浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2024, 58(9): 1902-1911 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2024.09.015

土木与建筑工程

干湿循环中磷石膏基防渗材料的防渗和剪切特性

宋牧原,, 王宜将, 杨微,, 郎丰飞, 陈伟, 刘雪莹

1. 湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南 长沙 410082

2. 湖南大学 建筑安全与环境国际联合研究中心，湖南 长沙 410082

3. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082

4. 中蓝长化工程科技有限公司，湖南 长沙 410000

5. 湖北大峪口化工有限责任公司，湖北 钟祥 431911

Impermeability and shear strength of phosphogypsum-based impermeable materials under drying-wetting cycles

SONG Muyuan,, WANG Yijiang, YANG Wei,, LANG Fengfei, CHEN Wei, LIU Xueying

1. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of Ministry of Education, Hunan University, Changsha 410082, China

2. National Center for International Research Collaboration in Building Safety and Environment, Hunan University, Changsha 410082, China

3. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China

4. Chonfar Engineering and Technology Co. Ltd, Changsha 410000, China

5. Hubei Dayukou Chemical Co. Ltd, Zhongxiang 431911, China

通讯作者: 杨微，女，教授. orcid.org/0000-0001-6968-4955. E-mail: yangwei86@hnu.edu.cn

收稿日期: 2023-07-14  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52078207)；国家自然科学基金青年科学基金资助项目(41807261)；湖南省科技计划资助项目(2022RC1174).

Received: 2023-07-14  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(52078207)；国家自然科学基金青年科学基金资助项目(41807261)；湖南省科技计划资助项目(2022RC1174).

作者简介 About authors

宋牧原（1999—），男，硕士生，从事固废资源化利用研究.orcid.org/0009-0005-2793-094X.E-mail：songmy@hnu.edu.cn , E-mail：songmy@hnu.edu.cn

摘要

研制新型聚丙烯酸钠改性膨润土-砂-磷石膏（PMB-S-PG）防渗材料，用于磷石膏渣场或路基防渗层，为多途径消纳磷石膏提出新思路. 对比PMB-S-PG、钠基膨润土-砂-磷石膏（RB-S-PG）与聚丙烯酸钠改性膨润土-砂（PMB-S）在干湿循环下的防渗及剪切特性，并结合扫描电子显微镜 （SEM）及压汞 （MIP）试验探明干湿(DW)循环下试样防渗和强度弱化的微观机理. 结果表明：试样RB-S-PG、PMB-S-PG及PMB-S的渗透系数在9次循环后分别上升了146.5倍、6.14倍及1.59倍，说明PMB有效提升了试样的抗干湿循环能力. 试样抗剪强度的大小关系为PMB-S-PG>RB-S-PG>PMB-S，表明PG和PMB有助于提升试样的抗剪强度. 试样的抗剪强度均随干湿循环次数的增加呈先降低后稳定的变化趋势. 通过MIP试验发现试样PMB-S-PG中孔隙随循环次数的增加由单峰演变为三峰结构，3个峰相应粒径的孔隙体积和数量不断增加，颗粒间胶结弱化，但试样中孔隙体积增量逐渐减小，可见在干湿循环作用下，试样的防渗及强度特性先弱化而后趋于稳定.

关键词： 磷石膏(PG) ; 干湿(DW)循环 ; 渗透系数 ; 抗剪强度 ; 孔隙结构

Abstract

New sodium polyacrylate modified bentonite-sand-phosphogypsum (PMB-S-PG) impermeable material was developed for PG slag field or roadbed impermeable layers, which can provide a new idea for multiple ways to dispose PG. The properties of impermeability and shear strength for PMB-S-PG, raw bentonite-sand-phospho gypsum (RB-S-PG) and sodium polyacrylate modified bentonite-sand (PMB-S) under the drying-wetting (DW) cycles were compared, and the micro-mechanisms of the impermeability and the strength weakening for the specimens under the action of DW cycles were investigated by scanning electron microscope (SEM) and mercury intrusion porosimetry (MIP) tests. Results showed that the coefficients of permeability for the RB-S-PG, PMB-S-PG and PMB-S specimens increased by 146.50, 6.14 and 1.59 times after 9 DW cycles, respectively, indicating that the PMB can effectively improve the resistance of the specimens for DW cycles. The relationship of the shear strength for three specimens was as follows: PMB-S-PG>RB-S-PG>PMB-S, indicating that the PG and the PMB both helped to improve the shear strength of the specimens. The shear strength of the specimens showed a change trend of decreasing first and then stabilizing with the increasing number of DW cycles. By the MIP tests, it was found that the pore structure of the PMB-S-PG specimen changed from single-peak to three-peaks structure with the increasing number of DW cycles. The pore volume and number corresponding to the particle size of the three peaks increased continuously, which led to the weakening of interparticle cementation, but the increment of the pore volume of the specimen decreased gradually. In the effect of DW cycles, the properties of impermeability and strength for the specimen first weakened and then tended to be stable.

Keywords： phosphogypsum (PG) ; drying-wetting (DW) cycles ; coefficient of permeability ; shear strength ; pore structure

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本文引用格式

宋牧原, 王宜将, 杨微, 郎丰飞, 陈伟, 刘雪莹. 干湿循环中磷石膏基防渗材料的防渗和剪切特性. 浙江大学学报(工学版)[J], 2024, 58(9): 1902-1911 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.09.015

SONG Muyuan, WANG Yijiang, YANG Wei, LANG Fengfei, CHEN Wei, LIU Xueying. Impermeability and shear strength of phosphogypsum-based impermeable materials under drying-wetting cycles. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2024, 58(9): 1902-1911 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.09.015

磷石膏（phosphogypsum，PG）是工业湿法磷酸生产的主要副产物. 磷石膏的堆存占用大量的土地且其酸性渗滤液在长期存放过程中持续下渗会击穿磷石膏库底的防渗层，严重污染周围的土壤、植被以及地下水，同时还可能引发地下岩层的溶蚀和塌陷[1]. 目前全球磷石膏的年产量约2亿吨且仍在逐年增长[2]. 为了解决磷石膏的大量堆存问题，现阶段磷石膏主要被应用在水泥[3]、油漆和涂料[4]、沥青添加物[4]、石膏黏合剂[5]、保温材料[6]、路基材料[7]等领域. 然而，2021年全球磷石膏[8]利用率仅为10%~15%，相比于2020年全球粉煤灰[9]利用率（60%）和2020年全球煤气化渣[10]利用率（40%）而言较低. 因此，亟须探寻磷石膏的多路径和多领域利用方法.

近年来，钠基膨润土因其良好的隔水能力被广泛应用于固废处置库中. 研究人员通常将膨润土与砂、土、固废等材料按比例混拌制备膨润土混合物，相关研究表明其具有良好的防渗效果. Xu等[11]发现当膨润土-砂混合物中的膨润土占总质量的5%时，混合物在水中的渗透系数小于1.0×10−7 cm/s；Doley等[12]指出膨润土（质量分数为25%）-粉砂混合物在水中的渗透系数为4.0×10−8 cm/s; Abdellah 等[13]研发的膨润土（10%）-凝灰岩（70%）-砂混合物在一定压力范围下固结后于水中的渗透系数为1.83×10−8 cm/s; Ozhan[14]认为在膨润土（20%）-砂混合物中加入质量分数为2%的阴离子型聚丙烯酰胺后，相比于不掺聚丙烯酰胺时，其在水中的渗透系数从3.4×10−8 cm/s降至8.3×10−10 cm/s.

研究表明，与其他黏土矿物相比，膨润土的抗剪强度是最低的[15]. 在高法向应力下钠基膨润土防水毯的剪切滑裂面首先发生在其内部[16-17]，在降雨条件下极易引发填埋场沿衬垫系统发生剪切破坏. 因此，研究人员通过改变混合物的物质组成来提高其力学特性. 例如，膨润土（15%）-黏土石混合物的黏聚力比黏土石的黏聚力高约3倍[18]；膨润土（15%）-粉煤灰（20%）-砂混合物的无侧限抗压强度比膨润土（15%）-砂混合物的无侧限抗压强度高88.42%[19]；膨润土（15%）-水泥（5%）-砂混合物的抗拉强度在养护28 d后比膨润土（15%）-砂混合物的抗拉强度高约16倍[20]；在膨润土（20%）-砂混合物中加入2%的阴离子聚丙烯酰胺后，其黏聚力相比于膨润土（20%）-砂混合物提高了54 kPa[14].

季节性温度变化及水位升降所引发的干湿循环效应（drying-wetting，DW）会促使防渗衬垫表面裂隙网络形成，同时增加其内部的孔隙，进而在其中形成损伤区[21-22]. 研究表明干湿循环对黏土材料的防渗和强度性能产生了不利影响，例如：膨润土[23]、HYPER黏土[23]、膨润土-土壤混合物[24]在水中的渗透系数随循环次数的增加而增大；重黏土[25]的无侧限抗压强度、粉质黏土[26]的固结不排水抗剪强度、红黏土的抗拉强度[27]随循环次数的增加而逐渐降低.

本研究采用具有良好化学相容性的聚丙烯酸钠改性膨润土（sodium polyacrylate modified bentonite，PMB）[28]代替传统的钠基膨润土，同时为了消纳磷石膏，考虑将磷石膏和硅砂共同掺入混拌，研制出新型聚丙烯酸钠改性膨润土-砂-磷石膏（sodium polyacrylate modified bentonite-sand-phosphogypsum, PMB-S-PG）防渗材料，对其在干湿循环作用下的防渗性能和抗剪强度进行研究. 以PMB-S-PG材料为研究对象，设置钠基膨润土-砂-磷石膏（raw bentonite-sand-phosphogypsum, RB-S-PG）和聚丙烯酸钠改性膨润土-砂（sodium polyacrylate modified bentonite-sand, PMB-S）材料为对照组. 通过变水头渗透试验和直剪试验分别对3种材料在0~9次干湿循环后的渗透系数和抗剪强度进行测试；利用电镜试验观察材料的物质形貌并采用压汞法分析其在循环的孔隙大小的变化规律，进一步揭示干湿循环中磷石膏基材料的防渗性能和抗剪强度变化机理.

1. 试验概述

1.1. 试验材料

湖北大峪口化工公司提供了2种磷石膏，分别为水洗和原状磷石膏（phosphogypsum, PG），其区别在于水洗磷石膏进行了水洗处理，2种磷石膏都呈灰白色（见图1）. 如表1所示，列举了磷石膏理化特性. 表中，pH为酸碱性，w为水的质量分数，w0为附着水的质量分数，w（Ca2SO4·2H2O）为二水硫酸钙晶体质量分数，w（P2O5）为水溶性五氧化二磷的质量分数，w（F−）为氟离子的质量分数，w（AS）为砷质量分数，w（Pb）为铅质量分数，w（Cd）为镉质量分数，Ira为内照射因子，Ir为外照射因子. 可见，原状磷石膏中磷、氟杂质较多，呈现强酸性，含有重金属和低量的放射性元素. 根据测试结果并参考规范《磷石膏建筑材料应用统一技术规范》（DBJ52/T093—2019）[29]、《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB1568—2018）[30]和《磷石膏无害化处理指南》（T/CPFIA000X—2023）[31]可知，水洗后的磷石膏满足规范中的要求. 因此，本研究均采用水洗磷石膏用于制备材料.

图 1

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图 1   原状磷石膏和水洗磷石膏

Fig.1   Original and washed phosphogypsum


试验中标准砂（sand, S）由厦门ISO公司生产，粒径为0.10~1.10 mm；钠基膨润土（raw bentionite ，RB）由福建省连城县恒河膨润土有限公司生产，化学组成见表2. 表中，wB为化学成分的质量分数. 试验中聚丙烯酸钠改性膨润土（sodium polyacrylate modified bentonite, PMB）以钠基膨润土和丙烯酸钠溶液为原料通过加聚反应制成，其制备方法基于团队先前的研究成果[28]. 如表3所示，列举了PMB和RB的物理性质指标. 表中，wP为塑限，wL为液限，IP为塑性指数，Gs为比重，mF (100 mL/2 g)为膨胀指数.

表 1   水洗和原状磷石膏的理化指标

Tab.1  Physical and chemical indexes of washed and original phosphogypsum

参数pHw / %w0/ %w(Ca2SO4·2H2O) / %w (P2O5)/ %w (F−) / %w (As) / (mg·kg−1)w (Pb) / (mg·kg−1)w (Cd) / (mg·kg−1)IraIr
限值——≤15 (Ⅰ)
≤20 (Ⅱ)		≥90 (Ⅰ)
≥80 (Ⅱ)		≤0.20 (Ⅰ)
≤0.30 (Ⅱ)		≤0.10 (Ⅰ)
≤0.20 (Ⅱ)		<30(Ⅰ)<85(Ⅰ)<100(Ⅰ)≤1≤1
水洗3.523.30.4296.330.090.053.8110.81.370.430.36
原状2.542.35.2593.130.370.234.3212.61.72——

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表 2   膨润土的化学成分

Tab.2  Chemical composition of bentonite

指标wB/%指标wB/%
SiO262.839MgO3.224
Al2O316.337K2O1.331
Fe2O35.817TiO21.331
CaO5.399P2O50.255
Na2O3.614——

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表 3   膨润土与聚合物改性膨润土的物理性质指标

Tab.3  Physical property of bentonite and polymer-modified bentonite

材料 wP/%wL/%IPGsmF/(100 mL·(2g)−1)
聚合物改性膨润土105.06598.36493.302.3972.0 (去离子水)
膨润土132.35336.41201.062.6831.5 (去离子水)

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1.2. 试样制备

本试验中试样的组成以及根据《土工试验方法标准》得到的试样的最大干密度（maximum dry density，MDD）和水的质量分数最优值wopt如表4所示. PMB-S-PG与RB-S-PG的试验对比可以探明改性膨润土的作用，而PMB-S-PG与PMB-S的对比可以用于分析磷石膏在防渗材料中的作用. 试样及组成材料的颗粒级配如图2所示. 图中，P为小于某粒径的颗粒累计质量分数，d为颗粒粒径. 本试验采用湿拌法制备试样并采用静压法进行制样. 首先将制样所需的材料按比例倒入搅拌器中，加水至该试样的水的质量分数最优值后进行搅拌，将搅拌均匀的材料放于塑封袋中密闭闷料24 h后使用. 根据《高分子聚合矿物质防渗材料》（T-CECS2010152—2021）[32]中对防渗衬层的要求（平地工况，压实度≥90%），本试验中控制试样的压实度均为90%，并使用静压加载装置将材料压入到直径为61.8 mm和高度为20或40 mm的环刀中完成制样.

表 4   不同试样的击实试验结果

Tab.4  Results of different specimens for compaction tests

试样wBMDD/(g·cm−3)wopt/%
PMBRBSandPG
PMB-S-PG101040501.5024.7
RB-S-PG101040501.6122.3
PMB-S10109001.5220.3

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图 2

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图 2   试样及其组成材料的颗粒级配曲线

Fig.2   Particle size distribution of specimens and materials


2. 试验方法

2.1. 循环程序

为了探明干湿循环作用对试样防渗和剪切特性的影响程度，对3种试样分别进行了0、1、2、3、6、9次干湿循环. 经过不同干湿循环次数的试样均须达到最优水的质量分数后再分别进行渗透和直剪试验. 干湿循环的具体步骤如下：1）制样前记录环刀的质量，制样后记录试样（环刀+材料）的质量并将其放入到叠式饱和仪中；2）采用抽气饱和法，将叠式饱和器放于真空桶中抽气5 h后再反压饱和24 h；3）取出叠式饱和仪将其放入到80 ℃恒温干燥箱中进行干燥，每隔一段时间取出试样并在冷却至室温后进行称重，若试样每小时的质量变化小于0.01 g，则认为试样脱湿至恒重，计算此时试样中水的质量分数；4）将干燥后的试样取出放置于底部装有一块直径为100 mm透水石的烧杯中，用10 mL的滴定软管沿烧杯壁喷水，后用密封膜包裹烧杯口使试样在毛细水上升作用下逐渐吸湿. 当达到最优水的质量分数时，再用保鲜膜密封试样闷料24 h以保证试样中的水分分布均匀，即完成1次循环. 在进行多次干湿循环时，重复步骤1）~3）并在最后一次循环时完成步骤4）即可.

2.2. 渗透试验

采用常州八零未来智能科技有限公司生产的TST-55型刚性壁渗透仪进行变水头渗透试验. 将循环特定次数后的试样（高为40 mm，直径为61.8 mm）安装于渗透仪中并在一定水头作用下静置一段时间，待仪器出水口有水溢出时再开始测定渗透系数，本试验中的渗透溶液均为超纯水. 在每次循环中取2组试验结果的均值作为最终结果. 渗透试验中3种试样各需要14块，共计42块试样.

2.3. 直剪试验

采用南京土壤仪器有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪进行直剪试验. 试验中竖向应力设置为50、100、200、400 kPa，将循环特定次数后的试样（高为20 mm，直径为61.8 mm）放于剪切盒中进行固结，待固结稳定后控制仪器的剪切速率为0.08 mm/min进行直剪试验，当剪切位移达到6.0 mm时停止试验. 每次循环中每级荷载下须测试2次取平均值作为最终结果. 直剪试验中3种试样各需48块，共计144块试样.

2.4. 结构表征

2.4.1. 电镜试验

采用型号为TESCAN MIRA LMS的电镜扫描仪对试样PMB-S-PG、RB-S-PG和PMB-S进行电镜扫描. 取3种粉末状的试样1~2 g，干燥后在其表面喷金，并用导电胶（0.3 mm×0.3 mm）固定在仪器的金属底座上进行扫描. 在试验中对具有代表性的结构单元进行观察并记录，以明晰不同试样的表面形貌.

2.4.2. 压汞试验

压汞（mercury intrusion porosimetry，MIP）试验测定多孔介质中孔隙分布是依据非浸润性液体在没有压力作用时不会流入固体孔隙的原理[33-34]. 根据外部压力p和等效孔径r之间的关系推测多孔介质的孔隙及孔径分布特征[33-35]. 若假定多孔介质的孔隙为圆柱形的毛细管，则外部压力p与孔隙半径r之间存在如下关系：

$ p=-2T_{\mathrm{S}} \cos\;(\theta r) . $

式中：TS为表面张力系数，θ为水银与所测材料的接触角. 通过压汞仪将水银用不同压力注入到多孔介质的孔隙中并记录每一级压力增量时的进汞量，由式（1）将压力换算成孔隙半径，获得多孔介质材料的孔隙分布特征.

采用AutoPoreIV9500型压汞仪，压力范围为3.6 kPa~413 MPa，可测试孔径范围为6 nm~350 μm. 同时，为了保证试样干燥后的孔隙不发生变化，在压汞前须对试样进行冷冻干燥处理. 将特定循环次数中干燥状态下的试样取出进行冷冻干燥后切取目标尺寸的MIP试样（长×宽×高为1 cm×1 cm×1 cm），并将切取后的试样移至冷冻干燥管中（65 ℃）冷冻24 h以确保试样充分干燥. 最后将装有试样的干燥管放入压汞仪的仓腔室内进行注汞. 对干湿循环0、1、2、3、6、9次后的试样PMB-S-PG进行压汞试验.

3. 试验结果与分析

3.1. 渗透特性分析

渗透试验结果表明3种试样在水中的渗透系数均较低，由低至高排序如下：PMB-S（3.71×10−9 cm/s）<PMB-S-PG（3.92×10−9cm/s）<RB-S-PG（4.71×10−9 cm/s）. PMB-S及PMB-S-PG这2种试样的渗透系数接近，说明磷石膏的掺入对试样的渗透性影响不大，而PMB-S-PG的渗透系数小于RB-S-PG的则说明改性膨润土的掺入有利于提升试样的抗渗能力. 如图3所示为3种试样的表面微观形貌图. 可以观察到，试样PMB-S-PG中的磷石膏与改性膨润土共同作用形成了网状蜂窝结构；试样RB-S-PG中膨润土与砂仅黏附在磷石膏晶体上，颗粒间联系薄弱从而产生较大孔隙；试样PMB-S中的改性膨润土附着并包裹在砂颗粒表面，两者结合紧密，且改性膨润土在无水时呈现出多孔结构并裸露在砂颗粒表面.

图 3

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图 3   3种试样的电镜图片

Fig.3   SEM images of three specimens


防渗材料的结构组成及特性对其渗透性具有较大影响，团队前期的研究表明改性膨润土在水中的膨胀指数高达80 mL/2 g[36]，因而试样PMB-S中的改性膨润土水化可吸附大量结合水，极大程度地填充了砂土结构内的孔隙，部分渗流通道被堵塞并变得曲折，因而PMB-S具有超低的渗透系数. 当水渗入试样PMB-S-PG时，改性膨润土水化后吸附大量结合水使试样中的蜂窝结构中大量微孔被填充，降低了试样的有效孔隙空间，渗流通道变得狭窄和曲折，可有效阻滞渗流，因而与PMB-S试样相比，即使其中部分砂被磷石膏替代，PMB-S-PG仍具备优异的抗渗性能. 当试样RB-S-PG饱和后，由于膨润土的膨胀性能低于改性膨润土的，且试样内部并未形成明显的蜂窝结构，黏土吸水膨胀后渗流通道依然开放，因而其渗透系数在3种试样中最大.

由《磷化工固体废物堆场设计与施工规范》（HG/T 20712—2022）[37]中要求与传统黏土衬层具有同等隔水效力的新型衬层防渗计算方法可知，在相同渗滤液水头下（本试验中水头高度为166 cm），计算得到试样PMB-S、PMB-S-PG、RB-S-PG分别与天然黏土材料的平流通量比RA为0.49、0.52、0.62. 可见，在压实度为90%的条件下，试样PMB-S的防渗性与规范中天然黏土材料的防渗性相比最优，试样PMB-S-PG次之，试样RB-S-PG最差.

3.2. 干湿循环对渗透系数的影响

开展3种试样在0~9次干湿循环作用下的渗透试验，渗透系数k结果如图4所示. 可以发现，在相同循环次数下，3种试样渗透系数排序始终保持PMB-S<PMB-S-PG<RB-S-PG的规律，且3种试样的渗透性差异随干湿循环次数的增大而逐渐被拉大. 对于同时存在磷石膏和膨润土原土的试样RB-S-PG而言，干湿循环作用对其渗透性能产生了显著影响. 在第3次循环后试样RB-S-PG的渗透系数已经超过了1.0×10−7 cm/s，在第9次循环后其渗透系数相比于未循环时增大了146.50倍. 团队前期的研究[33]表明，膨润土原土-砂试样在9次干湿循环后于水中的渗透系数显著增大，说明膨润土难以抵御循环作用的影响，因此掺有膨润土的试样RB-S-PG的渗透系数在9次循环后显著增大.

图 4

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图 4   不同循环次数下试样的渗透系数变化曲线

Fig.4   Curves of coefficient of permeability for specimens under different DW cycles


试样PMB-S在多次干湿循环作用下仍保持较低的渗透系数，即9次循环后试样的渗透系数相比于未循环时仅增大了1.59倍. 前期研究[36]已经表明，改性膨润土具备优越的膨胀性能且几乎不受干湿循环的影响，因而PMB-S试样中由干燥产生的裂隙可在改性膨润土遇水膨胀后得到充分闭合，试样中的有效孔隙降低，使试样PMB-S随着循环次数的增加仍能保持较低的渗透系数. 试样PMB-S-PG在9次循环后的渗透系数相比于未循环时增大了6.14倍，在相同循环次数下，其抗渗性相比于试样PMB-S发生了一定程度的弱化，但仍显著优于试样RB-S-PG的. 由于试样PMB-S-PG中的三维网状蜂窝结构具备一定的弹性，有助于试样抵御循环作用的影响，同时体系中的改性膨润土吸水膨胀后填充了大量微孔，降低了体系的有效孔隙率，使其可维持较低的渗透系数.

3.3. 干湿循环对抗剪强度的影响

根据直剪试验中所得到的不同循环次数和法向应力下试样的剪应力与位移曲线，统计出不同循环次数和法向应力σN下试样的抗剪强度，如图5所示. 在相同竖向荷载和循环次数下，试样的抗剪强度由高到低排序保持为PMB-S-PG>RB-S-PG>PMB-S. 可见，磷石膏和改性膨润土的掺入有助于提升试样的抗剪强度. 在各级竖向荷载作用下，试样的抗剪强度均随循环次数的增加表现出先降低后稳定的变化趋势：在第1~6次循环中显著降低，后在第6~9次循环中逐渐趋于稳定.

图 5

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图 5   不同循环次数下试样的抗剪强度变化规律

Fig.5   Variation of shear strength curves for specimens under different DW cycles


根据Mohr-Coulomb强度准则对图5中的抗剪强度进行拟合分析，得到试样在干湿循环作用下抗剪强度指标（c和ψ）的变化规律，如图6所示. 可以看出，在相同干湿循环次数下，3种试样的黏聚力由高到低排序如下：PMB-S-PG>RB-S-PG>PMB-S，且均随循环次数的增加均呈先降低后稳定的变化趋势；PMB-S-PG、RB-S-PG 及PMB-S试样的黏聚力在第6次循环后由高到低分别为65.63、41.08、20.40 kPa，相比于未循环时试样的黏聚力分别降低了44.5%、48.5%和59.8%；3种试样的黏聚力在第9次循环后由高到低分别为64.51、40.80、19.43 kPa，相比第6次循环后试样的黏聚力变化较小，分别降低了1.72%、2.39%和6.76%. 试样PMB-S-PG的内摩擦角在循环中始终高于其他试样；试样PMB-S在前3次循环中的内摩擦角高于试样RB-S-PG的，但随循环次数的增加，在第6和9次循环后其内摩擦角低于试样RB-S-PG的. 3种试样的内摩擦角在第1~3次循环中明显降低，在第3~9次循环中逐渐稳定. 试样PMB-S-PG、RB-S-PG和PMB-S在第3次循环后的内摩擦角分别为23.33°、20.84°和22.24°，相比于未循环时分别减小了17.1%、15.7%和7.9%；在第9次循环后内摩擦角分别为23.15°、20.61°和20.25°.

图 6

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图 6   不同循环次数下试样的黏聚力和内摩擦角变化曲线

Fig.6   Curves of cohesion and internal friction angle for specimens under different DW cycles


3.4. 干湿循环作用机理分析

为了进一步阐明干湿循环作用对试样防渗性能和抗剪强度的影响机理，对试样PMB-S-PG开展0、1、2、3、6和9次循环后的压汞试验，并绘制试样PMB-S-PG在不同循环次数下的累计注汞曲线和孔隙分布曲线，分别如图7、8所示. 图中，V表示单位质量累计孔隙体积，d表示孔隙粒径，$ \Delta e $表示孔隙体积的变化量，$\Delta {{\rm{lg}}\;d} $表示孔径直径变化值的log运算结果. 由图7可知，在相同注汞压力下，累计注汞曲线随循环次数的增加整体“上移”，说明试样的总孔隙体积随循环次数的增加不断增大；经9次循环后试样的孔隙体积仅增大0.082 mL/g，且试样的孔隙体积增量在初始几次循环中增幅较大，而后增幅变小. 结合图3(a)可知，改性膨润土、磷石膏及砂共同作用形成了具备一定弹性的网状蜂窝结构，有助于试样抵御循环作用，进而提升了试样的抗干湿循环能力.

图 7

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图 7   不同循环次数下试样PMB-S-PG的累计注汞曲线

Fig.7   Cumulative mercury curve for specimen PMB-S-PG under different DW cycles


图 8

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图 8   不同循环次数下试样PMB-S-PG的孔隙分布曲线

Fig.8   Pore distribution curves for specimen PMB-S-PG under different DW cycles


如图8所示为试样在干湿循环作用下孔隙结构特征的变化规律. 可以看出，试样在未进行干湿循环时表现为典型的单峰孔隙结构，孔径尺寸为4~40 μm；试样在第1次循环后在孔径3 μm处出现了一个较小的峰，表明一次循环作用就使得试样内部产生了新的孔隙结构；在第2次循环后试样内部即表现出了三峰孔隙结构. 可以看出，随着循环次数的增大，孔隙结构逐渐从单峰结构过渡成双峰结构，进而演化成三峰结构，且大孔数量占比最高，中孔次之，小孔最少. 3种孔隙的孔径峰值随循环次数的增加逐渐增大. 其中，干湿循环作用对中孔即孔径范围为2~6 μm的孔隙影响最大，产生该范围孔隙数量最多. 试样的孔径分布范围随循环次数的增加逐渐增大（峰宽变宽）：大孔的孔径范围从4~40 μm（未循环）增至6~80 μm（9次循环后），小、中孔的孔径范围在9次循环后扩展至0.07~0.20 μm和2~6 μm.

随着干湿循环次数的增加，试样PMB-S-PG中逐渐出现了小孔和中孔，孔径分布范围逐渐变大，累计孔隙体积和数量不断增加，孔径峰值逐渐增大，表明循环作用使颗粒间的联接性和胶结度发生弱化，粒间作用力减弱，试样的密实度降低，导致试样的抗剪强度降低；同时，试样内部供液体流通和介质传输的渗流通道略有增加，试样的抗渗性变差. 对比不同试样在9次循环后渗透系数的变化（见图4）发现，与未循环时相比，试样PMB-S-PG渗透系数的增幅（6.14倍）稍大于试样PMB-S渗透系数的增幅（1.59倍），但远小于试样RB-S-PG渗透系数的增幅（146.5倍），表明改性膨润土的抗干湿循环能力大于膨润土的. 此外，干湿循环过程中试样的孔隙增量呈先增后减的变化趋势，其内部孔隙体积的变化逐渐稳定，说明循环作用对试样的影响趋于稳定，因此试样的抗剪强度和防渗性能的变化随干湿循环次数的增加逐渐稳定.

4. 结　论

（1）PMB-S-PG、RB-S-PG和PMB-S试样在水中均表现出较低的渗透性且差异不大，但三者渗透性能受干湿循环作用呈现RB-S-PG>PMB-S-PG>PMB-S的影响关系. RB-S-PG、PMB-S-PG及PMB-S这3种试样的渗透系数在9次干湿循环后分别上升了146.50、6.14、1.59倍，说明改性膨润土的掺入可以有效提升试样的抗干湿循环能力，而膨润土及磷石膏的掺入都不利于试样抵抗干湿循环对其抗渗性能的影响.

（2）在相同竖向荷载和循环次数下，试样的抗剪强度大小关系如下：PMB-S-PG>RB-S-PG>PMB-S. 可见，磷石膏和改性膨润土的掺入有助于提升试样的抗剪强度. 随着循环次数的不断增加，3种试样的黏聚力和内摩擦角均呈现出先降低后稳定的变化趋势.

（3）随着循环次数的增加，试样PMB-S-PG中的总孔隙体积不断增大；试样的孔隙特征由最初的单峰孔隙结构，过渡到双峰孔隙结构，最终演变为三峰孔隙结构；不同孔径的孔隙数量不断增加且孔径分布范围逐渐增大. 说明干湿循环作用使颗粒间的胶结不断弱化，试样中孔隙变大、数量增多导致试样内部渗流通道变多且更开放，引起了试样的强度和防渗性能劣化. 但由于改性膨润土的强膨胀性能，试样的抗剪强度和防渗性能随循环次数的增加逐渐稳定，干湿循环作用对试样的强度及抗渗性能的弱化趋于稳定.

（4）虽然3种试样在未经干湿循环时的渗透系数均位于10−9~10−8 cm/s数量级间，但试样RB-S-PG在9次干湿循环后的防渗性极差，而试样PMB-S-PG和PMB-S在9次循环后仍可保持较低的渗透系数. 此外，试样PMB-S相比PMB-S-PG对干湿循环下剪切变形的抗力较差. 为了满足防渗材料对抗渗和强度的双重需求，可采用本研究中的新型磷石膏基防渗材料（PMB-S-PG）用于磷石膏库底和路基防渗层中.

（5）尽管本研究对新型磷石膏基防渗材料的防渗和剪切特性进行了初探，但仍存在以下不足：磷石膏基防渗材料在复杂环境下的长期服役性能有待进一步研究；须设计室内模型试验探明其在实际的高压和高水头场景下的防渗和剪切特性的变化规律. 此外，应结合液氮冷冻和扫描电镜技术观测混合物在湿状态下的物质组成形式，进一步明晰其抗渗和抗剪机理.

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