关键词:
钢渣-水泥-膨润土阻隔墙
强度特性
渗透性
槽壁稳定性
服役寿命
摘要:
随着工业化的发展引起的地下水土问题亟需有效治理,通过在污染场地四周构筑阻隔墙,以阻滞污染物进入地下环境。而工业生产冶炼钢时产生的废弃钢渣大量堆积,严重占用了稀有的土地资源,由于钢渣化学及矿物成分与水泥相似且钢渣与膨润土在一定条件具有一定的吸附性能能够吸附部分重金属离子,目前许多国内外学者提出将钢渣替代部分水泥,以增加废弃钢渣的资源化利用。而水泥-膨润土是一种具有一定强度和低渗透性的防污阻隔墙体材料,在污染场地防治和修复工程中具有广阔前景。与之同时我国对钢渣替代水泥将其引入到阻隔墙中的研究相对较少,拓展钢渣粉在污染场地风险阻控的应用。本文采用苏州捷高生产的钠基膨润土、42.5级的普通硅酸盐水泥和钢渣粉配制土样,测定上述材料物理特性,从宏微观角度系统地研究钢渣-水泥-膨润土阻隔材料的强度、渗透性变化规律,并以某山地污染场地风险阻控工程为依托,基于室内试验参数,通过数值分析软件Midas-GTS NX中边坡稳定分析模块和Hydrus-2D水流溶质运移模块对阻隔墙施工槽壁稳定性、服役寿命进行评价。研究内容与结论如下:(1)采用无侧限抗压强度试验、直接剪切试验研究了钢渣替代率、膨润土掺量和养护龄期对钢渣-水泥-膨润土阻隔材料强度特性的影响。试验结果表明,钢渣替代率与阻隔材料的无侧限抗压强度呈线性关系、与黏聚力呈指数关系,均随着钢渣替代率的增加而降低。膨润土掺量与无侧限抗压强度呈指数关系、与黏聚力呈线性关系,均随膨润土掺量的增加而增大。28d龄期时所有土样的无侧限抗压强度在58.8 k Pa~313.3 k Pa范围内,7d、14d龄期的无侧限抗压强度均与28d的强度呈线性关系。阻隔材料的极限应变基本都在2%~3%范围内,残余强度约占峰值强度的40%~60%。通过建立28d龄期土样的黏聚力与无侧限抗压强度之间的关系,发现黏聚力与无侧限抗压强度基本满足c=(0.23~0.39)q,通过无侧限抗压强度能够有效地预测钢渣-水泥-膨润土阻隔材料的黏聚力。(2)利用变水头渗透试验测试不同钢渣替代率、膨润土掺量、养护龄期的土样渗透性,结合扫描电镜试验验证了结果的合理性。结果表明:28d龄期的渗透系数大多在1×10 cm/s~1×10 cm/s范围内。钢渣-水泥-膨润土阻隔材料的渗透性受钢渣替代率、膨润土掺量和龄期的影响,钢渣替代率在0~50%范围内,随着钢渣替代率的提高,材料的渗透性不断降低;结合扫描电镜试验发现,随着钢渣替代率的增加,土样逐渐出现针状物,相互交错,形成一定的空间结构。随着膨润土掺量(46%~54%)及龄期(7d~28d),阻隔材料的渗透性也逐渐降低,这是由于随膨润土掺量及龄期的增加,土样的微观孔隙逐渐变小,水流通道减少,故而渗透系数降低。通过钢渣替代率和膨润土掺量对不同龄期土样的渗透系数影响云图发现,钢渣替代率和膨润土掺量与阻隔材料的渗透系数呈指数关系。(3)基于某山地污染场地在边坡坡脚处阻隔墙施工项目,运用软件Midas-GTS NX边坡稳定分析模块,对阻隔墙成槽过程进行了模拟。研究了成槽过程中边坡整体及槽孔的应力、水平位移及应变,并在此基础上研究了开槽长度对成槽过程中槽壁稳定性的影响。结果表明,边坡自然状态下和成槽后基于强度折减法计算的边坡安全系数分别为1.61、1.53,说明边坡的安全系数主要受地层等因素影响,但可能在槽孔处出现局部失稳现象。通过开挖前与开挖后应力应变及最大水平位移发生位置对比发现,开挖后由于槽孔受土体挤压作用,槽孔周围出现了应力集中区域,最大剪应变并非出现在槽孔底部,而是出现在土质较差的杂填土层与强风化安山岩交界处。槽孔最大水平位移沿着成槽深度的增加而逐渐减小。随着成槽长度的增加,槽孔最大水平位移也随之增加。(4)通过Hydrus-2D建立数值模型,选取场地中超标倍数最多的铁离子作为研究对象,以《地下水质量标准》(GBT 14848-2017)中Ⅳ类标准铁离子限值(2 mg/L)为击穿标准,阻隔墙宽度设置为0.8 m、渗透系数为1.0×10 cm/s时,经过38.95年铁离子击穿阻隔墙;与之同时,铁离子在水流作用下逐渐进入风化岩层中且达到阻隔墙底端进入未污染区。研究阻隔墙不同厚度及渗透系数对其服役寿命的影响,结果表明:当设计深度一定、阻隔墙渗透系数设置为1.0×10 cm/s时,阻隔墙厚度在0.6 m~0.8 m内增加阻隔墙的厚度能够明显延长被击穿时间,阻隔墙厚度≥0.8 m,增加阻隔墙宽度几乎不能延长阻隔墙的击穿时间。