【摘要】：我國存在大量重金屬污染的城市工業(yè)污染場地,不僅污染環(huán)境,還嚴重制約城市可持續(xù)發(fā)展。土-膨潤土豎向隔離屏障是具有代表性的一種原位豎向阻隔技術,可以有效控制地下水與土中污染物運移,是提高我國城市工業(yè)污染場地的綜合處治和風險管控設計水平的重要需求。目前,土-膨潤土豎向隔離屏障技術的關鍵技術問題在于:(1)我國商用膨潤土以鈉化改性鈣基膨潤土為主,工程性質與天然鈉基膨潤土存在明顯差距,以此制備隔離屏障材料時,其膨潤土設計摻量、施工和易性、壓縮特性和防滲性能均尚不明確;(2)已有工程屏障材料化學相容性試驗研究中普遍采用氯化鉀和氯化鈣溶液,重金屬污染作用下土-膨潤土豎向隔離屏障材料的化學相容性和防滲截污性能亟待明確�；诖�,論文以國家自然科學基金重點項目(No.41330641)、國家自然科學基金項目(No.51278100)、江蘇省杰出青年基金項目(BK2012022)為依托,開展了土-膨潤土豎向隔離屏障材料工程性質和典型重金屬污染物作用下防滲截污性能的系統(tǒng)研究。主要研究內容和成果如下:(1)研究了膨潤土漿液制備時膨潤土的合理摻量,提出了基于膨潤土液限的膨潤土摻量預測方法;明確了隔離屏障材料滿足施工和易性(塌落度)條件時的含水率分布規(guī)律,給出了基于隔離屏障材料液限和模擬液限的評價方法。(2)明確了土-膨潤土豎向隔離屏障材料壓縮和固結特性。膨潤土摻量和初始含水率是其控制因素。土-膨潤土豎向隔離屏障材料的壓縮指數(shù)與有效豎向應力為1 kPa時的孔隙比e1關系(Cc-e1關系)存在唯一性;其中,特征參數(shù)e1綜合表征了初始含水率、膨潤土摻量、膨潤土品質和原位土土性對壓縮指數(shù)的影響。提出了采用初始孔隙比和液限所對應孔隙比預測土-膨潤土豎向隔離屏障材料壓縮指數(shù)的方法。(3)提出了滿足防滲要求的鈉化改性膨潤土所制備土-膨潤土豎向隔離屏障材料時的設計配比,揭示了膨潤土摻量、膨潤土品質、沸石摻量、天然黏土摻量、初始含水率和試驗方法對隔離屏障滲透系數(shù)的影響規(guī)律�；诳挛�-卡爾曼公式的預測方法對黏性土-膨潤土豎向隔離屏障材料具有良好的適用性。提出了基于黏粒組的改進孔隙比以預測砂-膨潤土和砂-黏性土-膨潤土豎向隔離屏障材料滲透系數(shù)。(4)闡述了重金屬鉛作用下黏性土-膨潤土豎向隔離屏障材料壓縮特性的變化規(guī)律,并明確了液限與壓縮指數(shù)之間的內在聯(lián)系。重金屬鉛對壓縮指數(shù)的影響程度達12%～53%。污染作用下黏性土-膨潤土豎向隔離屏障材料和其他土質工程屏障材料Cc-e1關系與未污染狀態(tài)下土-膨潤土豎向隔離屏障材料的試驗結果一致。提出了基于擾動狀態(tài)概念(DSC)的污染黏性土-膨潤土豎向隔離屏障材料壓縮模型。該模型采用單參數(shù)描述污染作用對壓縮特性的影響。(5)揭示了重金屬鉛、鋅、鉻作用下膨潤土的滲透和膨脹特性。污染濃度超出10 mmol/L后膨潤土滲透系數(shù)呈顯著增大的趨勢,且鈉基膨潤土滲透系數(shù)增幅明顯高于鈉化改性鈣基膨潤土試驗結果。二價陽離子形式存在的重金屬(例如鉛、鋅)與陰離子絡合形態(tài)存在的六價鉻對膨潤土滲透系數(shù)的作用規(guī)律存在顯著差異。自由膨脹指數(shù)良好地描述了無機鹽溶液作用下膨潤土的滲透系數(shù)變化規(guī)律。(6)明確了重金屬污染作用下土-膨潤土豎向隔離屏障材料滲透系數(shù)的化學相容性。本文研究污染程度范圍內,滲透系數(shù)的增幅不超過20倍,能夠滿足防滲要求(k10-9 m/s)。相同試驗條件下,硝酸鉛-硝酸鋅溶液作用下砂-膨潤土豎向隔離屏障材料滲透系數(shù)較氯化鈣溶液作用下的試驗結果高出2.9倍。分別就黏性土-膨潤土和砂-膨潤土、砂-黏性土-膨潤土豎向隔離屏障材料提出了基于柯西-卡爾曼公式和基于黏粒組的改進孔隙比的滲透系數(shù)預測方法。(7)提出了采用羧甲基纖維素鈉(CMC)改性鈉化改性膨潤土。改性作用下CMC分子鏈插層于膨潤土中蒙脫石黏土片層,有效提升了其膨脹和防滲性能。本文研究污染程度范圍內,硝酸鉛-硝酸鋅、鉻酸鉀和氯化鈣溶液作用下CMC改性膨潤土滲透系數(shù)增幅小于1倍,遠低于未改性膨潤土試驗結果。通過改進濾失試驗測試了重金屬作用下膨潤土滲透系數(shù),建立了污染前后濾失量與膨潤土滲透系數(shù)的相關關系。(8)研究了重金屬鉛、鋅、鉻運移通過砂-膨潤土豎向隔離屏障的水動力彌散系數(shù)和阻滯因子。重金屬鉛、鋅和鉻在砂-膨潤土豎向隔離屏障中的運移速率大小依次為:鉻鋅鉛。通過van Genuchiten解分析了污染物運移參數(shù)、屏障厚度和污染物濃度閥值控制標準對擊穿時間的作用規(guī)律,并給出了短期和中長期服役時間條件下的屏障厚度取值。在現(xiàn)有行業(yè)規(guī)范中屏障厚度設計方法基礎上提出了 1種基于van Genuchiten解的屏障厚度和服役年限簡化計算方法。
【圖文】：

深度可達４０米Ｉ５％。尾礦區(qū)、鉻渣堆存場地等鉻污染場地及周邊區(qū)域的土和地下水中鉻、逡逑鉛、鋅重金屬污染濃度超出超標可達１０００倍以上［９＿１４】。江蘇某典型工業(yè)污染場地基于逡逑ＲＣＰＴｕ原位測試的污染深度范圍如圖１－１所示【１５】。此外，課題組于２０１３年３月對南京逡逑某停產化工企業(yè)場地初勘結果顯示，場地土的重金屬鉛、鋅、銅和鎳均嚴重超標。逡逑電８１聿邐率逡逑土層邐ｊ？邋／邋ｆｔ邋？邋ｍ邐土層邐ｒ邋／邋ｎ邋？邋ｍ逡逑ｎ邋５邐１０邐１５邐２０邐１０邋１５邋２０邋２５逡逑疋X}＜邐Ｌ邋一°邐—３７邋—邋０１＇逡逑？上夾粉ｆｔ坫土邐２逡逑粉土夾粉質粘土邐６邋：邋＾邐：邐粉土夾粉質坫土邐＼逡逑８邋：邐４邋．邋ｆ邐－逡逑＾邐ＴＴｏ＇邐邐．邋３邐１邐逡逑邐１，，邐：邐－■邐ｕ逡逑份土充粉ｗｉ坫ｊ：邐Ｗ邋產邐污染、湖也逡逑——？——逡逑邐１８邋Ｊ邐／逡逑粉上夾粉艦土邐‘°邋＾邋（ａ）；邐１０邋■邐＾＞）＂逡逑圖１－１基于ＲＣＰＴｕ原位測試的工業(yè)污染場地污染深度評價：（ａ）無機污染；（ｂ）有機污染［１５］逡逑１逡逑

＜ａ．）邐＼邐（ｂ＞逡逑圖１－３豎向隔離技術與其他修復技術聯(lián)合使用案例：逡逑（ａ）與活ＰＲＢ聯(lián)合修復［３＇邋（ｂ）與地下水曝氣技術聯(lián)合修復［４Ｑ】逡逑各國對各類豎向隔離技術的工程應用側重不同�？傮w上，英國側重于使用水泥－膨逡逑潤土豎向隔離屏障，，而美國在工程應用和新材料研發(fā)上均更傾向于土－膨潤土豎向隔離逡逑屏障［５３］。Ｅｖａｎｓ等［５３］系統(tǒng)性地對比了兩國典型豎向隔離屏障的技術指標異同，如表１－５逡逑所示。英國土木工程師學會（ＩＣＥ）于１９９９年編制了水泥－膨潤土豎向隔離屏障技術規(guī)逡逑范，首次明確了該類材料防滲和強度要求［５４］。土－膨潤土豎向隔離屏障的技術指導規(guī)范逡逑最早由美國環(huán)保署于１９８４年提出，詳細地給出了膨潤土物理性質指標、膨潤土漿液和逡逑隔離屏障材料的施工和易性及其滲透系數(shù)建議范圍［３６］，并由《統(tǒng)一設施建設指導》逡逑（Ｕｎｉｆｉｅｄ邋Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ邋Ｇｕｉｄｅ邋Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ＵＦＧＳ）進一步完善［５４］。日本對各類豎向隔離技逡逑４逡逑
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU470;X53


本文編號：2709348