减轻压实粘土衬层（CCLs）中渗滤液引起的降解：探索使用废 travertine（一种石灰华材料）、木质素磺酸钠（NLS）和红泥（RM）作为稳定剂

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Mitigating leachate-induced degradation in Compacted Clay Liners (CCLs): exploring the use of waste travertine, sodium lignosulfonate (NLS) and Red Mud (RM) as stabilizing agents

通过实验室测试验证了钠木素磺酸盐（NLS）、废 Travertine 和红泥（RM）协同稳定压实黏土衬垫（CCLs）的可行性，优化组合（20% RM，10% Travertine，1% NLS）使抗压强度提升300%，剪切波速提高280%，并在模拟淋滤液环境中保持80-90%的干态强度，微观分析显示胶凝产物形成减少孔隙并增强颗粒粘结。

　　在当今社会，随着城市化进程的加快和工业活动的增多，固体废弃物的处理成为环境工程领域中的重要议题。其中，垃圾填埋场的建设与运营尤为关键，因为它不仅需要满足大规模废弃物的处理需求，还必须确保其对地下水和周围环境的长期保护作用。为了实现这一目标，填埋场衬层的设计与施工必须严谨，以防止有害物质的渗漏和扩散。本文研究了一种利用工业和自然废弃物作为稳定剂，以改善压实黏土衬层（Compacted Clay Liners, CCLs）性能的新方法，特别关注其在模拟渗滤液暴露条件下的表现。

压实黏土衬层是现代填埋场中广泛采用的一种关键屏障材料，主要用于防止垃圾渗滤液对地下水的污染。然而，长期暴露在渗滤液环境中可能会导致黏土结构的破坏，进而降低其防渗性能。传统的稳定方法通常依赖于添加石灰或水泥，这些材料虽然能够有效提升黏土的强度和密实度，但其应用也伴随着一些负面效应，例如碳化引起的强度下降、硫酸盐侵蚀以及温室气体排放的增加。因此，寻找更加环保和可持续的替代稳定剂成为当前研究的热点。

本研究提出了一种新型的稳定剂组合，包括钠木质素磺酸盐（Sodium Lignosulfonate, NLS）、废弃方解石（waste travertine）和赤泥（Red Mud, RM）。这些材料分别来源于造纸工业、地质沉积和铝工业，它们的使用不仅能够有效提升CCLs的性能，还能够减少对环境的负面影响。通过一系列实验室实验，包括无侧限抗压强度（Unconfined Compressive Strength, UCS）测试、弯曲元件测试（Bender Element, BE）以及微观结构分析，研究人员评估了这些稳定剂对CCLs在不同条件下的影响。实验结果显示，最佳的稳定剂配比为20%的赤泥、10%的废弃方解石和1%的NLS，这种组合在90天的固化后，UCS达到1188 kPa，剪切波速（Vs）达到416 m/s，分别比未稳定黏土提升了300%和280%。即使在渗滤液暴露条件下，稳定后的样品仍能保持80%至90%的干燥条件下的强度，表现出良好的耐久性。

研究还揭示了这些稳定剂在改善CCLs性能方面的协同效应。赤泥和废弃方解石能够通过火山灰反应形成水泥状产物，从而减少孔隙率并增强颗粒之间的结合力。而NLS则通过静电稳定作用提高颗粒的凝聚力，降低渗透性。这种综合性的稳定方法不仅提升了CCLs的物理和化学性能，还为垃圾填埋场的设计和管理提供了新的思路。研究人员通过显微镜和X射线衍射等手段对样品进行了详细的分析，确认了稳定剂对黏土结构的改性效果，并进一步探讨了其在实际应用中的潜力。

在土壤样本的采集和处理方面，本研究选择了土耳其卡拉布克市的一处地点，采用严格的采样程序以确保样本的纯净度。在实验室中，土壤样本经过全面的物理和化学特性分析，包括颗粒大小分布、含水量、密度以及矿物组成等。这些数据为后续的稳定剂试验提供了基础，帮助研究人员确定最佳的稳定剂比例和混合条件。在混合和固化过程中，研究人员还考虑了渗滤液对土壤性能的影响，以模拟实际填埋场的环境条件。

研究的另一个重点是探讨不同稳定剂配比对CCLs性能的影响。例如，在测试不同比例的废弃方解石对无侧限抗压强度的影响时，研究人员发现随着废弃方解石含量的增加，样品的强度显著提高。这种提升主要归因于钙离子的参与，它促进了水泥状产物的形成，从而增强了土壤的结构稳定性。同时，研究还表明，不同固化时间对稳定剂的效果具有重要影响。在7天、28天和90天的固化后，样品的性能呈现出不同的变化趋势，这为实际工程应用中稳定剂的最佳使用时间提供了参考依据。

此外，本研究还关注了NLS在改善土壤性能方面的独特作用。NLS作为一种有机聚合物，具有良好的分散、结合和减水性能，能够有效提升土壤的密实度和强度。通过实验，研究人员发现NLS的加入不仅增强了土壤的机械性能，还提高了其对化学侵蚀的抵抗力。这种性能的提升对于垃圾填埋场的长期运行至关重要，因为渗滤液中可能含有多种有害物质，如酸性成分、重金属和有机污染物，它们可能会对CCLs造成不同程度的损害。

赤泥作为一种铝工业的副产品，其主要成分包括铁氧化物、铝氧化物和其他矿物化合物。研究表明，赤泥的高pH值和火山灰特性使其能够有效中和渗滤液中的酸性成分，从而降低其对黏土结构的破坏作用。同时，赤泥的细粒度和丰富的矿物成分也使其成为一种理想的稳定剂，能够提升土壤的整体强度和耐久性。通过实验，研究人员发现赤泥的加入能够显著改善CCLs的抗渗性能，使其在长期暴露于渗滤液的环境中依然保持较高的结构完整性。

本研究的结论表明，使用NLS、废弃方解石和赤泥作为稳定剂，能够有效提升CCLs的性能，使其在垃圾填埋场的应用中更加安全和可靠。这种综合性的稳定方法不仅能够减少传统稳定剂所带来的环境问题，还能够充分利用工业和自然废弃物，实现资源的循环利用。研究人员建议，在实际工程应用中，应根据具体的土壤条件和环境要求，进一步优化稳定剂的配比，以达到最佳的稳定效果。同时，他们还强调了在设计和施工过程中，对稳定剂的长期性能和环境影响进行评估的重要性，以确保填埋场的可持续性和安全性。

在实际应用中，这种新型的稳定方法可能面临一些挑战，例如如何确保稳定剂在填埋场环境中的有效性和稳定性，以及如何在大规模施工中实现稳定剂的均匀分布。此外，还需要进一步研究不同稳定剂组合在不同气候条件和地质环境下的表现，以确保其在各种情况下的适用性。尽管如此，本研究的结果为未来垃圾填埋场衬层的设计和施工提供了重要的参考依据，展示了工业和自然废弃物在环境工程中的巨大潜力。

总的来说，本研究通过系统的实验分析，揭示了NLS、废弃方解石和赤泥在改善CCLs性能方面的协同作用。这些材料的使用不仅能够提升填埋场衬层的机械和化学性能，还能够减少对环境的负面影响，推动可持续发展。随着全球对环境保护意识的增强，这种新型的稳定方法有望在未来得到更广泛的应用，为垃圾填埋场的建设和管理提供更加环保和高效的解决方案。