我国存在大量重金属污染的城市工业污染场地,不仅污染环境,还严重制约城市可持续发展。土-膨润土竖向隔离屏障是具有代表性的一种原位竖向阻隔技术,可以有效控制地下水与土中污染物运移,是提高我国城市工业污染场地的综合处治和风险管控设计水平的重要需求。目前,土-膨润土竖向隔离屏障技术的关键技术问题在于:(1)我国商用膨润土以钠化改性钙基膨润土为主,工程性质与天然钠基膨润土存在明显差距,以此制备隔离屏障材料时,其膨润土设计掺量、施工和易性、压缩特性和防渗性能均尚不明确;(2)已有工程屏障材料化学相容性试验研究中普遍采用氯化钾和氯化钙溶液,重金属污染作用下土-膨润土竖向隔离屏障材料的化学相容性和防渗截污性能亟待明确。基于此,论文以国家自然科学基金重点项目(No.41330641)、国家自然科学基金项目(No.51278100)、江苏省杰出青年基金项目(BK2012022)为依托,开展了土-膨润土竖向隔离屏障材料工程性质和典型重金属污染物作用下防渗截污性能的系统研究。主要研究内容和成果如下:(1)研究了膨润土浆液制备时膨润土的合理掺量,提出了基于膨润土液限的膨润土掺量预测方法;明确了隔离屏障材料满足施工和易性(塌落度)条件时的含水率分布规律,给出了基于隔离屏障材料液限和模拟液限的评价方法。(2)明确了土-膨润土竖向隔离屏障材料压缩和固结特性。膨润土掺量和初始含水率是其控制因素。土-膨润土竖向隔离屏障材料的压缩指数与有效竖向应力为1 kPa时的孔隙比e1关系(Cc-e1关系)存在唯一性;其中,特征参数e1综合表征了初始含水率、膨润土掺量、膨润土品质和原位土土性对压缩指数的影响。提出了采用初始孔隙比和液限所对应孔隙比预测土-膨润土竖向隔离屏障材料压缩指数的方法。(3)提出了满足防渗要求的钠化改性膨润土所制备土-膨润土竖向隔离屏障材料时的设计配比,揭示了膨润土掺量、膨润土品质、沸石掺量、天然黏土掺量、初始含水率和试验方法对隔离屏障渗透系数的影响规律。基于柯西-卡尔曼公式的预测方法对黏性土-膨润土竖向隔离屏障材料具有良好的适用性。提出了基于黏粒组的改进孔隙比以预测砂-膨润土和砂-黏性土-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数。(4)阐述了重金属铅作用下黏性土-膨润土竖向隔离屏障材料压缩特性的变化规律,并明确了液限与压缩指数之间的内在联系。重金属铅对压缩指数的影响程度达12%～53%。污染作用下黏性土-膨润土竖向隔离屏障材料和其他土质工程屏障材料Cc-e1关系与未污染状态下土-膨润土竖向隔离屏障材料的试验结果一致。提出了基于扰动状态概念(DSC)的污染黏性土-膨润土竖向隔离屏障材料压缩模型。该模型采用单参数描述污染作用对压缩特性的影响。(5)揭示了重金属铅、锌、铬作用下膨润土的渗透和膨胀特性。污染浓度超出10 mmol/L后膨润土渗透系数呈显著增大的趋势,且钠基膨润土渗透系数增幅明显高于钠化改性钙基膨润土试验结果。二价阳离子形式存在的重金属(例如铅、锌)与阴离子络合形态存在的六价铬对膨润土渗透系数的作用规律存在显著差异。自由膨胀指数良好地描述了无机盐溶液作用下膨润土的渗透系数变化规律。(6)明确了重金属污染作用下土-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数的化学相容性。本文研究污染程度范围内,渗透系数的增幅不超过20倍,能够满足防渗要求(k<10-9 m/s)。相同试验条件下,硝酸铅-硝酸锌溶液作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数较氯化钙溶液作用下的试验结果高出2.9倍。分别就黏性土-膨润土和砂-膨润土、砂-黏性土-膨润土竖向隔离屏障材料提出了基于柯西-卡尔曼公式和基于黏粒组的改进孔隙比的渗透系数预测方法。(7)提出了采用羧甲基纤维素钠(CMC)改性钠化改性膨润土。改性作用下CMC分子链插层于膨润土中蒙脱石黏土片层,有效提升了其膨胀和防渗性能。本文研究污染程度范围内,硝酸铅-硝酸锌、铬酸钾和氯化钙溶液作用下CMC改性膨润土渗透系数增幅小于1倍,远低于未改性膨润土试验结果。通过改进滤失试验测试了重金属作用下膨润土渗透系数,建立了污染前后滤失量与膨润土渗透系数的相关关系。(8)研究了重金属铅、锌、铬运移通过砂-膨润土竖向隔离屏障的水动力弥散系数和阻滞因子。重金属铅、锌和铬在砂-膨润土竖向隔离屏障中的运移速率大小依次为:铬>锌>铅。通过van Genuchiten解分析了污染物运移参数、屏障厚度和污染物浓度阀值控制标准对击穿时间的作用规律,并给出了短期和中长期服役时间条件下的屏障厚度取值。在现有行业规范中屏障厚度设计方法基础上提出了 1种基于van Genuchiten解的屏障厚度和服役年限简化计算方法。