据统计，我国每年煤矸石排放量为8.0亿t左右[1]。虽然煤矸石的资源化途径不断增加[2-4]，综合利用量逐年上升，但是受到技术和经济条件的限制，仍有大量的煤矸石需要进行堆填处置。煤矸石，特别是高硫煤矸石中往往含有一定量的硫化物(主要是FeS2)，其在氧气、降水及微生物作用下产生大量的酸性废水，给矿区周围的土壤和地下水带来严重污染。因此，如何从源头上控制煤矸石处置场酸性废水的产生已成为亟待解决的问题[5-8]。

通过对煤矸石处置场进行覆盖，抑制或消除煤矸石中硫化物的氧化是控制煤矸石处置场酸性废水产生的主要途径。目前已有的覆盖方法包括土体覆盖[9-10](用低渗透性土体控制降水进入煤矸石处置场内)、水体覆盖[11](用水体限制氧气进入煤矸石处置场内)以及各种反应性材料覆盖[12-13](用粉煤灰、污泥等材料抑制煤矸石处置场内微生物或化学反应过程)。其中土体覆盖的应用较为广泛，而覆盖的关键是找到合适的土体材料，以便建设具有极低渗透性的覆盖层。然而，在我国陕西、甘肃、新疆等西北省份，很难在矿区周围获得满足覆盖层建设要求的黏土资源。另外，煤矸石堆往往具有极不稳定的陡峭边坡，在这种表面构建压实黏土覆盖层，将给施工带来巨大挑战。

因此，寻找合适的覆盖层材料已经成为煤矸石处置场覆盖层建设中需要解决的问题。土工合成黏土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)也许是建设煤矸石处置场覆盖层的良好材料。GCL具有渗透系数低、耐不均匀沉降和现场铺设简单等特点，被认为是传统压实黏土覆盖层的良好替代材料[14-16]。GCL是否可以用作煤矸石处置场覆盖层，主要取决于其在现场的渗透系数能否满足防渗要求。虽然生产厂商宣称GCL具有极低的渗透系数，然而这种极低的渗透系数往往是使用蒸馏水或去离子水作为渗透液测得的。而当GCL用作煤矸石处置场顶部覆盖层时，与其长期接触的是其上部植被层(封场覆盖层上部需要构建植被层，以便对处置场进行生态恢复)的淋滤液;这些淋滤液中往往含有大量的二价阳离子(主要为Ca2+和Mg2+)，它们容易与膨润土中的Na+发生离子交换反应，从而使膨润土的膨胀量急剧下降、渗透系数迅速增大[17-20]。

从以上分析可以看出，如果GCL用作煤矸石处置场的覆盖层，将受到上部植被层淋滤液的化学侵蚀，在此情况下其是否仍能维持极低的渗透性值得探讨。为此，笔者拟开展植被层淋滤液作用下GCL渗透系数的变化规律研究，为GCL在煤矸石处置场覆盖层中的应用提供判别依据。

1 试验材料

试验所用的两种GCL采购自国内某制造商，分别由天然钠基膨润土和人工钠化膨润土制成。GCL中膨润土的基本性质见表1。除了膨润土的种类存在差别以外，两种GCL的其他制作工艺完全相同:其上表面为非织造土工布，下表面则为塑料扁丝编织土工布，并通过针刺的方法将膨润土夹封在中间。

表1 膨润土的基本性质
Table 1 Basic characteristics of bentonite

参照DANIEL等[21]的方法进行渗透试样制备。制样时，用铅笔在GCL样品上标记出直径为101 mm的圆，然后沿着圆周用刻刀先割开GCL上表面的非织造土工布，用移液枪向割开的缝隙内注入少量去离子水，促使膨润土水化黏结，防止切割过程中膨润土洒落。使用刻刀将GCL下表面的塑料扁丝编织土工布割断，最后将圆形GCL试样从GCL卷材中取出。

试验中使用黄土淋滤液对GCL进行渗透，之所以选用黄土淋滤液，是因为西北地区煤矸石处置场的植被层大多都是使用当地黄土构建的。试验所用黄土取自陕西省咸阳市某煤矸石处置场周围一黄土崖边，距离地表深约0.5 m。参照ASTMD6141制取黄土淋滤液。将黄土破碎后置于实验室内风干，随后过2.0 mm筛。称取干基重为1 000 g的黄土，并将其转移到体积为2 L的聚乙烯瓶中;向聚乙烯瓶内注入去离子水，形成土水比为1∶1.3的土悬液。将聚乙烯瓶置于翻转振荡器上，调节转速为30±2 r/min，在室温下振荡24 h。振荡完成后，静置12 h，使用离心机在4 000 r/min条件下离心15 min。随后，取上部清液;使用pH计和电导率仪测定上清液的pH和电导率(Electrical Conductivity，EC)，使用离子色谱仪测定上清液中主要阴、阳离子的浓度。黄土淋滤液的基本性质见表2。由表2可以看出，为黄土淋滤液的主要离子。基于此，配制试验用黄土淋滤液，其基本性质见表2。为防止渗透过程中可能出现的微生物污染，向渗透溶液中加入QK-20杀菌剂(品牌:DOWICIL;浓度:500 mg/L);根据已有研究的结果表明，该杀菌剂的加入不会对GCL的渗透特性产生影响[22]。

表2 黄土淋滤液的基本性质
Table 2 Basic characteristics of effluent for loess

注:*使用Cl-代替溶液中的存在的和等其他阴离子，有利于保持溶液性质的稳定，便于试验开展和结果分析。

2 试验方法

2.1 黄土淋滤液作用下GCL的渗透系数测定试验

使用柔性壁渗透仪对GCL进行渗透试验，以此模拟黄土淋滤液对GCL的化学侵蚀过程。将GCL试样置于柔性壁渗透仪的压力室中，压力室充水后施加有效应力15 kPa。GCL在现场应用时，其上部通常需要铺设0.5 m厚的天然土植被层和0.3 m厚的砾石排水层，如图1所示。

它们作用在GCL上的荷载可以通过下式进行计算:

(1)

式中，p为单位面积荷载，kPa;ρt为黄土植被层密度，g/cm3，本文取1.38 g/cm3(天然黄土的密度为1.38～1.55 g/cm3);A为作用面积，m2;dt为黄土植被层厚度，取0.5 m;ρl为砾石排水层密度，g/cm3，本文取2.17 g/cm3(砾石排水层的密度为2.17～2.26 g/cm3);dl为砾石排水层厚度，取0.3 m;g为重力系数，9.8 N/kg。

将有关参数代入式(1)可以得到单位面积GCL所承受的荷载为

p=(1.38 g/cm3×0.5 m+2.17 g/cm3×

0.3 m)×9.8 N/kg=13.14 kPa

(2)

试验中，为便于柔性壁渗透仪压力控制，将GCL所承受的有效应力设定为15 kPa。

随后，在柔性壁渗透仪的进液管中加入黄土淋滤液对GCL进行渗透试验。在试验过程中记录进液管中液位变化，使用式(3)计算GCL的渗透系数。

(3)

式中，2.3为ln和log的换算系数;a为柔性壁渗透仪供水管断面面积，cm2;L为试验中GCL试样的厚度，cm;A为GCL试样的断面面积，cm2;t1和t2分别为试验起始和终止时间，s;h1和h2分别为t1和t2时刻所对应的水头，cm。

柔性壁渗透仪压力室的出液端连接到塑料离心管，收集渗出液并定期测定其电导率和体积。当渗透试验满足ASTM D 6766-12[22]所列的试验终止条件时，停止渗透。根据ASTM D 6766-12的要求，当单位时间内渗出液体积与渗入液体积之比在1±0.25之间、渗出液与渗入液的电导率比值在1±0.1之间，且渗透系数没有明显增高或降低趋势时，便可终止试验[22]。试验结束后，将GCL从柔性壁渗透仪的压力室中取出，用滤纸将其表面附着溶液吸干，使用游标卡尺在4个不同部位测定其厚度，并取平均值。随后，将其中膨润土取出，烘干后待用。

2.2 膨胀指数测定试验

分别对原膨润土和黄土淋滤液渗透后的膨润土进行膨胀指数测定试验。试验根据ASTM D 5890-06[23]进行。将膨润土在(105±5)℃的条件下烘干至恒重。随后，使用研钵将膨润土碾散，直至土样100%可以通过0.15 mm筛，65%可以通过0.075 mm筛，并再次烘干至恒重。称取2±0.01 g过筛烘干后的膨润土样，将其分为20份，每份0.1 g;用大约30 s的时间将0.1 g膨润土缓慢加入到装有90 mL蒸馏水的100 mL刻度量筒内，10 min后，加入下一个0.1 g膨润土，直至20份膨润土全部加入到量筒内。用蒸馏水仔细冲洗粘附在量筒内壁上的膨润土，并将量筒内水位增加到100 mL刻度线处。静置24 h，记录量筒内膨润土沉淀物上界面处的刻度值。

2.3 不同有效应力条件下GCL的渗透系数

GCL的渗透系数与其所受有效应力的大小紧密相关，有效应力越大，渗透系数往往越小[15,24-25]。因此，增大植被层的厚度有可能减小GCL的渗透系数(植被层厚度越大，GCL上部荷载越高，有效应力便随之增大)，使其满足覆盖层的防渗要求。为此，本研究拟在较高有效应力条件下研究黄土淋滤液对GCL渗透系数的影响。试验只对人工钠化膨润土GCL进行，因为这种膨润土在国内使用的范围更广。利用与3.1节相同的试验方法，在有效应力为60 kPa和90 kPa条件下对GCL的渗透系数进行测定。根据式(1)计算，它们分别代表4.0 m和6.2 m黄土植被层对GCL所产生的上部荷载(已包括0.3 m砾石排水层所产生的荷载)。当试验满足ASTM D 6766-12所列的试验终止要求时，终止试验。渗透完成后，将试样从柔性壁渗透仪压力室中取出，使用滤纸吸干表面附着溶液后，使用游标卡尺在4个不同部位测定其厚度，并取平均值。

3 结果分析

3.1 黄土淋滤液作用下GCL的渗透系数测定试验

图2为有效应力为15 kPa时GCL的渗透系数与渗透体积数(PVF，Pore Volumes of Flow)之间的关系。由图2可以看出，随着渗透的进行，两种GCL的渗透系数均持续降低，并分别于20个PVF和30个 PVF时达到最低，两者的最低渗透系数都在2.80×10-9 m/s左右。在随后的渗透过程中，两种GCL的渗透系数基本稳定。由图2可知，两种GCL的最终渗透系数都大于1.00×10-9 m/s。

图3是GCL渗出液电导率与渗入液电导率的比值随渗透体积数的增大而表现出的变化情况。由图3可以看出，在试验结束时，渗出液电导率与渗滤液电导率的比值在1±0.1之间。图4为渗出液体积与渗入液体积的比值，由图4可见，在试验终止时，渗出液体积与渗入液体积比值在1±0.25之间。所以，试验是在满足ASTM D 6766-12中相关要求的情况下才终止的。

3.2 自由膨胀量

图5为两种GCL中膨润土在黄土淋滤液渗透前后膨胀指数的测定结果。由图5可知，在黄土淋滤液渗透之前，天然钠基膨润土的膨胀指数为20 mL/2 g，这一数值小于已有报道中其他膨润土的膨胀指数[26]。蒙脱石含量相对较低(表1)可能是本研究中天然钠基膨润土膨胀指数相对偏低的主要原因。在黄土淋滤液渗透之前，人工钠化膨润土的膨胀指数为29.5 mL/2 g，这一数值与已有研究中所报道的膨润土的膨胀指数接近。经过黄土淋滤液长期渗透后，两种膨润土的膨胀指数基本相同。渗透后两种膨润土的膨胀指数与典型钙基膨润土的膨胀指数非常接近[27-28]。

3.3 不同有效应力条件下GCL的渗透系数变化规律试验

当有效应力为60 kPa和90 kPa时，测得人工钠化膨润土GCL的渗透系数分别为2.29×10-9 m/s和3.52×10-10 m/s。显然，随着有效应力的增大，GCL的渗透系数随之减小。需要指出的是，当有效应力达到90 kPa时，GCL的渗透系数已经小于1.00×10-9 m/s。

4 讨 论

4.1 黄土淋滤液作用下GCL的渗透系数

在黄土淋滤液的长期作用下，天然钠基膨润土GCL和人工钠化膨润土GCL的渗透系数分别为2.85×10-9 m/s和2.77×10-9 m/s。而以蒸馏水作为渗透溶液时，两种GCL的渗透系数仅为4.1×10-11 m/s(GCL供应商提供的测试结果)。黄土淋滤液的持续渗透使GCL的渗透系数升高了2个数量级以上。需要指出的是，经过黄土淋滤液渗透后，两种GCL的渗透系数均高于1.00×10-9 m/s，而1.00×10-9 m/s为瑞典[29]和加拿大[30]等国矿业废弃物处置场覆盖层渗透系数必须要达到的标准。显然，在有效应力为15 kPa时，研究所用的两种GCL均无法满足防渗的要求。

黄土淋滤液作用下GCL的渗透系数之所以会升高，是因为淋滤液中含有大量的二价阳离子(主要是Ca2+)，见表2，其可以与蒙脱石相邻晶胞间的Na+发生离子交换，这一反应使蒙脱石丧失了渗透膨胀(Osmotic Swelling)性能，而只能发生水化膨胀(Crystalline Swelling)。当蒙脱石发生渗透膨胀时，其相邻晶胞间的水分子层数达到数百个，体积可以增大几十倍;而如果蒙脱石只能发生水化膨胀，其相邻晶胞间往往只含有4个水分子层，体积仅能增大一倍[17,31]。蒙脱石膨胀量的急剧下降将使GCL中可供溶液通过的孔隙体积不断增大，在宏观上表现为GCL的渗透系数显著升高[32]。

膨润土膨胀性能的变化可以通过渗透前后其膨胀指数的改变加以证实，如图5所示。由图5可以看出，在黄土淋滤液长期渗透后，天然钠基膨润土GCL和人工钠化膨润土GCL的膨胀指数分别从20 mL/2 g和29.5 mL/2 g下降至12.5 mL/2 g和13.0 mL/2 g，减小了37.5%和52.5%。显然，膨润土的膨胀行为受到了严重抑制。

4.2 不同种类膨润土GCL的渗透系数

由图2可以看出，在黄土淋滤液的渗透作用下，天然钠基膨润土GCL与人工钠化膨润土GCL的渗透系数基本相同，没有显著的区别。这与传统的认识不同，过去的一些研究认为天然钠基膨润土GCL的防渗性能要优于人工钠化膨润土GCL的防渗性能。研究结果与传统的认识存在差别，是因为过去在测定天然钠基膨润土GCL和人工钠化膨润土GCL的渗透系数时，使用的都是蒸馏水或去离子等没有侵蚀性的溶液，它们只能通过冲刷作用带走人工钠化膨润土中蒙脱石相邻晶胞间的Na+(此类膨润土由钙基膨润土经人工加入钠盐后形成，Na+极不稳定，容易流失)，而对天然钠基膨润土中蒙脱石相邻晶胞间的Na+几乎没有影响(此类膨润土在自然界经历了亿万年的自然风化过程，Na+较为稳定，不易流失)[33-34]。人工钠化膨润土蒙脱石相邻晶胞间的Na+不断流失导致其膨胀性能下降，渗透系数便随之升高。而当使用黄土淋滤液进行渗透时，其含有大量的二价阳离子(表2)，这些二价阳离子既可以置换天然钠基膨润土中蒙脱石相邻晶胞间的Na+，也可以置换人工钠化膨润土中蒙脱石相邻晶胞间的Na+，使它们同时丧失膨胀性(图5)，从而具有基本相同的渗透系数。GUYONNET等[35]使用人工配制的垃圾渗滤液作为渗透溶液，对人工钠化膨润土GCL与天然钠基膨润土GCL的渗透系数进行了测定，结果显示两种GCL的渗透系数也基本相同，没有显著差异。

4.3 不同有效应力条件下的渗透系数

有效应力增大后，GCL的渗透系数随之减小。GCL的渗透系数之所以减小，是因为有效应力增大导致GCL中膨润土发生固结，从而使膨润土黏粒重新排列，相互接近，土中可供溶液通过的孔隙减小。这一点可以通过不同有效应力条件下GCL试样的体积得到证实，如图6所示。由图6可见，随着有效应力的增大，GCL的体积不断减小。在试样内固体颗粒不变的情况下，GCL试样体积减小意味着其孔隙比在不断降低，渗透系数必将随之减小。

当有效应力值达到90 kPa时，GCL的渗透系数为3.52×10-10 m/s，低于1.00×10-9 m/s，参考瑞典[29]和加拿大[30]等国对矿业废弃物处置场覆盖层防渗性能的要求，此时试验所用GCL能够满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求。

KANG等[36]以及王宝[25]的研究结果表明，GCL的渗透系数与有效应力之间具有较好的线性关系。因此，根据GCL在有效应力为60 kPa和90 kPa间渗透系数的变化趋势，由内插法计算可得，要使GCL的渗透系数低于1.00×10-9 m/s，有效应力必须达到73 kPa，此时相当于在GCL上部铺设约5.0 m的黄土植被层，而这在现场应用中不易实现。为了减小黄土植被层的铺设厚度，今后需要对具有一定抗化学侵蚀能力的GCL展开研究，分析其渗透系数是否能够满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求。

5 结 论

(1)当有效应力为15.0 kPa时(黄土植被层的厚度为0.5 m)，黄土淋滤液的持续渗透使天然钠基膨润土GCL和人工钠化膨润土GCL的渗透系数达到2.77×10-9 m/s和2.85×10-9 m/s，高于瑞典和加拿大等国已有矿山处置场覆盖层的渗透系数(1.0×10-9 m/s)，无法满足煤矸石处置场覆盖层的防渗要求。

(2)在黄土淋滤液的作用下，试验所用的人工钠化膨润土GCL与天然钠基膨润土GCL具有基本相同的渗透系数，两者在防渗性能上没有显著差别。

(3)为了使GCL的渗透系数降低到1.0×10-9 m/s以下，黄土植被层的厚度需要达到5.0 m(有效应力为73 kPa)，这在现场应用中不易实现。为了减小黄土植被层的铺设厚度，今后有必要对具有一定抗化学侵蚀能力的GCL进行研究，分析其用作煤矸石处置场覆盖层的可行性。

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