0.   引言

城市生活垃圾填埋场产生的水土污染、温室气体排放等问题长期影响生态环境，尤其是重金属污染问题备受社会关注(Hussein et al.，2021；韦桐忠等，2021)。大量研究表明，防止渗滤液中污染物扩散是垃圾填埋场长期可靠性的关键所在，竖向隔离墙、水平防渗衬垫、封场覆盖系统等防渗隔离屏障是目前国内外用于填埋场污染物控制的主要方法(陈永贵等，2007；Șerife et al.，2017；Sample-lord et al.，2020)。膨润土因具有低渗性、高吸附性和膨胀自愈性被广泛用作污染物阻滞材料(杨玉玲等，2015；肖崇林等，2021)。红黏土广泛分布于我国长江以南地区，作为防渗材料具有经济适用、沉降量小、承载力高等优点，但其化学阻滞性能和变形特性难以满足要求(穆坤等，2016；焦卫国等，2021)。为此，有学者探讨在红黏土中掺入膨润土以提高其化学阻滞能力，同时兼顾经济性和工程性能，形成红黏土-膨润土混合土防渗阻滞材料，以期用于垃圾填埋场覆盖系统的防渗处治(陈永贵等，2018)。

垃圾填埋场覆盖系统的黏土材料在长期服役过程中，受到气温变化、大气降水等自然作用影响，同时还受到渗滤液及地下水的化学作用(Shaikh et al.，2021)。尤其是在极端气候条件下，蒸发和降雨作用影响显著，导致覆盖系统土体处于干湿循环与化学溶液耦合影响的环境中，黏土材料产生胀缩变形、损伤开裂等破坏现象，导致阻滞性能失效(Lu et al.，2015；万勇等，2015)。研究干湿循环、化学溶液渗透耦合作用下压实黏土材料的体变及渗透特性，对于垃圾填埋场覆盖系统及相关防渗屏障的设计施工具有十分重要的理论与工程实践意义。

近年来，国内外学者对干湿循环作用下土体行为响应开展了系列研究(巩学鹏等，2019；潘振兴等，2020)。叶为民等(2011)研究了温度、围压变化情况下高压实膨润土微观结构在干湿循环作用下的变化规律，通过压汞试验揭示了干湿循环过程土体孔隙结构演化机制。Wan et al. (2014)通过试验明确了干湿循环作用导致压实粉质黏土体积收缩，大孔增加，并总结出干湿循环对渗透系数的影响规律。Julina et al. (2020)探究了干湿循环与盐溶液对填埋场压实黏土屏障的影响，采用CT扫描技术分析了压实黏土的体变形为和开裂模式。蔡光华等(2014)、He et al. (2017)、刘宽等(2020)、Qi et al. (2021)均通过试验证实了干湿循环作用对于黏土材料微观结构、力学性能及渗透性能的影响作用。对于黏土材料在化学溶液作用下的响应规律，常以NaCl溶液作为代表研究其对黏土性能的影响(马田田等，2015；叶为民等，2017)。Zhang et al. (2019)测定了不同浓度NaCl溶液作用的压实GMZ01膨润土膨胀力，明确了膨胀力随NaCl溶液浓度的增加而减小。Zhu et al. (2013)采用恒定体积膨胀-渗透仪，测得不同浓度NaCl和CaCl₂溶液入渗下，膨润土的膨胀力随着入渗溶液浓度的增加而不断减少。高子瑞等(2018)研究了压实膨润土在荷载和NaCl溶液共同作用下的膨胀变形特性，并利用有效压力原理得出了膨润土的膨胀变形行为。然而，前人的研究主要关注干湿循环、化学溶液、应力环境等单因素影响下的土体行为响应，而对于垃圾填埋场、重金属污染场地等复杂环境中，考虑化学溶液与干湿循环耦合作用对红黏土-膨润土混合土体变特征及渗透特性的研究较为不足。

本文针对红黏土-膨润土混合土材料在干湿循环与化学环境耦合作用下的响应机制，采用自主设计的各向等压干湿循环渗透仪对红黏土-膨润土混合土进行不同浓度NaCl溶液入渗下的干湿循环试验，探讨红黏土-膨润土混合土在盐溶液作用下干湿循环过程的体变特征和渗透特性，并结合压汞试验分析了混合土的孔隙结构特征，明确了NaCl溶液对于干湿循环试验中收缩变形与渗透系数的微观机制。

1.   材料和方法

1.1   试验材料

试验所用红黏土、膨润土分别取自湖南省郴州市和内蒙古高庙子，土样风干后研磨粉碎过0.2 mm土工筛，参照《土工试验方法标准》(中华人民共和国住房与城乡建设部，2019)测试获取基本物理力学性质指标，结果见表 1。

表  1  红黏土、膨润土基本物理力学性质

Table  1.  Basic physical and mechanical properties of laterite or bentonite

名称	指标	值
	天然含水量/%	37.14
	天然干密度/g·cm-3	1.35
红黏土	天然孔隙比	0.96
	塑限/%	27.0
	液限/%	54.0
	风干含水率/%	10.53
	比重	2.66
膨润土	总比表面积/m2·g-1	570
	塑限/%	37.0
	液限/%	276.0

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采用湿法激光粒度分析仪(型号Rise-2002)测试获取了膨润土和红黏土的颗粒级配曲线(图 1)；其中膨润土中黏粒(＜0.005 mm)含量占58.37%，红黏土中黏粒含量为19.41%。进一步采用X射线衍射仪(型号Bruker D8 ADVACE DaVinci)测试了膨润土与红黏土的主要矿物成分，其中膨润土含有62.0%的蒙脱石与25%的石英，红黏土含有51.2%的高岭石。

图  1  红黏土和膨润土的颗粒级配曲线

Figure  1.  Grain size distribution of red clay and bentonite

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1.2   试样制备

试验采用的柱状试样采用电子万能试验机静压制备，试样直径及高度均为50 mm，设定试样初始含水率为12%，干密度为1.4 g·cm^-3。压制试样前分别测定红黏土与膨润土的初始含水率，按照膨润土0、5%及10%的掺入比(干土质量比)配置混合土样，并喷水至设定含水率。以0.5 mm·min^-1恒定速率分两层压制试样，压至目标高度后静置60 min以防止试样回弹。压制完成的试样如图 2所示。

图  2  压实土样

Figure  2.  Compacted soil sample

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1.3   试验方法与仪器

试样压制完成后装入自行设计的各向等压干湿循环渗透仪(图 3)开展试验，采用体积压力控制器记录试样体积变化并计算体应变，并通过常水头渗透试验测量试样在不同溶液入渗作用下的渗透系数。

图  3  各向等压干湿循环渗透仪

Figure  3.  Isobaric wetting-drying circulation permeameter

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1.3.1   干湿循环试验

3组不同掺入比的试样在各向等压干湿循环渗透仪中分别完成4次干湿循环，试验中通过砝码和加载杆控制竖向压力为16 kPa，采用体积压力控制器保持围压为50 kPa。

试样在仪器中先进行湿化饱和，再进行通气干燥。湿化过程分别采用蒸馏水、NaCl溶液(0.1 mol·L^-1、1.0 mol·L^-1)入渗，15 d左右试样完全饱和(出水端流量稳定)；干燥过程采用气相法控制，通过向仪器中通入吸力为113 MPa的气体(饱和K₂CO₃溶液蒸汽)使得试样干燥脱水，试样变形稳定后(48 h内变形小于0.01 mm)进行下一个循环。干湿循环试验过程采用千分表记录试样的竖向位移，采用体积压力控制器记录试样体积变化。定义ε为体应变(%)，计算方式如式(1)：

式中：ε为体应变(%)；ΔV为测定试样的总体积变形(cm³)；V₀为试样初始体积(cm³)；V₁为试验过程中的试样体积(cm³)。

1.3.2   渗透试验

试样每次湿化饱和达到稳定后采用常水头法进行渗透试验，根据达西定律(式(2))计算渗透系数。

式中：k为渗透系数(cm·s^-1)；Q为渗流速度(cm³·s^-1)；L为土样高度(cm)；A为试样横截面积(cm²)；Δh为水头差(cm)。

1.3.3   压汞试验

选用膨润土掺入比为10%的压实混合土试样开展压汞试验研究NaCl溶液对于混合土孔隙结构的影响，分别测试获取原始样品及试样分别在蒸馏水、NaCl溶液(0.1 mol·L^-1、1.0 mol·L^-1)入渗作用下4次干湿循环试验之后的孔径分布曲线。取样过程注意保护试样的结构，采用冷冻刀切干燥技术取出压汞试验样品，利用刀片将液氮快速冷冻后的试样切割成立方体，通过冷冻干燥机在-63.5 ℃条件下抽真空24 h使冰升华，之后通过Micromeritics-AutoPore Ⅳ型压汞仪进行压汞试验。试验过程记录每一级压力下的进汞量，根据Washburn方程将压力换算为孔隙半径，可计算获得样品的孔径分布曲线与孔隙分布密度曲线。

2.   结果与分析

2.1   干湿循环与盐溶液作用下混合土竖向变形

不同膨润土掺入比的试样分别在蒸馏水、NaCl溶液(0.1 mol·L^-1、1.0 mol·L^-1)入渗作用下干湿循环产生的竖向变形如图 4所示。

图  4  干湿循环过程试样竖向变形：(a) 纯红黏土；(b) 膨润土掺入比5%；(c) 膨润土掺入比10%

Figure  4.  Vertical deformation of mixed soil samples during wetting-drying cycles

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试样在湿化饱和过程由于黏土矿物吸水膨胀，产生向上的竖向位移；在通气干燥过程由于土体失水收缩，土体孔隙减少，产生向下的竖向位移。在4次干湿循环作用下，不同掺入比的混合土试样均呈现收缩趋势，其中第1次循环产生的收缩变形最大，后期试样收缩变形逐渐减小并趋于稳定。4次干湿循环作用后，相比于蒸馏水和低浓度NaCl溶液入渗的试样，1.0 mol·L^-1 NaCl溶液入渗的混合土试样竖向收缩变形更为显著，且试样变形收敛时间明显延长。这主要是由于NaCl溶液入渗导致土体孔隙水浓度升高，渗透吸力增大，干燥失水速度减慢，收缩变形速度也随之减慢(Xu et al.，2014)。

在第1次循环的湿化饱和过程中，试样的竖向膨胀变形随着NaCl溶液浓度的增大而减小；而试样在干燥过程中的收缩变形随着NaCl溶液浓度的增大而增大。随着NaCl溶液浓度从0增加到0.1 mol·L^-1和1 mol·L^-1，较高浓度的Na⁺抑制了黏土矿物的水化作用，压缩黏土矿物双电层，减弱了黏土矿物之间的静电斥力，进而导致膨胀力降低(Rao et al.，2005；刘令云等，2016)。其中膨润土掺入比为10%的试样(图 4c)在3种溶液第1次湿化饱和后的膨胀变形依次为1.03 mm、0.85 mm、0.70 mm，膨胀变形明显表现出随NaCl溶液浓度增大而减小，这与NaCl溶液对黏土矿物的水化抑制作用直接相关。

2.2   干湿循环与盐溶液作用下混合土体变特征

3组不同掺入比的混合土试样在干湿循环过程的体应变曲线如图 5所示。

图  5  干湿循环过程试样体应变：(a) 纯红黏土；(b) 膨润土掺入比5%；(c) 膨润土掺入比10%

Figure  5.  Volume change of mixed soil samples during wetting-drying cycles

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由图 5可知，混合土试样在干湿循环过程中吸水膨胀，失水收缩，整体均呈现收缩趋势。试样在第1个循环产生较大的胀缩变形，随着干湿循环次数的增加，胀缩变形的幅度逐渐减小，试样整体变形趋于稳定。3种不同浓度的溶液入渗试样的体应变规律反映出NaCl溶液对于试样的胀缩性能有较大的影响，NaCl溶液入渗作用下干湿循环的试样收缩变形显著大于蒸馏水入渗的试样，且NaCl溶液浓度越高，混合土试样的收缩变形越剧烈。

对比纯红黏土与混合土试样体变特征可以发现，纯红黏土试样对于NaCl溶液入渗表现更高的敏感性。在高浓度NaCl溶液入渗后，纯红黏土试样产生的变形幅度明显大于蒸馏水和低浓度NaCl溶液入渗作用下产生的胀缩变形。而随着膨润土的掺入，混合土试样表现出更好的化学相容性，在高浓度NaCl溶液入渗作用下产生的胀缩变形较小。图 6为1 mol·L^-1 NaCl溶液入渗作用下，3种膨润土掺入比的混合土试样在干湿循环过程的体应变规律，膨润土掺入比为10%的混合土相比于纯红黏土和掺入比为5%的混合土，在干湿循环作用下具有更小的收缩体应变。同时，随着干湿循环次数增加，膨润土掺入比为10%的混合土体应变变化幅度较小，土体在化学溶液与干湿循环耦合作用下呈现出更高的稳定性。对于垃圾填埋场覆盖系统等防渗工程结构中，适当添加膨润土可以提高其化学相容性，减少黏土材料在复杂环境中的变形。

图  6  膨润土掺入比对混合土体应变的影响规律

Figure  6.  Influence of bentonite addition ratio on volume change of mixed soil

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2.3   干湿循环与盐溶液作用下混合土渗透特性

不同膨润土掺入比的试样分别在蒸馏水、NaCl溶液(0.1 mol·L^-1、1.0 mol·L^-1)入渗作用下干湿循环，每次湿化饱和后测试试样渗透系数，测试结果如图 7所示，试样的渗透系数随着干湿循环次数的增加总体呈现减小的趋势。

图  7  干湿循环过程混合土试样渗透系数变化规律：(a) 纯红黏土; (b) 膨润土掺入比5%; (c) 膨润土掺入比10%

Figure  7.  Variation of permeability coefficient of mixed soil samples during wetting and drying cycles

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试验结果均反映出入渗的NaCl溶液浓度越高，试样的渗透系数越低。压实黏土的渗透系数主要受矿物成分、大孔和裂隙的影响，4次干湿循环后，竖向变形和体应变测试均显示试样发生较大体积收缩。同时，红黏土矿物成分主要以高岭石为主，其渗透特性主要受颗粒聚集形式的影响，溶液中Na⁺离子主要改变了高岭土颗粒的絮状程度，且随着离子浓度的增加，高岭土颗粒以絮状胶结为主，宏观上导致了试样在4次干湿循环后表现为渗透系数降低(Horpibulsuk et al.，2011)。

试样的渗透系数随着干湿循环次数的增加总体呈现减小的趋势，但在第2次湿化饱和的渗透系数达到最大。结合试样的竖向变形和体应变曲线可以发现，试样在第1次干湿循环过程的膨胀-收缩变形量差异较大，第1次干燥后残余了较多的塑性变形。第2次湿化饱和过程中，干燥后的高吸力试样(113 MPa)颗粒水化作用比第1次更为剧烈，水分在渗透增湿过程再次进入平行的颗粒之间，增加土颗粒的间距；且由于第1次干湿过程造成的孔隙塌陷和结构调整，土体内部形成较多的孔隙通道，第2次饱和过程的渗透系数比第1次更高。后续干湿循环过程中，黏土矿物颗粒水化膨胀与失水收缩作用基本达到可逆的状态，但由于围压作用仍存在较小的净收缩体变，土样的渗透系数逐渐减小并趋于稳定(巩学鹏等，2019)。试验过程中NaCl溶液饱和渗透的试样水化膨胀收到抑制，试样渗透系数略低于蒸馏水饱和的试样，受干湿作用影响产生变化的幅度也略小于蒸馏水试样，但在试验过程中变化趋势基本一致。试验中渗透系数的演化规律与试样的胀缩变形趋势密切相关，观测到的现象与唐朝生等(2011)的试验结果相似。

对比图 7a、图 7b和图 7c可知，随着膨润土掺量的增加，混合土试样的渗透系数显著减小。第1次循环测试的混合土渗透系数随膨润土掺入比变化的影响规律如图 8所示。相对于纯红黏土试样，当膨润土掺量达10%时，蒸馏水饱和的试样渗透系数大幅减小，由11.60×10^-7 cm·s^-1减小至0.70×10^-7 cm·s^-1。由于膨润土中占主要成分的蒙脱石矿物拥有较大比表面积，蒙脱石吸水后表现较高的膨胀性，颗粒体积膨胀，充填压缩部分孔隙，导致试样内部渗流通道减少，进而表现出渗透系数随膨润土掺量增大为降低，这与徐杰等(2020)试验获取的结论一致。

图  8  膨润土掺入比对混合土渗透系数的影响规律

Figure  8.  Influence of bentonite addition ratio on permeability coefficient of mixed soil

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2.4   干湿循环作用下混合土孔径分布特征

掺10%膨润土的压实混合土原始样品及分别在蒸馏水、NaCl溶液(0.1 mol·L^-1、1.0 mol·L^-1)入渗下4次干湿循环后的样品压汞试验结果如图 9所示。

图  9  压实混合土原始样品及干湿循环后试样孔隙分布曲线

Figure  9.  Pore size distribution curves of mixed soil samples with and without 4 drying wetting cycles

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从4个试样的压汞试验曲线可以看出，压实混合土孔隙具有明显的“双峰”分布特征，其中小孔孔径主要分布在0.01~0.04 μm之间，大孔孔径主要分布在0.65~2.65 μm之间。经过不同溶液入渗和干湿循环后，累计进汞量曲线均下移，即表示同一孔径下单位质量土体内部累计孔隙体积减少，试样总孔隙率减小。孔隙分布密度曲线中小孔峰值略有增大，大孔峰值显著减小且左移，表示试样小孔数量有少量的增加，而大孔数量显著减小。干湿循环后试样的小孔孔径分布范围基本不变，大孔孔径分布在0.40~2.00 μm之间，大孔的数量及孔径均有明显减小。

3种不同溶液入渗的试样压汞试验曲线显示：随着NaCl溶液浓度的增加，混合土在4次干湿循环之后孔隙体积减少，土体孔隙体积呈收缩趋势；从孔隙分布密度曲线可知，混合土4次干湿循环后土体孔隙“双峰”分布特征逐渐减弱，具有向“单峰”分布特征演化的趋势。孔隙分布密度曲线中小孔孔径分布未发生显著变化，证实了NaCl溶液对于土体的小孔孔径及数量影响不明显；然而，NaCl溶液对于大孔数量的影响显著，其中蒸馏水入渗的试样大孔孔径分布密度峰值为0.26 mL·(g·μm)^-1，对应的最可几孔径(最发达的孔径)为1.22 μm；而1.0 mol·L^-1的NaCl溶液入渗的试样大孔径分布密度峰值为0.13 mL·(g·μm)^-1，对应的最可几孔径为1.14 μm。NaCl溶液入渗的试样大孔分布密度显著减小，说明NaCl溶液入渗改变了土体孔隙结构，土颗粒间隙减少，导致土体的孔隙体积显著减小(图 5)。

图 4c、图 5c中变形测试结果均反映出入渗NaCl溶液浓度越高的试样收缩变形越大。结合图 7c中掺10%膨润土的混合土试样渗透系数测试结果分析可知，混合土试样随着入渗的NaCl溶液浓度越高，渗透系数越小。压汞试验结果从微观角度验证了宏观测试数据，并揭示了NaCl溶液及干湿循环对黏土材料的变形与渗透性能的影响机制：干湿循环作用导致土体总孔隙率及大孔孔隙减少，小孔数量略有增大；而且，随着入渗的NaCl溶液浓度增加，土体干湿循环之后总孔隙率及大孔数量减小、收缩变形增大、渗透系数减小。

3.   结论

(1)干湿循环作用下，红黏土-膨润土混合土试样发生胀缩变形，4次干湿循环过程整体呈现收缩变形趋势；试样均在第1次循环表现出最大的收缩变形，后期变形趋于稳定。干湿循环作用导致土体孔隙“双峰”分布特征逐渐减弱，土体总孔隙率及大孔孔隙减少，小孔数量略有增大。

(2)红黏土-膨润土混合土试样渗透系数随干湿循环次数的增加呈先增大后减小的趋势，但在第2次湿化饱和时的渗透系数达到最大，之后逐渐减小并趋于稳定。

(3)增大膨润土的掺入比可以提高混合土试样的化学相容性，有效减小试样在NaCl溶液影响下的胀缩变形，同时显著减小试样的渗透系数，增强阻滞性能。

(4)随着入渗的NaCl溶液浓度增大，红黏土-膨润土混合土试样干湿循环之后的收缩变形增大，大孔数量减小、渗透系数减小。