渗滤液对用污水处理污泥（WTS）、废 travertine 和木质素磺酸钠（NLS）稳定处理的压实粘土衬层的力学及微观结构特性的影响

《Results in Engineering》：Effect of Leachate on the Mechanical and Microstructural Characteristics of the Compacted Clay Liner Stabilized with Water Treatment Sludge (WTS), Waste Travertine, and Sodium Lignosulfonate (NLS)

利用水处理污泥（WTS）、废 Travertine 和钠木质素磺酸盐（NLS）优化稳定压实粘土衬垫的力学性能及抗渗滤液能力。研究表明，10% WTS、10% Travertine 和 1% NLS 组合在干燥条件下UCS达1202 kPa，浸入渗滤液后仍保持826 kPa，剪切波速V_s最高358 m/s，微观结构分析显示水泥基化合物（如CASH、CSH）形成致密结构。该方法有效降低渗滤液对力学性能的负面影响，为可持续垃圾填埋场衬垫材料提供新方案。

　　本研究旨在探讨废水渗滤液对稳定压实粘土衬层的影响，确定水处理污泥（WTS）、废 travertine 和钠木质素磺酸盐（NLS）的最佳混合比例，以提升衬层性能，并表征渗滤液相互作用引发的微观结构变化。为了达到这一目标，对土壤样本进行了不同比例的 WTS（0-15%）、废 travertine（0-15%）和 NLS（0-1.5%）的稳定处理，然后在最佳含水量下进行压实，并在7、28和90天的养护条件下进行了一系列实验室实验，包括无侧限抗压强度（UCS）、bender 元素测试和微观结构分析，以评估稳定粘土衬层在暴露于渗滤液前后的性能。

研究结果表明，10% WTS、10% travertine 和1% NLS的混合比例表现出最佳的整体性能，提供了最高的强度、剪切波速（V?）以及最紧密的微观结构。渗滤液（从当地市政固体废弃物中收集）通常导致所有测试混合物的 UCS 值下降，其中混合后浸入渗滤液的样品（即 W-LC）显示出最显著的强度损失。在90天的养护后，最佳混合物的 UCS 值达到1202 kPa（W-D）和826 kPa（W-LC），分别代表最佳和最不利条件。稳定剂增强了刚度和压实效果，使剪切波速（V?）增加到358 m/s。最佳混合物表现出较强的渗滤液抗性，显示出其在持久性垃圾填埋衬层中的适用性。

垃圾填埋和危险废物的正确封存与处置是重要的环境问题，不当管理可能导致渗滤液泄漏，这是一种高度污染的液体，对地下水和周围生态系统构成重大威胁。压实粘土衬层是现代垃圾填埋场和废物封存系统中防止渗滤液迁移的关键屏障。这些衬层的性能和耐久性至关重要，因为它们的失效可能导致严重的环境后果。

传统方法如使用石灰或水泥虽然在提高强度方面有效，但受到高碳足迹的批评。这些传统稳定剂与环境影响有关，包括高能耗、温室气体排放和自然资源的消耗。近年来，研究者们越来越关注探索替代稳定剂，这些稳定剂可以增强土壤的机械和微观结构特性，同时减少传统方法的环境足迹。水处理污泥（WTS）作为一种由水净化过程产生的副产品，因其细颗粒特性和吸附能力而显示出在衬层应用中的潜力。废 travertine，一种天然石材材料，也显示出通过钙碳酸盐含量提高强度的有效性。此外，钠木质素磺酸盐（NLS）作为纸浆过程的副产品，已被成功用于土壤稳定，尤其是在分散性粘土中。随着对高效和环保废物管理解决方案的需求不断增长，探索创新材料和技术，如WTS、废 travertine 和NLS的利用，为粘土衬层工程提供了重要潜力。

虽然已有研究单独探讨了这些材料的稳定效果，但关于它们在压实粘土衬层中协同作用的研究仍显不足。渗滤液通常含有高浓度的盐和有机酸，对这些稳定混合物的长期机械行为影响尚未完全理解。此前的研究很少探讨WTS、travertine 和NLS在粘土衬层中的联合使用，以及它们与渗滤液的相互作用对微观结构和强度退化的影响。这一知识空白凸显了对这类系统在现实环境暴露下的耐久性和工程行为进行全面研究的必要性。本研究设计了三个关键假设：（i）WTS、travertine 和NLS的协同组合将比单独添加剂产生更优的稳定效果；（ii）稳定矩阵将在具有挑战性的渗滤液暴露下保持其完整性；（iii）微观结构的变化将与可测量的机械改进相关联。

实验方法包括使用不同比例的 WTS（0-15%）、废 travertine（0-15%）和 NLS（0-1.5%）稳定土壤样本。这些混合物在最佳含水量下压实，并在7、28和90天的养护条件下进行测试。进行了包括 UCS 测量、bender 元素测试（BET）和 X 射线衍射（XRD）及扫描电子显微镜（SEM）的微观结构分析，以评估稳定粘土衬层在模拟垃圾填埋条件下的性能。

本研究还探讨了不同稳定剂组合对 UCS 的影响，包括 WTS、travertine 和 NLS 的混合使用。实验结果表明，10% WTS、10% travertine 和1% NLS 的组合在所有测试条件下表现出最高的 UCS 值，即使在渗滤液暴露的情况下，也显示出较强的抗性。这表明这些稳定剂在提高粘土衬层性能方面具有协同效应，能够有效应对渗滤液的侵蚀。同时，研究还指出，虽然渗滤液暴露会降低所有混合物的 UCS 值，但最佳混合物仍能保持较高的强度，适用于垃圾填埋衬层。

此外，剪切波速（V?）的增加也被观察到，这表明土壤的刚度和密实度得到了提升。通过 SEM 和 XRD 分析，可以观察到微观结构的变化，包括粘土颗粒的紧密结合和孔隙的减少。这些微观结构的改进有助于提高粘土衬层的机械性能和耐久性。同时，研究还指出，WTS、travertine 和 NLS 的组合能够有效填充粘土基质中的空隙，形成更加紧密的结构，从而增强其抗渗滤液能力。

综上所述，本研究为开发更加可持续和耐用的粘土衬层系统提供了重要依据，有助于提升固体和危险废物的整体管理。研究结果表明，通过合理利用WTS、废 travertine 和NLS等工业副产品，可以有效提高粘土衬层的性能，同时减少对环境的影响。这不仅符合全球可持续发展议程，如联合国可持续发展目标（SDGs），也为建设行业中的循环经济实践提供了支持。