文摘

马兰黄土在黄河中下游不同膨润土和HDTMA比率混合后被选中进行剪切的影响和整合测试讨论bentonite-HDTMA黄土的力学性质在垃圾填埋场衬里材料。研究表明,6%到14%的膨润土混合后,改性黄土的凝聚力显著增加,减少了摩擦角和保持稳定,抗剪强度提高。材料的压缩系数略随膨润土比的增加而减小。添加2% - -4% HDTMA削弱凝聚力的增加引起的膨润土,但摩擦角是有效地恢复。材料的压缩系数随HDTMA比率的增加。随着干密度的增加,改性黄土的抗剪强度增加,压缩系数降低。黄土衬里材料的力学性能可以通过添加6% - -14%膨润土进行了优化。的2% - -4% HDTMA没有对膨润土的优化效果显著的负面影响。从力学性能的角度,建议改良黄土的干密度是1.70克/厘米3膨润土比10% - -14%,HDTMA比例是2% - -4%。

1。介绍

卫生填埋是固体废物的最终处置方法之一,如图1。需要排拦截垃圾填埋场污染物包括重金属、有机化合物和病原体(1- - - - - -3]。传统上,使用粘土作为固体废物处置的衬里材料(4- - - - - -6]。然而,粘土材料缺乏,黄土被广泛分布在黄河中下游,压实后和黄土的渗透系数通常是大于1.0×10−7厘米/秒(7),不满足防渗衬里材料的要求。


图1
概念图的固体废物处置垃圾。

研究表明,改性膨润土可以用作垃圾填埋场(另一种衬8- - - - - -10]。改性膨润土在国外的对象主要是一般土壤粘性土、砂土等。膨润土比小于15%时,渗透系数小于10的技术要求−7cm / s。中国学者对黄土的渗透性进行了研究与膨润土混合在中国西北地区。Zhang et al。11]研究了兰州黄土的渗透系数的变化和玉林黄土与膨润土混合,发现黄土的渗透系数低于1.0×10−7cm / s后添加膨润土的14%和10%,分别。刘等人。12)的渗透系数测试loess-bentonite混合物在北京地区。结果表明,含水量大于2%的选择最优含水量对压实,渗透系数是9×10−8cm / s。然而,黄土改性膨润土的吸附污染物的能力有限。发现在水污染处理领域后,土壤添加适当HDTMA(阳离子表面活性剂溴化hexadecyltrimethylammonium)不仅可以保持低渗透率还吸收更多的有机污染物(13,14]。从环境科学的角度来看,黄土修改bentonite-HDTMA可以用作固体废物填埋场衬里材料。

由于起伏的地形和穿刺困难对象,垃圾填埋场的衬砌结构将承受剪切应力在服务期间,和必须考虑抗剪强度设计。此外,缓慢的整合和衬砌结构的变形发生自身重量和重量上固体废物15,16]。如何以及整合过程是否会影响其防渗性能的担忧是处理项目。因此,黄土的抗剪强度和固结特性修改bentonite-HDTMA直接影响其工程应用前景。这是一个关键的基本指标判断是否衬里材料的选择是合理的。本文的剪切和压缩试验bentonite-HDTMA-modified黄土进行了直剪和整合工具,和bentonite-HDTMA对材料的力学性能的影响进行了研究。最优改性膨润土/ HDTMA率提出了黄土作为衬里材料。预计将提供基础研究数据本地化的衬里材料在黄土地区生态保护和优质服务发展黄河中下游。

2。材料和方法

2.1。材料

测试中使用的黄土是河南省三门峡地区马兰黄土,深度为1.0 -3.0年的网站。基本物理性质如表所示1。土壤样品是褐色的黄色与统一的纹理。原状黄土的特点是高含量的微粒和塑性指数为8.5,这是一个典型的粉砂土。测试从Fumaying购买膨润土,山东。基本物理性质如表所示1。HDTMA在测试有99%的纯度和购买从北京Yinuokai科技有限公司有限公司

表1
材料的基本物理性能测试。

黄土与0%的重量比混合HDTMA膨润土-14%和0% -2%,分别添加蒸馏水通过喷涂样品均匀湿润根据预定的含水率,并放置在一个加湿器60 h。tya - 3000电液伺服压力试验机是用来逐渐应用负载的土样在加载速度2 kN / s。最后加载负载后,样品满载10分钟。最后,样品正在慢慢被脱模机的测试做准备。样本的基本参数如表所示2。

表2
样本的基本参数。
2.2。测试方法

ZJ-type轴应变的南京土壤直剪仪仪器工厂用于剪切试验。压实样是切成环形铣刀直径61.8毫米和20毫米的高度,然后从环刀推到直接剪切试验的直剪试验机。剪切负载0.8毫米/分钟的速度,和阅读力的测量记录。测力计的阅读是否稳定或有重大倒退,这意味着样品剪切和损坏,和峰值抗剪强度值。如果功率计读数继续增加,测试时应停止剪切变形达到6毫米时,剪切应力与剪切应变对应4毫米作为抗剪强度值。每组的4个样品的直接剪切试验应用的垂直压力100,200,300,和400 kPa,分别。测试过程进行严格遵守中国代码17]。

PPS电子整合北京Huakan仪器科技有限公司有限公司,用于整合测试。样品是很困难的,最初的应用压力设置为25 kPa;指的是垃圾的极限承载力18),外加压力的上限的固结试验设置600 kPa,中间压力是50,100,200,和400 kPa,分别。应用垂直压力后,垂直形变每1小时记录。当固结变形不超过0.005毫米/小时,试样的固结变形被认为是稳定的。测试也是按照中国进行代码(17]。

3所示。结果

3.1。剪切试验结果
3.1.1。膨润土比对剪切强度的影响

图2表明改性黄土的抗剪强度之间的关系和正常压力,干密度是1.70克/厘米3,HDTMA比率是2%(标准压实最大干密度(19])。膨润土比6% - -14%。随着膨润土比的增加,抗剪强度逐渐增加。根据库仑剪切理论,抗剪强度之间的关系(τ)和正应力(σ)是


图2
曲线剪切strength-normal压力。

的公式,c是凝聚力,φ内摩擦角。

公式(1)是用来适应数据图2通过最小二乘法线性回归得到方程,表所示3。与纯黄土(M8)相比,膨润土比例是6% - -14% (M3, M4、M5),材料的抗剪强度增强,但仍低于纯膨润土(M9)。随着膨润土比率增加,凝聚力逐渐增加:当膨润土的比率是6%,凝聚力是17.0 kPa;膨润土比例为14%时,凝聚力增加到56.8 kPa。纯黄土只有0.3 kPa的凝聚力。它可以知道M3的凝聚力,M4、M5是由膨润土。当膨润土比不同,混合的内摩擦角变化非常小:当膨润土比率从6%上升到14%,从28.6°内摩擦角降低到27.2°,和不同的是只有1.4°。对于黄土,它包含更大的粗粒子。膨润土的加入可以降低土壤的渗透性,提高衬里材料的可加工性,改善黄土的抗剪强度。

表3
回归方程的黄土抗剪强度由不同膨润土改性比率。
3.1.2。HDTMA比率对剪切强度的影响

图3显示了抗剪强度之间的关系和正常压力改性黄土,干密度是1.70克/厘米3,膨润土的比率是10%。HDTMA比率从0%到4%不等,根据库仑剪曲线方程拟合理论,表所示4。从拟合方程可以发现,改性黄土的凝聚力降低从52.2 kPa (M6) 35.1 (M3)和36.7 kPa (M7)作为HDTMA比率从0%增加到4% (M3, M6, M7)和内摩擦角增加从14.7°(M6) 24.1°-28.5°。HDTMA比例是2% - -4%时,改性黄土的抗剪强度基本稳定。它可以知道,添加少量的HDTMA能有效缓解下行趋势的内摩擦角修改后的黄土。


图3
曲线剪切strength-normal压力。
表4
回归方程的黄土抗剪强度由不同HDTMA改性比率。
3.1.3。干密度对剪切强度的影响

图4改性黄土的抗剪强度之间的关系和正常压力相同的膨润土和HDTMA比率。干密度范围是1.35 - -1.70克/厘米3根据库仑剪,包括曲线拟合理论。拟合方程如表所示5。从拟合方程就可以知道,随着干密度的增加从1.35到1.70克/厘米3,凝聚力增加从17.4 kPa (M1) 35.1 kPa (M3),从25.4°和内摩擦角增加到28.5°。干密度的增加,材料的孔隙比减少,增加土壤的接触点,连接的细粒度的土壤是加强,土壤内摩擦角的粗粒度的增加。总的来说,改性黄土的抗剪强度随干密度的增加。压实试验表明,改性黄土的最大干密度是1.70克/厘米3(19],M3的剪切强度和M6可以作为工程实践设计的基础。


图4
曲线剪切strength-normal压力。
表5
回归方程黄土抗剪强度的修改由不同干密度。
3.2。整合测试结果
3.2.1之上。膨润土比在压缩性的影响

图5是e日志σ修改曲线黄土的干密度1.70克/厘米3HDTMA比率为2%。膨润土比范围从6%到14%。它可以知道样品的初始孔隙比随膨润土比率的增加,这是符合Maio)等的测试结果。20.]。随着轴向应力的增加,样品的孔隙比减少非线性。样品从弹性状态转变到塑性状态,曲线有一个双线性特征,曲线之间的距离并没有明显变化。据中国代码(17),压缩系数一个1 - 2获得的σ1= 100 kPa和σ2= 200 kPa用作指数评估土壤压缩。计算表明,黄土的压缩系数修改为6%,10%,和14%的膨润土是0.25,0.23,和0.21,分别属于适度压缩的土壤。它可以知道,随着膨润土比例从6%增加到14%,压缩性系数略有降低。对所有样本,随着轴向应力的增加从25 kPa 600 kPa,压缩性系数减少,当轴向应力大于400 kPa,样品的压缩系数在不同的轴向应力基本上保持不变。测试结果表明,添加膨润土之后,改性黄土抵抗变形的能力上负载引起的增强。


图5
与不同的膨润土改性黄土的压缩曲线比率。
3.2.2。HDTMA比率在压缩性的影响

图6是e日志σ修改曲线黄土的干密度1.70克/厘米3和10%的膨润土比,HDTMA比例是0% - -4%。这可以从图中找到6样品的初始孔隙比随HDTMA比率的增加。随着轴向应力的增加,样品的孔隙比减少非线性,以及400年和500年之间的压缩曲线相交kPa。随着HDTMA增加,曲线的斜率增加。计算结果表明,一个1 - 20%,2%,和4% HDTMA比率是0.21,0.23,和0.31,分别和样品都属于适度压缩的土壤。随着HDTMA比率增加,压缩系数略有增加。所有样品的压缩系数随轴向应力的增加从25 kPa 600 kPa。样品的压缩系数保持不变时,轴向应力大于400 kPa。上相同的负载,与HDTMA改性黄土混合的压缩潜力更大,和干密度的增加导致其防渗性能的增强。


图6
与不同的HDTMA改性黄土的压缩曲线比率。
3.2.3。在压缩性干密度的影响

图7是e日志σ曲线的改性黄土HDTMA膨润土10%和2%。干密度在1.35 - -1.70克/厘米的范围3。一般来说,压缩曲线也显示双线性特征。随着轴向应力的增加,曲线逐渐适应近;干密度的控制效果,压缩曲线在高压力的范围变得越来越弱。这是与实验结论一致通过太阳et al。(21在非饱和膨润土在应力下的变形特性。这主要是因为土壤孔隙比减小,土壤颗粒排列更紧密地随着干密度的增加。一方面,土壤颗粒接触面积增加,导致内部摩擦的增加;另一方面,土壤粒子间距变得越来越小,骨架结构更稳定。这使得土壤颗粒的相对位移的阻力增加,压缩越来越困难。测试结果表明,一个1 - 2M1、M2和M3是0.53,0.29,和0.23 MPa−1,分别。M1属于高压缩性土,另样品属于中等压缩性土。


图7
改性黄土的压缩曲线不同干密度。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图8
500 - SEM改性黄土。(一)马兰黄土。马兰黄土(b) + 10%膨润土。马兰黄土(c) + 10% HDTMA膨润土+ 2%。

4所示。讨论

(1)样本抵抗剪切变形的能力是由黄土的物质组成和结构修改。内聚力和内摩擦角是土壤抗剪切破坏的强度指标。不考虑土壤的凝聚力,抗剪强度主要是由内部摩擦,包括土壤颗粒之间的相对滑动阻力、滚动阻力、咬力形成的土壤颗粒的interengagement [22,23]。当土壤颗粒表面上的上、下部分剪切运动,首先必须克服咬力,然后颗粒之间的摩擦阻力中起着重要作用。土壤颗粒粗,长和陡峭的斜坡需要爬克服造成的咬力和剪切应力越大。黄土更精密的内容和内聚力(0.3 kPa),内摩擦角是黄土的抗剪强度的决定性因素。膨润土微粒和包含更多亲水的矿物质。颗粒主要由结合水连接,也可以通过水泥或弱毛细管连接。其抗剪强度主要取决于颗粒之间的粘结强度。黄土与不到14%膨润土混合时,细粘土颗粒可以填补毛孔粗粉砂颗粒。如图8后,添加10%的膨润土(图8 (b)),毛孔粗的黄土颗粒由粘土、罚款和毛孔完全填满。材料颗粒级配进行优化,距离和角度时,攀爬的坡会减少粒子咬在一起,横向移动。所需的力量克服咬力爬斜坡却降低了土壤抗剪切变形时,和内摩擦角降低;同时,部分抗剪强度开始由凝聚力。此外,如图8 (c),粘土的明确性表结构添加HDTMA之后减弱,这可能是由于HDTMA有机涂层表面的粘土颗粒链(24]。平稳过渡的趋势会导致土壤的凝聚力下降;HDTMA有机阳离子,交易所之间的可交换阳离子粘土颗粒的层(25,26),形成凝聚结构和团聚体之间的接触面积是越来越近,内摩擦角的增加。(2)M1-M9样品的水分含量是17.1% - -20.8%,和初始饱和度为53.0% -84.0%。在压缩试验中,水分含量不变,材料孔隙比减小,饱和黄土样品增加的修改。它可以压缩试验被认为是一个过程的样本逐渐发展不饱和压缩到饱和状态。mesolevel,改性黄土的固结样本首先破坏毛孔大的开销(27,28];这时,大开销毛孔变成了其他小孔隙类型是由于黄土颗粒框架的损伤。随着垂直压力的增加,空心毛孔开始被摧毁。垂直压力继续增加,和小开销毛孔开始打破,形成镶嵌孔。马赛克毛孔是相对稳定的。随后的应变只有粒子的旋转方向分布,这对孔隙的变化几乎没有影响(29日- - - - - -31日]。

图9是一个原理图的修改后的黄土的孔隙结构变化模式样本在整合过程。没有明显减少孔隙比在这个测试。因此,认为改性黄土样品只有受损大中型框架孔条件下的垂直压力低于600 kPa。这个测试的压缩曲线应该接近上肢曲线初始应力阶段,也就是说,压缩曲线的不饱和状态;压缩曲线应该接近压缩曲线在高应力条件下的饱和状态。


图9
黄土的孔隙失效模式压缩试验(重绘文档(29日])。

5。结论

马兰黄土河南省三门峡地区选择和混合着不同的膨润土和HDTMA比率进行直接剪切试验和室内土工试验,探索bentonite-HDTMA对黄土的力学性质的影响,并提出适合黄土衬里材料的膨润土和HDTMA比黄河中下游。结论如下。

马兰黄土的抗剪强度在黄河中下游主要由内摩擦角。毛孔粗粒黄土之间可以有效地由膨润土6% - -14%。膨润土混合可以提高材料的抗剪强度和减少材料压缩性。膨润土的加入可以优化改性黄土衬里材料的力学性能。

添加2% - -4% HDTMA削弱了凝聚力的增加改性膨润土造成的黄土,但材料的内摩擦角是有效地恢复,和材料的剪切强度仍基本持平;改性黄土的压缩系数的增加,网站和衬砌结构的处理有可能进一步改善服务期间的防渗性能。

随着干密度的增加,bentonite-HDTMA-modified黄土的抗剪强度和抗压性能将会增加。建议修改后的黄土衬里材料的干密度1.70克/厘米3膨润土比应该是10% - -14%,HDTMA比率应该是标准的压实条件下的2% - -4%。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由2021年河南省科技项目(批准号(批准号212102310968),河南教育委员会21 a410004),河南省住房和城市农村建设(批准号hnjs - 2020 k25)。