改性污泥毛细屏障覆盖材料的湿干循环特性研究：持水性、抗剪强度与渗流行为分析及其在可持续废弃物资源化中的应用

本文推荐一项关于市政污泥资源化利用的创新研究。作者将市政污泥、建筑垃圾和膨润土复配，开发出一种新型改性污泥毛细屏障覆盖材料，通过渗透试验（hydraulic conductivity）、土-水特征曲线（SWCC）和固结不排水三轴试验系统分析了其在湿干循环条件下的持水能力、抗剪强度及渗流行为变化（pore structure evolution via BET）。该材料表现出优异的防渗性能（k=3.24×10?6–1.66×10?4 cm/s），可抵御极端降雨（168.96 mm/d），为污泥资源化提供可持续新途径。

　　

Highlight

本研究的核心发现凸显了改性污泥作为毛细屏障覆盖材料在极端环境条件下的优异性能。经过多次湿干循环后，材料仍能维持稳定的工程特性，其渗透系数变化范围较窄（3.24×10^?6–1.66×10^?4 cm/s），持水能力和抗剪强度虽有波动但整体可控，表明其在实地应用中具有较高可靠性。

Penetration characteristics

在湿干循环过程中，改性污泥样品（MSS1–MSS4）的渗透系数呈现逻辑增长模式（Logistic growth pattern，R² > 0.98）。前两次循环中渗透性增长最为显著，九次循环后，渗透系数从初始的 0.32×10^?5–7.34×10^?5 cm/s 升高至 1.24×10^?5–1.66×10^?4 cm/s。这一变化与材料中孔隙结构的演化密切相关——随着循环次数增加，颗粒间裂隙扩展、孔隙连通性增强，从而导致水分迁移阻力减小。

Shear strength characteristics

改性污泥覆盖材料的凝聚力c值介于35–85 kPa之间，并随湿干循环次数增加而逐渐下降，在六次循环后趋于稳定。内摩擦角φ则在24°–34°之间波动，未呈现明显的变化趋势。凝聚力降低可归因于循环过程中颗粒间胶结物质的降解与孔隙水压力的变化。

Soil-water characteristics

通过土-水特征曲线（SWCC）分析发现，随着湿干循环进行，试样的持水能力逐渐减弱，进气值（air-entry value）降低，脱水速率加快。高污泥含量的样品在脱水阶段表现出更明显的体积收缩与水分流失，这与孔隙结构的粗化以及大孔比例增加有关。

Pore structure characteristics

BET比表面积测试显示，随着湿干循环进行，材料的比表面积减小，平均孔径增大。在循环初期，由于干缩作用产生微裂缝，比表面积略有上升；但随着循环继续，小孔合并为大孔，比表面积持续下降，材料逐渐粗化，影响了其持水与力学行为。

Seepage analysis of the capillary barrier cover system

室内外模拟降雨试验表明，该毛细屏障覆盖系统具有优异的防渗性能。在连续四场暴雨（168.96 mm/d）的极端条件下，系统未发生明显渗漏；持续一年的野外监测进一步验证其在真实环境中的长期有效性。水分主要在覆盖层上部滞留，依靠毛细屏障效应阻断了向下渗透。

Comparison with conventional covers and prior studies

与传统压实黏土衬层（CCL）和土工合成黏土衬层（GCL）相比（其饱和渗透系数通常在 1×10^?7–1×10^?9 cm/s 范围），本研究开发的改性污泥材料虽初始渗透系数略高，但在多次湿干循环后仍保持相对稳定，抗环境扰动能力更强，更适用于实际填埋场覆盖工程。

Conclusion

本研究成功将市政污泥、钙基膨润土与建筑废料颗粒复合，开发出一种新型毛细屏障覆盖材料。其在湿干循环中表现出良好的持水性能、可接受的抗剪强度与稳定的渗透行为。该材料不仅可实现污泥与建筑垃圾的资源化利用，还为可持续废弃物处置工程提供了新的技术路径。