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两种阿尔及利亚膨润土在防水体系中的表征和定量
Messaouda Debieche , Farid Kaoua
环境，岩土和水力学实验室（LEG HYD），科学和技术大学土木工程学院Houari Boumediene, 阿尔及尔，阿尔及利亚.
Email: mdebieche@yahoo.fr
2014年2月14日收到; 2014年3月16日修订; 2014年3月27日接受.
版权所有copy;2014作者和科学研究出版公司
本作品根据知识共享署名国际许可证（CC BY）进行许可.
摘要
近来对环境的兴趣有了相当大的增长，在阿尔及利亚，现在包括政府和行业内都采取了许多措施来进行对它的保护。目前有近3000个非法堆场在生产不同类型的废物，占地约150,000公顷。为了解决这个问题，防水站点无疑是最合适的解决方案。这是一种岩土工程方法，通过在特定时间内通过缩小水流面积来防止水的作用。现场填埋场的防水技术现在是保护环境的必要条件，这需要使用合适的材料。这项工作在技术垃圾填埋场“TLS”的防水技术中处理当地材料（沙子和膨润土）的价格。为此，使用阿尔及利亚西部的两种膨润土。为了获得最佳的混合物，确保在导水率，耐久性和剪切强度方面的良好性能，制备并研究了在紧密状态下基于不同浓度膨润土的砂的混合物。该研究表明，通过引入8％的钙基膨润土，6％的钠膨润土，可以实现混合物（沙/膨润土）的低渗透性。与钙膨润土相比，后者具有很强的吸附能力和自我修复能力。这对于基于钠膨润土的混合物的气候变化具有良好的可持续性。这种混合物还提供了良好的机械性能，通过记录的摩擦角（Phi;）的减小和内聚力（C）的增加来表示。因此，由于其经济和生态优势，它代表了防水系统的最佳混合物。
关键词
钙膨润土，钠膨润土，砂，水力传导率，可持续性，抗剪强度
1.介绍
地面上存在工业废弃物和生活垃圾，造成重大环境问题。 在阿尔及利亚，这个问题开始感受到，并成为关心实现可持续发展的环境和地球科学专家的关切[1]。环境保护的主要兴趣增加了对高质量和可靠密封系统的要求; 寻求的主要特点是：
bull;压实的混合砂/膨润土的最大干密度。
bull;低导水率（Kle;1times;10 -9 m / s），可以使用少量膨润土将渗漏降至最低。
bull;有足够的抗剪强度来保持TLS的斜坡稳定性。
bull;应该检查混合物的可持续性，以便随着时间的推移（湿润干燥循环）对照连续水合特性中的气候变化进行检查。
目前，使用膨润土膨润土作为土壤密封材料是世界上应用最广泛的方法之一。尽管在全球范围内有许多研究工作对膨润土的水力性能进行了研究，但阿尔及利亚膨润土的研究很少[2]。 表1总结了一些结果，在有关类似的全球研究的文献中发现。
在阿尔及利亚，最重要的膨润土矿床位于阿尔及利亚西部（图1）。 自20世纪50年代以来，它们一直在被利用。
在这种情况下，首先进行了一项试验活动，以确定实现低渗透率（Kle;1times;10 -9m / s）所需的膨润土浓度，压实特性和“K”的可能变化，允许对所需混合物进行可持续性研究。其次，对机械性能进行研究，以评估所需混合物的短期和长期机械特性。
2.使用的材料
本研究中使用两种类型的膨润土：
bull;灰色的Mostaganem膨润土。
bull;Maghnia（Roussel1）的白色膨润土。
这两种膨润土均由国家矿物产品有限公司（ENOF）出售，用于铸造，陶瓷工业或石油和液压钻井。 选择标准见表2。
旧砂来自阿尔及利亚东部巴格利亚北部的冲积砂岩，通常用于制造混凝土。 事先清洗沙子以去除所有杂质。
2.1. 化学分析提出修改建议
通过X射线光谱仪进行两种所用的以颗粒形式制备的膨润土样品的化学分析，荧光光谱采集和数学处理由软件Super Q进行。为此，飞利浦分析光谱仪是 为了增加当地产品的价值，在土壤封闭中，阿尔及利亚膨润土的化学成分与世界膨润土进行了比较（表3）。
该表表明马格尼亚膨润土具有与怀俄明州和希腊膨润土类似的特征。 然而，Mostaganem的膨润土含有低百分比的氧化铝和高钙。
表1.文献结果回顾.
图1.阿尔及利亚膨润土矿床位置图.
表2.选择膨润土化合物的标准[2].
表3.全球和阿尔及利亚膨润土的化学成分比较.
这两种膨润土由高比例的SiO2组成，比Al2O3高（表3）。 事实上，Mostaganem和Maghnia的膨润土的SiO2/Al2O3比分别为4.76和4.04，这些值表明存在蒙脱石[8]。由于来自Mostaganem的膨润土中的钠的钙百分比的平衡证实后者是钙的类型，在Maghnia的膨润土的情况下由钙与钠的平衡反抗，这表明我们有钠[9]。
2.2.矿物学分析
在图3上，照片显示两种膨润土都由聚集体组成，这些聚集体是通过组装各种尺寸的蒙脱石颗粒而形成的。 这个装配伴随着Mostaganem膨润土与Maghnia膨润土相比小尺寸微腔的出现。
图2.两种膨润土的X射线衍射图。（a）Mostaganem的膨润土[3];（b）Maghnia的膨润土。
图3.用SEM分析所用材料的微观结构的照片。 （a）Mostaganem的膨润土[3]; （b）Maghnia的膨润土。
2.3.物理特性
根据标准，物理特性由标准实验室测试确定，如表4和表5所示。
表征试验表明，膨润土都是活性蒙脱土，因此具有相对较大的水吸附潜力。 这使得它们有可能用于降低渗透性。Maghnia的膨润土是苏打水（称为SB），而Mostaganem的膨润土是钙质的（称为CB）。用过的砂识别显示，在预清洗后清除所有杂质以及坏刻度（称为Sp）后清洁。
图4绘制了不同用料的筛分和沉降曲线，其提取的信息在表4和表5中给出。
3.水力性能
本部分涉及确定水力性能，压实混合物，具有不同物理化学和矿物学特性的相同砂和膨润土的复合物。 使用过的膨润土的含量分别为：0％，2％，4％，6％和8％。
为了消除所有杂质（表5），预先清洗过使用过的沙子，然后在105℃的烘箱中干燥24小时，同时膨润土在50℃的温度下干燥48小时。
本研究涉及人造密封技术，其中土壤（砂）-渗透性-与膨润土混合。两种（沙/膨润土）在指定含水量下压实，应确保通过规定确定的渗透性，以及循环效应加湿-烘干。
在研究土壤的水力性能之前，必须根据混合物的颗粒度和现场使用情况评估最佳含水量，并根据Standard Proctor（NF P94-093）给出每种混合物的最大干密度。
该试验包括在直径为102mm的标准模具中压实混合物，直径小于5mm的颗粒，质量为2.49kg的夯锤，三层的落差高度为30.5cm，厚度约为40mm，以及高度为117毫米，压实能量相对较低，相当于中等压实度，评估值约为0.59千焦/平方米（每层25次）。该混合物在搅拌器-5升容器中制备，该容器由不锈钢和旋转混合器合金制成，以139转/分钟的速度旋转 - 其中引入干砂和所需量的膨润土，然后水是添加。将混合物充分混合，得到均匀的混合物。所考虑的混合物的保存在室温下密封袋中保证至少24小时[4][10]。这一步对于保持混合物湿度不变是必要的。对水敏感，膨润土需要更多的时间进行均质化。对于不同的考虑的混合物重复该过程，使用不同含量的膨润土。
表4.两个研究膨润土的鉴定测试结果.
表5.研究砂的鉴定测试结果[3]
Proctor曲线是从约4％的含水量开始（图5）并逐渐增加而获得的。一般来说，一旦在夯实压实周围观察到土壤排斥，停止添加水。
4.压实测试结果
结果在图5中以曲线的形式表示，其显示了取决于含水量的干密度演变。 最佳的Proctor是以图形方式派生的。
图4.本研究中使用的三种材料的晶粒尺寸分布曲线
图5.所考虑的膨润土浓度的体积干重与含水量的关系。（a）沙/ CB;（二）砂/ SB
结果使我们能够跟踪干密度的最大值以及相应的最佳水含量的变化，这取决于膨润土的浓度。在图6中，我们注意到，在低浓度的膨润土中，它们的颗粒在砂粒之间被驱动，产生砂粒-颗粒。而高于4％的膨润土浓度，其颗粒覆盖沙子，这反映出混合物的干密度降低[10-13]。
图7中的两条曲线表明，最佳含水量与膨润土浓度成正比。此外，SB混合物的最佳含水量高于CB混合物的含水量。这是由于高比表面积，高塑性指数-高的，Maghnia SB的高膨胀率（表3），因此比Mostaganem的CB的吸附容量更大。
4.1 渗透性测试
通常，在土壤中以及更一般地在多孔介质中确定水渗透系数是基于在正或负的作用下渗透通过微观多孔结构的流速的测量液压负载梯度。游离水和毛细管转移由机制控制，并由达西定律复制[14]。
图6.干体积重量与膨润土浓度的变化
图7.最佳含水量与膨润土浓度
鉴于我们对压实混合物的密封感兴趣，所有用于渗透性测试的样品都将在湿侧进行压实，因此渗透性测试在含水量等于：omega;=omega;opt 2％时进行[15]。根据（NF P94-512-11）直接测量土壤渗透率，是基于对高渗透性土壤的两个所谓的“恒定负荷”或对于低渗透性的土壤的“可变负荷”。 在这项研究中，这两个程序是由于混合物由两种土壤组成，即沙子和一系列粘土（蒙脱石）组成的。 一旦获得最佳值，从Proctor曲线，干体积重量和推导出相应的待加水的含量。另一次压实测试是在Proctor permeameter的模具中进行的，最佳含水量为 2％。试验在以下条件下进行：
bull;在饱和阶段（i = 1）保持低水力梯度（记为i）。
bull;达西定律的有效性;
bull;饱和后渗透率的测量，尤其是在允许膨润土膨胀完成后，LY;
bull;温度室的温度调节在20°C，否则应根据公式（3）进行更正。该装置由渗透仪组成，用于同时进行恒定和可变负载下的测试，如图8所示。
这包括：
bull;直径为102毫米，高度为117毫米的四个渗透性圆柱形电解槽。
bull;一组由四个直径为17 mm的玻璃管组成的面板，连接到四室渗透率，用于可变负载测试。
bull;一个水箱，用于将样品保存在露天电池中。
bull;用于填充四个管的精确水平的容器（h1）。
bull;四个金属标尺粘在与管道相邻的面板上，用于记录不同的水位（h2）。
4.1.1 恒定负载测试
对于恒定负载测试，渗透率由下式给出：
K=（Q /Ai） （1）
其中：
K：渗透率（cm / s）。
Q：在持续时间“t”期间已经通过样品的水的体积。
A：样本面积（平方厘米），被水划过。
i：水力梯度（）H LDelta;，“Delta;H”保持恒定，“L”表示模具高度。
4.1.2 可变负载测试
对于可变负载测试，渗透率由下式给出：
其中：
K：渗透率（cm / s）;
a：测压管面积（cm 2）;
A：样品面积（cm 2）;
L：模具长度（cm）;
T：从h 1到h 2（s）的时间;
h1，h2：在“T”时间内管中的连续水位。
图8.带渗透压实仪的渗透性测试装置的照片
渗透系数取决于流体粘度：当粘度增加时，流量减小，反之亦然。因此，当在各种温度下进行测量时，在参考温度下恢复渗透率K的计算值是合适的[16]。通常，对于20℃的温度给出渗透系数“K”，水流过材料，水的动态粘度为1.00MPa（AFNOR X30-441.2003）。
其中：
k20˚C：20˚C时的渗透系数;
kT˚C：温度T（˚C）下的渗透系数;
eta;20˚C：20˚C时的动态粘度;
eta;T˚C：温度T（˚C）下的动态粘度。
由亥姆霍兹（Helmholtz）（1988）建立的经验关系式表达了粘度与温度的函数关系，温度是：
4.2 液压传导性
为了突出膨润土-0％，2％，4％，6％和8％对水渗透性的影响，测试是在压实砂-膨润土的混合物上进行的。对于每个百分比，测试两个样品，其中注意到相应的日期，时间，温度和pH。实验的平均持续时间值为二十天。
图9显示了根据膨润土浓度的渗透率的变化。事实上，膨润土的添加降低了渗透性，其在膨润土的特定百分比处达到最佳值，并且在稍后变化。 从一系列测试中发现的结果表明，对于相同的沙子来说，等于膨润土的百分比，换句话说，渗透率与膨润土的浓度成反比。因此，膨润土具有降低渗透性的能力。否则，对于所研究的混合物，8％的膨润土Mostaganem（CB）和6％的Maghnia（SB）的浓度获得最低的渗透性。
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