Воздействие циклического промерзания-оттаивания на водопроницаемость смесей песка с высокодисперсной глиной

Для изоляции твердых бытовых и промышленных отходов используются смеси песков с высокодисперсными глинами. В отличие от природных глинистых грунтов им присущи однородность состава, удобоукладываемость, высокие деформационно-прочностные характеристики. Целью настоящих исследований было изучение воздействия на водопроницаемость указанных смесей циклического промерзания-оттаивания. Испытывались смеси четырех типов песков с глинистой фракцией отходов обогащения алмазоносной руды, сложенной преимущественно сапонитом – слоистым минералом той же группы, что и монтмориллонит. Смеси готовились из расчета содержания глинистых частиц 4 и 8 % от массы песков. Эксперименты проводились в лабораторной установке, состоящей из четырех приборов для определения морозного пучения и водопроницаемости, размещенных в емкости с водой. В ходе опыта уровень воды в емкости постепенно снижался, обеспечивая требуемый темп перемещения фронта промерзания, или повышался для оттаивания образцов. Деформации морозного пучения смесей песков с 4 % глинистых частиц при внешней нагрузке на образцы 2 кПа составляли 10,0–16,4 %, а пять циклов промерзания–оттаивания привели к росту коэффициента фильтрации смеси в 2,0– 4,7 раза. Смеси песков с 8 % глинистых частиц из-за существенно большей пучинистости испытывались под внешней нагрузкой 12 кПа, в результате увеличение коэффициента фильтрации оказалось примерно таким же, как и в первом случае, – в 1,2–2,0 раза. Эксперименты показали, что исследованные смеси могут применяться для изоляции отходов, но для устранения выявленного эффекта роста водопроницаемости водозащитный экран следует покрывать слоем инертного грунта, обеспечивающим сокращение глубины промерзания экрана и создающим на него нагрузку.

1. Fouli Y., Cade-Menun B.J., Cutforth H.W. Freeze-thaw cycles and soil water content effects on infiltration rate of three Saskatchewan soils. Canadian Journal of Soil Science. 2013;93:485–496. https://doi.org/10.4141/CJSS2012-060

2. Xu W., Li K., Chen Lo., et al. The impacts of freeze-thaw cycles on saturated hydraulic conductivity and microstructure of saline-alkali soils. Scientific Reports. 2021;11:18655. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98208-0

3. Xian Sh., Lu Zh., Yao Ha., et al. Comparative study on mechanical properties of compacted clay under freeze-thaw cycles with closed and open systems. Advances in Materials Science and Engineering. 2019;2019:9206372. https://doi.org/10.1155/2019/9206372.

4. Makusa G., Macsik J., Holm G., Knutsson S. A laboratory test study on effect of freeze–thaw cycles on strength and hydraulic conductivity of high-water content stabilized dredged sediments. Canadian Geotechnical Journal. 2016;53(6). https://doi.org/10.1139/cgj-2015-029.

5. Leuther F., Schluter S. Impact of freeze–thaw cycles on soil structure and soil hydraulic properties. Soil. 2021;7:179–191. https://doi.org/10.5194/soil-7-179-2021.

6. Chamberlain E.J., Gow A.J. Effect of freezing and thawing on the permeability and structure of soils. Engineering Geology. 1979;13(1-4):73–92. https://doi.org/10.1016/0013-7952(79)90022-x

7. Ma Q., Zhang K., Jabro J.D., et al. Freeze–thaw cycles effects on soil physical properties under different degraded conditions in Northeast China. Environmental Earth Sciences. 2019;78(321). https://doi.org/10.1007/s12665-019-8323-z.

8. Xie Sb., Jian-jun Q., Yuan-ming, et al. Effects of freeze-thaw cycles on soil mechanical and physical properties in the Qinghai-Tibet Plateau. Journal of Mountain Science. 2015;12:999–1009. https://doi.org/10.1007/s11629-014-3384-7.

9. Kraus J.F., Benson C.H. Effect of Freeze-Thaw on the Hydraulic Conductivity of Barrier Materials: Laboratory and Field Evaluation. Cincinnati, OH: United States Environmental Protection Agency. National Risk Management Research Laboratory; 1995.

10. Korshunov A., Doroshenko S., Nevzorov A., Boldyrev G. Effect of freezing and thawing on soil permeability: newly equipment and experimental results. Journal of Physics: Conference Series. 2021;1928:012012. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1928/1/012012

11. Жиленков В.Н. Усовершенствованная методика определения фильтрационных свойств грунтов, подвергшихся промораживанию и оттаиванию. Геоэкология. 2001;(4):46–51.

12. Dalla Santa G., Cola S., Tateo F., Galgaro A. Hydraulic conductivity changes in compacted clayey barriers due to temperature variations in landfill top covers. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2020;(79):289302905. https://doi.org/10.1007/s10064-020-01726-w.

13. Othman M.A., Benson C.H. Effect of freeze-thaw on the hydraulic conductivity and morphology of compacted clay. Canadian Geotechnical Journal. 1993;30(2): 236–246.

14. Chapuis R.P. The 2000 R.M. Hardy Lecture: Full-scale hydraulic performance of soil–bentonite and compacted clay liners. Canadian Geotechnical Journal. 2002;39(2): 417–439. https://doi.org/10.1139/T01-092.

15. Sakita T., Komine H., Yamada A., et al. Influence of bentonite type and producing method on hydraulic conductivity of sand-bentonite mixture. E3S Web Conference. 2020;205:10005. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020510005.

16. Kayode A.D., et al. Clay soil modification techniques for the adsorption of heavy metals in Aqueous Medium: A Review. International Journal of Advanced Research in Chemical Science (IJARCS). 2019;6(6):14–31. https://doi.org/10.20431/2349-0403.0606003.

17. Ghazi A.F. Engineering characteristics of compacted sand-bentonite mixtures. Edith Cowan University; 2015. 84 p.

18. Otoko G., Otoko G. The permeability of ocean sand with bentonite. International Journal of Engineering and Technical Research. 2014;2(1):1–6.

19. Proia R., Croce P., Modoni G. Experimental investigation of compacted sand-bentonite mixtures. Procedia Engineering. 2016;158:51–56. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.404.

20. Erickson A., Chamberlain E., Benson C. Effects of frost action on covers and liners constructed in cold environments. Proceedings, 17th International Madison Waste Conference, September 21-22, 1994: University of Wisconsin-Madison, Wl, 1994, pp. 198–220.

21. Chen C., Peng W., Li J., et al. Effects of freeze-thaw cycle on permeability and compression properties of aeolian soil-bentonite mixture. Preprint. 2023. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3165981/v1.

22. Zhang Z., Ma W., Qi J.L. Structure evolution and mechanism of engineering properties change of soils under effect of freeze-thaw cycle. Journal of Jilin University (Earth Science Edition). 2013;43(6):1904-1914. https://doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.2013.06.017.

23. Al-Mahbashi A.M., Dafalla M., Al-Shamrani M. Long-Term Performance of Liners Subjected to Freeze-Thaw Cycles. Water. 2022;14(20):3218. https://doi.org/10.3390/w14203218.

24. Wong L.C., Haug M.D. Cyclical closed-system freeze-thaw permeability testing of soil liner and cover materials. Canadian Geotechnical Journal. 1991;28(6): 784–793. https://doi.org/10.1139/t91-095.

25. Konrad J.M. Hydraulic conductivity changes of a low-plasticity till subjected to freeze–thaw cycles. Geotechnique. 2010;60(9):679-690. https://doi.org/10.1680/geot.08.P.020.

26. Hirose G., Ito Y. Experimental estimation of permeability of freeze-thawed soils in artificial ground freezing. Procedia Engineering. 2017;189:332–337. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.053.

27. Невзоров А.Л., Саенко Ю.В., Ширанов А.М. Модификация песка суспензией сапонитовой глины – одним из отходов алмазодобывающей промышленности. Construction and Geotechnics. 2022;13(4):103– 115. https://doi.org/10.15593/2224-9826/2022.4.08.

28. Невзоров А.Л., Саенко Ю.В., Ширанов А.М. Кольматация песков суспензией высокодисперсных отходов алмазодобывающей промышленности. Вестник Евразийской Науки. 2023;15(2). URL: https://esj.today/PDF/74SAVN223.pdf.

29. Патент RU 2 586 271 C1. Прибор для определения морозного пучения и водопроницаемости грунта при циклическом промерзании-оттаивании: № 2015100760/28: заявл. 01.12.2015, опубл. 06.10.2016 / Невзоров А.Л., Дорошенко С.П.

30. Гордеев П.В., Шемелина В.А., Шулякова О.К. Гидрогеология. М.: Высшая школа; 1990. 447 c.