥浆 pH值, 其 中大部分 4 SHMP.Ca B 和 8 SHMP.Ca B 泥浆不 满足 pH值要求. 3)综合比较泥浆参数测量值和推荐值 ,20% 和 25%膨润土掺量 的 2 SHMP—Ca B 泥浆 ,15%膨 润土掺量的4 SHMP—Ca B 泥浆较为接近 目标泥浆. 其中膨润土掺量 20%的2 SHMP.Ca B 泥浆较其余 2者具有更低磷酸盐消耗量 ,因而考虑作为优选泥 浆用于后续 回填料制备 ,
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