工程實務

化學滲液對夯實粘土滲透性之影響

 

 

地工部

工程師

林士誠

地工部

經  理

陳福勝

地工部

工程師

陳卓然

 

  

近年來,土壤及地下水污染已廣為社會大眾所重視,研究廢棄物或污染質所產生之化學滲液是否會破壞隔障壁或襯砌層,已是刻不容緩了。本部基於地下水及土壤永續保育之關點,積極發展此項業務,而初步乃就夯實之重模粘土受化學滲液侵入後,其滲透係數改變之情形,蒐集相關資料加以整理介紹,並期望能為相關業務上之參考。

一、前言

由於夯實後之重模粘土具有極低的滲透性,因此常被採用作為液態及固態污染質或廢棄物之隔障壁(Barrier)或襯砌層(Liner),以避免污染質或廢料所產生之有機或無機化學滲液因滲漏而向外擴散,導致地下土壤或地下水遭受嚴重污染。對於作為隔障壁或襯砌層之夯實黏土是否會因化學滲液之滲入而改變其滲透係數,進而影響其防污之功能而造成〝二次公害〞,是值得加以探討的。因此基於地下土壤或地下水之永續保育觀點,本文乃針對有機及無機化學溶液滲入夯實黏土層後,可能使黏土滲透性產生改變之情形家以探討,同時對於夯實粘土加入飛灰後,是否仍能在受化學滲液滲入時,保持低滲透性,加以探討。

二、粘土組構之基本理論

為了平衡粘土顆粒表面之負電荷,粘土顆粒表面通常吸附了帶正電荷之陽離子或偶極子而形成如圖一所示之電雙層。由於被吸附在電雙層內之陽離子或偶極子無法自由流動,以致粘土顆粒間孔隙之實際斷面積,隨著電雙層吸附陽離子或偶極子的多寡而改變,當其吸附愈多時粘土之電雙層愈厚,以致實際之孔隙斷面積隨之減小,因此當孔隙間存在液體時,其流動之速率將因而降低,而土壤的滲透性也隨之減小。

Stern[1]研究指出,異電荷離子至粘土顆粒表面間之最小距離隨著正電荷離子大小而改變,在正電荷離子與粘土表面負電荷間之範圍內Ω,並無電荷存在,此範圍稱為Stern層。電位在Stern層內由粘土顆粒表面之電位Ψ向外呈線性遞減至正電荷離子之電位ΨΩ,稱為電位能,在此Stern層範圍之外稱為擴散層(Diffusion Layer),其電位乃隨與粘土顆粒之距離呈指數遞減。

根據Gouy-Chapman之電雙層理論,電雙層厚度可以下式表示:

 

                                                       (1)

其中:電雙層厚度

 

D:介電常數(Dielectric Constant)

:介質於真空時之擴散性(permittivity of vaccum)

Boltzmann constant

T:絕對溫度(°K)

no:溶液離子濃度(ions/cm3)

e:電子電荷量

v:液體離子價

由式(1)可知,擴散雙層之厚度受到介電常數D、溶液離子濃度no、溶液中離子價v等參數影響,當溶液之離子價增加、離子濃度升高或介電常數變小時,粘土之電雙層厚度將減少。當有機或無機化學溶液侵入夯實粘土,會因溶液中之離子濃度或離子電荷量而使黏土顆粒之擴散層產生收縮現象,造成黏土顆粒產生絮凝(Flocculated)結構,增加黏土之滲透係數,因而導致黏土屏障特性遭破壞而失去截留污染物的效用;另酸基和鹽基會溶解於黏土礦物或土體內之其他固體物質中,並侵襲黏土礦物間之組構而導致黏土層的滲透係數增加。

三、土壤及滲液性質

本文針對不同成份之夯實粘土,在化學滲液及蒸餾水滲入後,造成滲透性改變之情形作一探討,所採用之土壤及液體性質概述如下:

()有機化學滲液及土樣

為探討有機化學滲液滲入不同成份之夯實粘土後,造成滲透係數之改變,乃分別使用含高嶺土(Koalinite)之粘土、含伊利土(Illite)Hoytville黏土及含蒙脫土之Lufkin 粘土(Smectite)等三種土樣進行試驗,而上述三種土壤之成份及含量如1所示。經夯實後之乾土單位重、透水係數與含水量之關係則如圖二所示,當土壤在乾側時之透水係數較濕側為大。對於所採用之有機溶液為蒸餾水(0.01NCaso4)、甲醇(Methanol)及庚烷(Heptane),其物理化學特性如2所示。

由於夯實黏土之滲透係數因擴散層厚度而改變,同時也影響阿太堡限度﹝3﹞,因此藉由蒸餾水、甲醇或庚烷混合於氣乾土壤內,可量測出阿太堡限度,3即為有機滲液混合土壤時之阿太堡限度。

()無機化學滲液及土樣

為探討無機化學滲液之滲入對黏土層透水係數之影響,乃採用一般夯實黏土並以灰飛作為穩固劑加入粘土試體內進行滲透試驗進行試驗,其土樣及灰飛之一般性質如4所示。對於所使用之無機化學滲液則將氯化鈣溶液及硫酸鋅(ZnSO4)、硝硫鉛(Pb(NO3)2)與硫酸稀釋溶液(PH=2.5)混合而成,其中Zn+2濃度為200mg/lPb+2濃度為15mg/l之合成滲液,並採用自來水作為基準滲液,進行試驗﹝4﹞。

四、試驗方法與儀器

夯實後之粘土常是作為污染質或廢棄物之隔障壁或襯砌層最好的材料,然為瞭解黏土受化學滲液侵襲後,其滲透性之改變情形,一般可採用現地試驗或試驗室進行透水試驗,惟現地試驗較為費時且昂貴,加上現地諸多不確定因素之影響,因此現階段有關化學滲液侵襲粘土之滲透試驗仍以室內試驗為主。

於本文中室內試驗中求取滲透係數所用之透水試驗儀可概分為兩大類:一為剛性壁滲透儀,另一為柔性壁滲透儀。其中夯實模滲透儀、壓密室滲透儀皆屬剛性壁滲透儀,其特點是模壁為剛性,不隨試體之膨脹或收縮而自由張縮,故無法控制圍壓亦無法做強度試驗,此類滲透儀僅可用來模擬現地無超載重之低有效應力狀況;柔性壁滲透儀則有三軸室滲透儀,其特點是以橡皮膜束縳試體,隨著試體之膨脹或收縮模壁可自由張縮,同時儀器可控制圍壓、監測試體積變化及對試體進行強度試驗,因此柔性壁滲透儀可用來模擬現地具有超載重之高有效應力狀況。有關剛性壁滲透儀與柔性壁滲透儀之優缺點比較如5所示,其詳細之試驗設備可參考文獻﹝5﹞。當滲液為水時,剛性壁、柔性壁等滲透儀所得之滲透係數較為一致,而當滲液為有機或無機化學滲液時,隨儀器之型式不同會有較大改變。一般而言,剛性壁滲透儀求得之滲透係數遠較柔性壁為大。

本試驗於進行前,需先將粉狀氣乾土壤拌合水,使土樣之含水量接近最佳之含水量,經保存24小時後,根據ASTM D698之規範進行夯實,茲後採用各種透水儀進行有機或無機化學滲液之滲透試驗。在有機化學滲液之滲透試驗部份,採用夯實模滲透儀、壓密室滲透儀及三軸室滲透儀等三種儀器進行試驗;而在無機化學滲液之滲透試驗部份,為能耐腐蝕及透水試驗結束後對土樣進行剪力強度試驗,乃採用不袗材製成之三軸室進行試驗。

五、結果與討論

()有機化學滲液之滲透試驗

以有機化學滲液探討其對三種夯實黏土滲透係數之影響,經試驗後所得之結果探討如下。

1.滲液為蒸餾水之試驗

採用滲液為蒸餾水通過三種不同成份之夯實黏土,以柔性壁滲透儀進行滲透試驗,其結果如圖三所示,對於含高嶺土之夯實粘土,其滲透係數K值幾乎不隨水力坡降i值而變,但含伊利土或含蒙脫土之夯實粘土,其滲透係數K值隨水力坡降i值之增加而減少。蒙脫土因比面積大,當吸附水中氫離子時,其壓縮性變大以致滲透性減少,故含蒙脫土之夯實粘土較含伊利土之夯實粘土之滲透係數K值為低,而其比值約在10倍左右。

另採用夯實模滲透儀、壓密透水儀及柔性壁滲透儀針對含高嶺土之夯實粘土進行滲透試驗,所得結果如圖四所示,而圖五為各種型式滲透儀對含有伊利土及含蒙脫土之夯實黏土進行透水試驗所得之K i值之關係。

2.液為甲醇之試驗

(1)高嶺土

甲醇滲入黏土試體,因電雙層收縮,使得粘土顆粒形成膠凝(Flocculate)或聚集(Aggregate)結構,以致在夯實模試驗中,粘土產生較大裂隙或孔隙,致使滲透係數K值增加,然在柔性壁滲透儀進行試驗,可能因有效應力因素,使粘土顆粒收縮產生之裂隙較小,故其K值較夯實模所得為低,由圖六所示,由夯實模滲透儀所求得之K值約為柔性壁滲透儀求得K值之10倍。

為研究有效應力對K值之影響,採用含高嶺土之夯實粘土以壓密滲透儀在低有效應力及i=15之狀況下,進行甲醇滲透試驗,其結果如圖七所示,當低有效應力下,甲醇滲入含高嶺土之夯實粘土,其結構有明顯改變而產生較大之K值,對於在高有效應力下,可阻止較大之孔隙產生,以致在有效應力愈大滲透係數K值有急遽下降之趨勢。

另外,將含高嶺土之夯實粘土在夯實模滲透儀中進行甲醇滲透試驗(最終之K=6 x 10-7 cm/sec)之試體擠出後,放入柔性壁滲透儀中,並使用反水壓使試體飽和,在固定水力坡降i=2且改變有效應力之狀況下進行滲透試驗,所得之結果如圖八所示,在夯實模滲透試驗,當有效應力改變,其K值並無明顯改變,但採用柔性壁滲透儀,其K值隨有效應力改變則有很明顯之變化。

(2)伊利土或蒙脫土之夯實粘土

採用柔性壁滲透儀將甲醇滲液滲入含伊利土或蒙脫土之夯實粘土中,進行滲透試驗所得之K值如圖九所示,圖中顯示其K值僅稍微大於滲透液為水之K值,而採用夯實模滲透儀所得之K值遠大於柔性壁滲透儀所得之K值,此原因可能因夯實模在低有效應力及側壁之滲透而導致較大的孔隙所造成。

3.滲液為庚烷之試驗

採用柔性壁滲透儀進行含高嶺土之夯實粘土,以庚烷為滲液進行滲透試驗,其結果如圖十所示,當很少量的庚烷滲入試體中,其K值很快趨於零,而此原因可能是庚烷與粘土間的表面張力所致,此現象與油滲入有孔介質(Porous material)相似。

()無機化學滲液

為平衡黏土顆粒表面之負電荷,黏土顆粒表面通常吸附帶正電荷之陽離子形成電雙層,而其層厚度將會影響黏土之滲透性,即電雙層愈厚,黏土之滲透性將減小,反之則增大。

為探討無機化學滲液對黏土滲透性之影響,乃採用自來水、氯化鈣水溶液及內含鋅與鉛離子之合成滲液等三種滲液進行試驗,其中氯化鈣溶液中之Ca2+可輕易取代黏土中之Na+,而造成黏土電雙層厚度收縮。另合成滲液中含Zn2+Pb2+,亦會經由陽離子交換取代黏土中低價之陽離子,造成黏土電雙層之收縮。

1.不袗三軸室試驗

6所示,編號abc試驗結果顯示在相同試驗條件下,不同之化學滲液所得之K值均較自來水為小,此趨勢與Bowder & Daniel2﹞以柔性壁滲透儀試驗所得結果相似(7所示)。但若使用剛性壁滲透儀進行試驗時,則有相反結果。表七顯示,使用剛性壁滲透儀進行試驗,化學滲液所得之k值較以水為滲液時大許多(kf/kw>>1),此因化學滲液破壞粘土組構,減小電化雙層厚度,在土體體積無變化情況下,將導致收縮裂縫產生,使得土樣之k值增加。然而使用柔性壁滲透儀進行試驗時,因柔性壁滲透儀對試體提供一固定壓縮應力,故使滲透係數不僅沒有增加,反而因壓密作用而有減小之趨勢。

由於在滲透試驗過程中,亦有監測試體之體積變化,當以化學滲液對純黏土進行透水試驗時,和以自來水為滲液比較,發現試體有收縮現象(圖十一圖十二所示)。由於需進行透水試驗時需提高試體下端之反水壓,使試體上下兩端有一壓力差存在,以利進行滲透試驗,然下反水壓之提高對已壓密完成之試體將造成部份解壓作用,故試體初始有膨脹現象。當滲液為化學滲液時,因電雙層厚度收縮加上圍壓作用,使試體有收縮趨勢,而抵消部份膨脹趨勢。圖十一顯示,以CaCl2水溶液為滲液滲入粘土試樣時,其體積膨脹趨勢遠較以水為滲液時為小。圖十二顯示,以合成滲滲液滲入粘土試樣進行試驗時,粘土試樣之收縮現象甚為顯著。

2.夯實模滲透儀試驗

8R1R2兩組試驗,在試驗前其孔隙比皆為0.79R1試驗前後孔隙比無明顯改變,只增加0.064,而R2土樣試驗後之孔隙比很明顯較試驗前大,約增加0.126,其k值約為R11.36倍。

R3試驗,試驗時間約5個月,土樣受合成滲液之化學侵襲程度顯著增加許多,其孔隙比自0.771增加至1.089,而滲透係數高達7.7×10-6約為R17倍。顯然化學侵襲對滲透係數之影響程度與作用時間有關。R3土樣因長期受合成滲液侵襲,土樣組構有極明顯之侵蝕現象,而使土壤呈多孔性之組構,以致造成滲係數之大幅提升。

(3).添加穩固劑之試驗

由於飛灰對土壤組構有填塞孔隙及與粘土顆粒膠結之作用,因此在粘土中添加5%之飛灰以自來水及合成滲液之進行滲透試驗,其結果由8R4R5可知,無論以自來水或合成滲液進行滲透試驗,其孔隙比之變化量遠較R1R2R3小,其值分別為0.0270.034,而滲透係數分別為5.4×10-71.1×10-7。因此夯實粘土加入飛灰,將有助於防止化學滲液之侵蝕而保持低滲透性。

六、結論

綜合本文所述之一系列試驗結果,可歸納下列數點結論:

1.夯實粘土經有機或無機化學滲液滲入後,其滲透係數將受影響。

2.若採有機化學滲液時,當滲液為蒸餾水時,採用剛性壁或柔性壁滲透儀均會影響夯實粘土之滲透性;當有機化學滲液為甲醇時,因夯實粘土形成膠凝或聚集結構,致使其K值較滲液為水時所得之K值為大;對於有機化學滲液為庚烷時,由於庚烷與粘土間形成的表面張力,使得很少量的庚烷滲入試體中,其K值很快即趨於零。

3.若採無機化學滲液時,粘土因化學滲液之滲入而產生體積改變,尤其土樣在長期受合成滲液侵襲,土樣組構有極明顯之侵蝕現象,使土壤呈多孔性之組構,以致造成滲係數大幅提升,因此當夯實粘土加入飛灰後,其孔隙比之變化較小,而此有助於防止化學滲液之侵蝕而保持低滲透性。

4.依上述試驗結果顯示,大部份之有機與無機化學滲液除庚烷外,均會造成夯實粘土之組構產生改變而使滲透係數增加,致使夯實粘土失去阻隔之功能。因此,採用夯實粘土作為隔障壁或襯砌層時需加入穩定劑,例如在夯實粘土加入飛灰後,有助於防止無機化學滲液之侵蝕而失去其應有之功能。至於相關穩定劑之添加方式及其影響程度,將於日後進行較為詳細之探討。

參考文獻

(1)Stern,O.,”Zur Theorie der, Elekrolytischem Doppelschicht”, A Electrochem,(1924)

(2)Foreman ,D.E.and Daniel,D.E.”Permeation of Compacted Clay with Organic

    Chemicals ”journal of the Geotechnical Engineering Division ASCE, vol.112,No.7.

     p669~681(1986)

(3)Bowders,J.J.andDaniel,D.E.”Hydraulic Conductivity of Compacted Clay to Dilute

    Organic Chemicals” journal of the Geotechnical Engineering Division ASCE,

    vol.113,No.12. pp1432~1448(1987)

(4)張天祥、陳俶季、王光明垃圾掩埋場污水對夯實土壤性質之影響(I)”第六屆

  大地工程學術研討會論文集,(1995)

(5)Boynton,S.SandDaniel,D.E.”Hydraulic Conductivity Tests on Compacted Clay”

     journal of the Geotechnical Engineering Division ASCE, vol.111,No.4.

     pp465~478(1985)

 

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