生物炭改性黏土的滲水滲氣特性及其函數關系

李明玉，郭進軍，張艷星

（洛陽理工學院 土木工程學院，洛陽 471023）

0 引言

飽和滲透系數(ksat)是分析和模擬土壤中液體滲流和化學污染物遷移的一個重要參數?？紤]土樣保水能力的不同，該參數常被用于預測非飽和土的滲透系數[1-2]。據《生活垃圾衛生填埋場封場技術規范》中對飽和滲透系數和壓實度的要求，一般飽和滲透系數不小于1×10-7cm/s，壓實度不低于90%，很難用普通變水頭的方法測量，并且普通的試驗周期較長。目前還沒有專門的儀器設備用來測定軟黏土的滲氣率，多數為改進的試驗裝置來用于測定土體及混合材料的滲氣性。如：利用改進的三軸滲氣儀和固結儀研究了含水率、干密度、豎向應力以及混合材料的摻量對滲氣系數的影響[3-4]。WANG 等[3]利用固結儀壓縮試驗對兩種最大粒徑（dmax為5 和0.4 mm）用2%生石灰處理的粉土進行壓縮試驗，研究骨料粒徑對石灰改性土壓縮性和透氣性的影響。楊益彪等[5]用自制的測量裝置測試黃土的氣體滲透系數，試驗結果表明高壓實度黃土的氣體滲透系數隨服役含水率的變化明顯。

垃圾填埋場終覆蓋層的主要作用是控制上部雨水的入滲和下部垃圾填埋氣的逃逸，液體的入滲和氣體的排出都與覆層土的滲透特性直接相關。在傳統的垃圾填埋場中，多采用壓實黏土作為垃圾填埋場終覆蓋層材料[6-7]，利用其低滲透性作為填埋場的隔滲層。但受垃圾降解、季節性凍-融和干濕循環的影響，極易引起覆層土產生收縮裂隙。為彌補黏土覆層土的不足，提出一種新型覆蓋層改性材料來優化傳統的填埋場壓實黏土覆蓋層，使其滿足滲透特性的要求。生物炭作為一種可持續和環保的垃圾填埋場上覆蓋層土體改良材料得到廣泛關注[8-9]。由于自身低密度、高比表面積、高孔隙率等特性[10-13]，生物炭能夠降低土體密度，增加土體孔隙率，影響土體團聚體及孔隙大小的分布[14-16]，進而影響土體的滲透特性[17-18]。目前有關生物炭改性土的水相滲透特性方面國內外學者進行了大量的研究，但還沒有形成結論性的成果。ASAI 等[19-21]，研究表明，生物炭的摻入能夠增加滲透特性；GLASER 等[22-23]研究得出生物炭可以降低黏性土的容重，增加土體排水能力、通氣能力以及滲透能力；DEVEREUX 等[24-25]研究得出的結論卻相反，即生物炭的摻入反而降低了土體的滲透特性。

在滲水和滲氣特性預測方面，定量描述非飽和土水氣運動相互影響的研究鮮見報道，并且將生物炭作為改性材料，應用到垃圾填埋場上覆層土體，探討這一新型生物炭-黏土覆蓋層土體的水-氣運移規律的研究較少。在土體中水氣運動是相互影響的，滲氣系數與滲水系數也相應地存在著相互影響，但影響程度的量化問題卻未見分析。迄今為止，既能定量描述非飽和土水氣運動的相互影響，又能考慮密度變化的滲透函數鮮見報道研究上覆層土體滲水滲氣變化規律的文章更有限。

因此，本文對滲水與滲氣之間的相互影響作定量分析，通過自主研發設計的可控制水頭壓力的柔性壁水-氣聯合滲透儀測試裝置，測定不同生物炭摻量（0%、5%、10%、15%和20%）和干密度（1.42、1.56 和1.65 g/cm3）生物炭-黏土混合土的飽和滲透系數和滲氣系數，以期在基于生物炭摻量和試樣干密度雙因素影響的條件下，提出一種快速確定生物炭改性土滲水系數的方法，為定量描述土體孔隙中水氣運動之間的相互關系提供理論指導。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及試樣制備

試驗所用黏土為低液限黏土。試驗所用生物炭是以水稻秸稈為生物質原材料，在限氧條件下經高溫（500 ℃）熱解得到。試驗用黏土的基本物理化學指標液限WL、塑限WP、塑性指數Ip、最優質量含水率、顆粒相對密度ds、最大干密度和pH 值分別為35.98%、22.20%、13.78、22.50%、2.67、1.65 g/cm3和7.70；生物炭的基本物理化學指標，如比表面積（specific surface area,SSA）、顆粒相對密度ds、密度ρd、灰分質量分數、碳元素質量分數、pH 值分別為385.60 m2/g、1.99、0.55 g/cm3、18.80%、11.63%、10.00。依據ASTM D 1 762-84 的木材木炭化學分析的標準試驗方法[26]，測得生物炭的灰分含量為18.80%，具體做法是稱取20 g 生物炭放入馬弗爐中，設置800 ℃，持續燒4 h 后獲取質量損失率。

為分析試驗用土和生物炭的顆粒分布情況，采用篩分法對其進行了測試，測試結果如圖1 所示。如黏土中粒徑小于0.005 mm 的質量分數為12.5%左右，屬于低黏性土，并且對比細粒土分類塑性圖可以判斷該試驗用土為低液限黏土。將生物炭原樣過74 μm 篩，制備成粒徑小于74 μm 的生物炭試樣待用。過篩后生物炭的顆粒級配曲線見圖1 所示。

圖1 黏土和生物炭的顆粒級配曲線Fig.1 Grain size distributions of the clay and biochar

由于高溫熱解不會損傷原始生物質的骨架結構，生物炭的微觀孔隙結構特征能夠很好地保留，如圖2 所示。從水稻秸稈生物炭樣品的SEM 微觀形貌特征能夠看出生物炭的多孔性結構和孔隙形狀。

圖2 生物炭的微觀孔隙結構特征Fig.2 Micropore structure characteristics of biochar

試樣制備：按生物炭占混合土質量分數分別為0%、5%、10%、15%和20%配置5 種生物炭與黏土混合土樣。干密度為1.42、1.56 和1.65 g/cm3，壓實度分別為黏土最大干密度的85%、95%和100%。每種物質質量的計算參照趙曉澤等中的計算方法[27]。依據黏土的最大干密度，結合《生活垃圾衛生填埋場封場技術規范：GB51220-2017》要求填埋場覆蓋層頂部土體壓實度應不小于土體最大干密度的90%，邊坡壓實度不小于85%。將稱量好的生物炭和干土拌和均勻后再加去離子水，拌和后將土樣放入保鮮袋中靜置24 h，之后放入制樣器，用千斤頂壓實，制備直徑6.18 cm，高度4.00 cm，初始含水率為14.0%的壓實試樣。

1.2 滲透系數測試

采用自行設計的柔性壁水-氣聯合滲透系數測定試驗裝置測定試樣的水相和氣相滲透系數，試驗裝置示意圖如圖3 所示。

圖3 柔性壁水-氣聯合滲透試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of flexible wall water-air combined permeability test device

該試驗裝置主要包括壓縮氣源、數顯精調調壓器、水壓力控制器、儲氣罐、壓力室、U 型壓力計和鹽水分離器。在進行水相滲透試驗時，采用圖3a 所示的試驗裝置示意圖。氣源連接儲水容器的進氣口，容器的出水口連接試樣室的入水口，使溶液通過透水石均勻地入滲到土樣上。采用氣壓給水施加壓力形成水頭壓，設定試驗水頭壓為50 kPa。試驗過程中，利用數顯精調調壓器控制氣壓為50 kPa，通過氣壓作用于去離子水表面，形成穩定的滲透水頭壓。待試樣上部溶液滲出后，采用電子天平上的量筒收集溶液的滲水量，間隔一定的時間讀取電子天平的讀數，得出滲流時間與滲水量之間的關系曲線。

在進行氣相滲透試驗時，如圖3b 所示。壓力室底部的進氣口連接儲氣罐，此儲氣罐的另一端與壓縮氣源連接。在儲氣罐和壓縮氣源之間設置一數顯精調調壓器來調控壓力的大小。需要注意的是在儲氣罐中盛放少量水，用于增加氣體濕度，避免氣體直接進入干化土樣。BLIGHT等[28]表明，當氣壓低于8 kPa 時，氣體流動呈層流狀態，氣體在土中的滲流量與空氣密度關系不大，可使用常滲透系數的達西定律來描述氣體的遷移狀態；當氣壓超過8 kPa，氣體流動呈紊流狀態，除產生黏滯阻力外，還會產生較大的慣性阻力，此時流量與壓差不再呈線性關系，達西定律不再適用[29]。試驗前，在壓力室施加40 kPa的圍壓，待U 型管的氣體壓力穩定在設定壓力值（約7.8 kPa）2 min 后，開始進行滲氣測試。在試驗開始時（t=0），打開儲氣罐與壓力室之間的閥門，使氣體自下而上流過樣品，并隨著時間的推移記錄U 型管液面的高度。

基于Darcy 定律，YOSHIMI 等[30]推導證明出t時刻的氣壓P(t)與初始氣壓P(0)比值的對數lg[P(t)/P(0)]與時間t呈線性關系，并給出了基于該直線斜率的氣體滲透系數ka的計算公式：

式中ka為氣體滲氣系數，m2；h為試樣高度，m；A為試樣的截面面積，m2；V為儲氣罐體積，m3；μa為氣體的動黏滯系數，Pa·s；Pa為大氣壓，Pa。

此裝置模擬水頭壓始終為一定值，所以壓實土樣的滲透系數ksat可采用以下公式計算：

式中ksat水相飽和滲透系數，cm/s；L試樣高度，cm；Q穩定滲流階段的滲透流量，cm3/s；Δh試樣兩端水頭差，cm。

1.3 滲水系數與滲水率的轉換關系

IVERSEN 等[31]研究表明水相飽和滲透系數ksat和滲透率kw存在式（3）中的關系，所以可將試驗測得的飽和滲透系數ksat進行轉化：

式中ksat為飽和滲透系數，cm/s；kw為滲透率，m2；g為重力加速度，9.8 m/s2；ρw為水的密度，g/cm3；vw為水的運動黏度，取vw=1.01×10-6m2/s。

2 結果與分析

2.1 生物炭摻量對壓實生物炭-黏土混合土滲水率的影響

不同初始干密度和生物炭摻量的生物炭-黏土混合土水相滲透率kw的變化規律曲線見圖4 所示。

圖4 不同生物炭摻量下生物炭-黏土混合土的滲透率Fig.4 Permeability of biochar-clay mixed soil with different biochar content

從圖4 中可以看出，隨著生物炭摻量的增加，生物炭-黏土混合土的滲透率逐漸增大。并且初始干密度越小，隨生物炭摻量的增加，滲透率增加的幅度越明顯。這是因為在初始干密度為1.65 g/cm3時，混合土土樣的壓實度接近100%，孔隙率較小，土樣結構非常致密，所以幾乎沒有可滿足液體滲流的路徑。因此，隨著生物炭摻量的增加，試樣的滲透率kw值變化不明顯。而對于初始干密度為1.42 g/cm3，壓實度為85%的試樣，生物炭摻量為0 的kw值為7.67×10-17m2，經5%、10%、15%和20%生物炭處理后的土樣kw值分別為8.25×10-17、8.89×10-17、10.40×10-17和18.25×10-17m2，相對于純黏土而言，摻20%生物炭土樣的滲透率增加了將近一個數量級，由此可以看出混合土的滲透率有了明顯的提高。分析原因可能是生物炭疏松多孔，加入到土中后，會顯著影響土體的孔隙率。對于顆粒粒徑大于生物炭粒徑的材料，生物炭作為填充物充填在顆?？紫堕g，因此，混合材料的孔隙率減小，滲透率降低[32-33]。

從圖4 中還可以看出，在相同生物炭摻量下，初始干密度越大生物炭-黏土混合土的滲透率越小。這是由于干密度越大，土顆粒間的接觸越緊密，此時土樣中的孔隙形態多以黏土團聚體體內孔隙為主，所以表現為滲透性較小。由于生物炭具有強吸附、孔隙結構發達等特性，加入土體之后增加土樣的孔隙度，間接地增加了土樣內部連通性，所以滲流溶液更容易通過，相應的滲透率也更大。

2.2 生物炭摻量對生物炭-黏土混合土滲氣特性的影響

在不同干密度1.65、1.56 和1.42 g/cm3條件下，生物炭-黏土混合土的滲氣系數ka與生物炭摻量之間的關系曲線如圖5 所示。

圖5 生物炭摻量對生物炭-黏土混合土滲氣率的影響Fig.5 Effects of biochar content on gas permeability of biocharclay mixed soil

從圖中可以看出，干密度為1.42 g/cm3時，生物炭-黏土混合土的滲氣系數隨生物炭摻量的增加持續減小。而干密度為1.56 和1.65 g/cm3時，混合土的滲氣系數呈現先減小后增大的變化趨勢。在下降階段，干密度為1.56 g/cm3土樣的滲氣系數減小的速率更快。對于干密度為1.56 g/cm3的土樣來說，生物炭摻量α為0 的滲氣系數ka為1.26×10-14m2，摻量α=5%的滲氣系數ka為4.23×10-15m2，減小了一個數量級。然而，當干密度為1.65 g/cm3時，生物炭摻量α＜15%時，隨著生物炭摻量的增加，混合土的滲氣系數降低幅度相對較小。這是因為添加生物炭能夠填充黏土團聚體之間的空隙，所以在一定生物炭摻量下表現為隨著生物炭摻量的增大，土樣滲氣系數呈逐漸減小的發展趨勢。當干密度較小時，黏土中存在較多的團聚體體間孔隙，生物炭顆粒填充部分體間孔隙，土體變得致密，并且摻量越大填充效果越顯著，所以表現為隨著生物炭摻量的增加，混合土的滲透系數呈較大幅度降低的發展趨勢；當干密度較大時，土樣的致密程度越高，黏土團聚體的體間空隙相對較少。此時生物炭的填充效果不明顯，土樣的滲氣性主要受黏土團聚體體內孔隙的影響[34-35]。因此，隨著生物炭摻量的增大，土樣的滲氣系數降低幅度相對較小。

當生物炭摻量α=20%時，對于壓實度不小于黏土最大干密度90%的1.56 和1.65 g/cm3兩個干密度的混合土土樣，ka值基本一致。說明此時生物炭-黏土混合土的滲氣率主要由生物炭孔隙及大孔隙（團聚體之間的孔隙）起主要作用，表現為試樣的滲氣率影響減小。分析原因可能是隨著生物炭摻入比例的增加，部分生物炭填充黏土顆粒間的孔隙，部分分散于黏土團聚體外。而生物炭具有疏松多孔的特性，所以出現滲氣系數隨生物炭摻量增大而增大的現象。WONG 等[8]表明，對其所研究的生物炭與黏土混合土，在壓實度為85%，生物炭摻量大于10%時，隨著生物炭摻量增大，混合土試樣的滲氣系數亦出現逐漸變大的趨勢。該圖表明了對于滲氣性而言，存在一生物炭摻量，可以使滲氣系數達到最低，該趨勢在較低干密度時更加明顯。YAGHOUBI[36]表明，對生物炭改性土，存在最優生物炭摻量值，使得生物炭改性土的孔隙最致密，滲透系數最小。

3 生物炭摻量生物炭-黏土混合土的滲氣率和飽和滲透系數的關系

滲流溶液和氣體在土體中運移與土體的孔隙結構密切相關，孔隙是水氣滲透的共同通道。因此，很有必要研究土體水相和氣相滲透相互影響的定量關系。

從圖6a 中可以看出，在相同干密度下，隨著生物炭摻量的增加，試樣的lgka和lgksat間都呈現線性，并且兩者之間呈反比的關系。初始干密度為1.42、1.56 和1.65 g/cm3時，對應的曲線斜率分別為-1.05、-0.95 和-0.93。即隨著干密度的增大，斜率是逐漸減小的。由此可以得出，在干密度較大時，隨著生物炭摻量的增大，ka隨著生物炭摻量的變化程度比ksat大，擬合曲線更平緩。在相同生物炭摻量下，隨著混合土干密度增大，試樣的lgka和lgksat間呈線性變化關系，兩者之間的變化趨勢相同。

圖6 生物炭-黏土混合土的飽和滲水系數和滲水率與滲氣率的關系Fig.6 Relationship between saturated permeability coefficient,water permeability,and gas permeability of biochar-clay mixed soil

分析圖6b 生物炭-黏土混合土滲水率與滲氣率的關系曲線可以得出與圖6a 類似的變化關系。綜上所述表明，生物炭-黏土混合土的水相和氣相滲透系數存在lgksat和lgka或kw和ka與生物炭摻量α和干密度ρd相關的函數關系。

利用半對數坐標整理出不同干密度下滲氣系數ka與滲水系數kw的比值ka/kw隨生物炭摻量的變化關系曲線，見圖7 所示。從圖中可以看出，隨著生物炭摻量的增加，ka/kw與生物炭摻量呈線性關系，并且隨摻量的增加而減小。在較高干密度時，隨著生物炭摻量的增大，曲線斜率減小。這是因為當干密度較大，趨近于土體最大干密度時，土樣結構更致密，孔隙較小。此時曲線斜率幾乎不變，說明生物炭摻量對土樣滲氣滲水系數的影響不明顯；當干密度較小時，試樣相對較疏松，土樣的孔隙較大，添加生物炭后，炭顆粒進入土體的體間孔隙，使土樣的孔隙結構更致密，氣體不易通過。由于生物炭本身屬于親水性物質[37]，滲流液體在滲透壓的作用下，滲流液體更容易從孔隙中穿過，表現為隨生物炭摻量增大，ka/kw值逐漸減小。

圖7 不同干密度下ka/kw 與生物炭摻量的關系Fig.7 Relationship between ka/kw and biochar content under different dry density

圖7 中不同干密度下的試驗數據可以用一般指數函數表示，即

式中m和n分別為試驗參數。

從圖7 的擬合曲線可得到不同干密度下生物炭-黏土混合土的參數值m、n和曲線的擬合系數R2見表1 所示。

表1 ka/kw 與α 關系曲線擬合參數m,n 和R2Table 1 Parameters m,n and R2 of curve fitting formula between ka/kw and α

通過表1 中的數據，可得出參數與干密度ρd的關系。結合數據擬合方法，近似用線性關系來描述擬合參數m、n與干密度ρd的關系。其中R2值為刻畫曲線擬合精度的決定系數，具體可用下式表示：

擬合參數m、n與干密度ρd的關系用近似線性方法來描述?？杀硎緸?/p>

式中s1，s2，t1和t2均為曲線的擬合參數，可根據擬合參數m、n與干密度ρd的類似線性關系得到。其中s1=-679.33；s2=1 265.5；t1=-0.159 4；t2=0.310 4。

將式（6）和（7）代入式（4）可得：

將式（8)進行轉化，由此可得到滲水系數kw可表示為

式（9）是有關滲氣系數ka、干密度ρd和生物炭摻量α的滲氣滲水函數關系式，即kw=f(ka，ρd，α)。該函數關系式針對生物炭改良土的滲水系數不易測試的短板，尤其是在干密度較大時，試驗周期較長的不利條件下。引入測試速度快、容易測定的滲氣系數ka為自變量，又同時考慮了干密度ρd和生物炭摻量的影響。式（9）從定量角度描述了試樣在不同干密度和生物炭摻量下滲水滲氣系數的相互影響。此外，對于非飽和土的滲水系數的研究至今還沒有明確的定論，該函數關系的建立可為非飽和土的滲水滲氣的研究奠定基礎。

4 滲氣滲水函數關系的驗證

為了驗證式（9）表達的滲氣滲水函數關系，進行了干密度為1.50 和1.60 g/cm3生物炭-黏土混合土的滲水試驗。

圖8 為利用上述預測公式（9）計算得到的不同生物炭摻量下生物炭-黏土混合土的預測滲水系數值和實測值的關系曲線。

圖8 不同干密度下的滲水系數實測值與預測值關系Fig.8 Relationship between measured value and predicted value of water permeability coefficient under different dry density

從圖8 中可以看出，兩種干密度下生物炭-黏土混合土的預測滲水系數值和試驗實測值吻合程度整體較好，兩種干密度試樣的曲線擬合系數R2分別為0.917 3 和0.997 4。在生物炭摻量15%時，兩種試樣的實測值和預測值出現較小的偏差，分析原因可能是在生物炭摻量較大時，土樣拌合過程中會出現不均勻的現象，所以滲流液體在土體中運移會出現不同程度的偏差。這些誤差可以在試驗過程中將其避免掉，所以不會影響整體的預測值。

5 結論

本文考慮垃圾填埋場終覆蓋層土體中水氣滲透運移的相互影響機制建立水相滲透和氣相滲透兩者之間的關系，構造出初始干密度和生物炭摻量雙因素變化下生物炭-黏土混合土滲水滲氣的函數關系，得出以下結論：

1）黏土中添加生物炭能夠改變土體的孔隙結構，進而影響土體的滲透特性。隨著生物炭摻量的增加，試樣的滲水率逐漸增大；而滲氣率根據壓實度的不同出現先減小后增大的變化趨勢。滲水率和滲氣率的變化趨勢呈反比例關系。

2）考慮干密度和生物炭摻量對生物炭-黏土混合土滲氣滲水系數的影響，建立了有關干密度和生物炭摻量雙因素變化的滲水系數函數關系方程。該函數關系方程針對生物炭改性土的滲水系數不易測試的短板，尤其是在干密度較大時，試驗周期較長的不利條件下。引入測試速度快、容易測定的滲氣系數為自變量，又同時考慮了干密度和生物炭摻量的影響，能快速的預測試樣的滲水系數。該預測函數為環境工程領域研究水-氣之間的相互關系提供理論支撐。

3）利用干密度為1.50 和1.60 g/cm3的試樣作為驗證組，分別對該滲氣滲水函數進行驗證。結果表明：兩種干密度下生物炭-黏土混合土的預測滲水系數值和試驗實測值吻合程度整體較好，說明該函數具有很好的適用性。