水泥固化鋅污染紅粘土力學特性及強度預測

樊浩倫，申向東，周海龍，劉曉紅

(內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

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水泥固化鋅污染紅粘土力學特性及強度預測

樊浩倫，申向東，周海龍，劉曉紅

(內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

將重金屬污染土與水泥混合固化處理后，可防止重金屬向周圍進一步擴散，并可作為穩(wěn)定的固化材料用于淺層地基等非敏感區(qū)域，達到污染土二次利用的目的。將人工制備的鋅污染紅粘土通過水泥固化處理后，進行無側限抗壓強度試驗，研究不同水泥摻量、污染物濃度和養(yǎng)護齡期下固化物的無側限壓縮變形特性。研究結果表明：鋅離子濃度對水泥固化土的強度和變形模量存在閾值，且隨著水泥摻量的增加，濃度閾值增加。鋅離子濃度在5000 mg·kg-1以內，固化土的應力-應變曲線經歷彈性變形階段、彈塑性變形階段、破壞階段和殘余強度階段，且水泥摻量大于8%時，破壞應變隨齡期增加而增大。鋅離子濃度在10000 mg·kg-1時，固化物的彈性變形階段經歷短暫后直接進入殘余強度階段。固化物的變形模量隨著鋅離子的增加而減小，但當水泥摻量10%時，少量的鋅離子會提高固化產物的變形模量。通過對不同水泥摻量、養(yǎng)護齡期和污染物濃度的固化物強度進行擬合分析，最終得到了與試驗結果吻合度較高的水泥固化鋅污染紅粘土強度預測經驗公式。

重金屬； 水泥固化土； 應力-應變； 破壞應變； 變形模量； 強度預測

1 引 言

隨著我國的工業(yè)高速發(fā)展，土壤重金屬污染越來越嚴重。受到重金屬污染的土壤不易被化學或生物降解，對生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構成嚴重威脅[1]。因此，對于重金屬污染土的危害和如何修復等問題是當下的一個研究熱點[2-4]。目前，重金屬污染土壤的修復方法主要有換土法、客土法、固化/穩(wěn)定法(簡稱S/S法)、化學淋洗、動電修復、生物修復、農業(yè)生態(tài)修復等[5-6]。

基于固化/穩(wěn)定修復具有環(huán)保、經濟和修復效果好等優(yōu)點，使其成為最常用的修復方法之一。在現(xiàn)有的固化/穩(wěn)定修復項目中，多選用水泥等無機材料對污染土進行固化[7]。水泥固化污染土是將水泥等膠結材料與污染土混合，通過物理及化學手段，防止土中污染物向周圍進一步擴散，從而將有害物質達到環(huán)境可接受的穩(wěn)定固體材料。該處理方法在實際的工程中，將開挖置換后的污染土，進行水泥固化處理后，回填用于道路基層的填料、淺層地基或護岸等非敏感區(qū)域的建筑材料，這樣可以實現(xiàn)污染土的資源再利用，節(jié)省環(huán)境治理費用，具有非常重要的環(huán)保意義。

本文研究土壤為紅粘土，紅粘土在我國各地多有分布，其中以內蒙古東部、貴州、云南、廣西等省區(qū)分布最廣。紅粘土有著較為特殊的力學性能，在實際工程中時有發(fā)生地基不均勻變形、道路開裂等工程病害[8]。而重金屬污染后的紅粘土，力學性能更加不穩(wěn)定，導致建筑地基等失穩(wěn)的情況發(fā)生[9]。

基于以上因素，本文對水泥固化處理后的鋅污染紅粘土進行了大量的無側限抗壓強度試驗，研究了鋅離子濃度、養(yǎng)護齡期和水泥摻量對處理后污染土固化物的應力-應變關系、破壞應變和變形模量的影響規(guī)律，并擬合出與實際測試吻合度較高的水泥固化鋅污染紅粘土的強度預測經驗公式，對未來鋅污染紅粘土再利用的實際工程提供理論依據(jù)。

2 試 驗

2.1 試驗材料

本試驗所用土樣取自內蒙古呼和浩特市武川縣內未受污染的地表裸露紅粘土，試驗用紅粘土顆粒分析結果如表1，主要物理參數(shù)指標見表2。

表1 試驗用土的顆粒分析結果

表2 試驗用土的主要物理參數(shù)指標

試驗用水泥為冀東P·O 42.5水泥，燒失量為1.02%，其主要成分見表3。

表3 P·O 42.5水泥主要成分

已有研究表明，硝酸根對水泥的水化反應干擾很小[10]。且硝酸鹽其具有較高溶解度(較強的陽離子活動性)，因此，重金屬鹽選取六水合硝酸鋅。

2.2 試驗方法

2.2.1 試塊制備

將紅粘土自然風干，碾碎并過2.36 mm篩備用，其次，根據(jù)重金屬在自然界的背景值[11]、毒性程度及溶解度等因素綜合考慮配置一定濃度的鋅離子溶液，最后將干土和溶液混合配制鋅污染紅粘土，設計鋅離子在干土中含量為100 mg·kg-1、1000 mg·kg-1、5000 mg·kg-1、10000 mg·kg-1，即0.01%，0.1%，0.5%，1%的干土質量，下文分別用Zn0.01，Zn0.1，Zn0.5，Zn1表示，不含鋅離子的干土用Zn0表示，水泥土中水泥摻量為干土質量的6%，8%，10%，下文用S6，S8，S10表示。根據(jù)《公路工程無機結合穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)加入固化劑攪拌均勻，通過擊實試驗測得其最優(yōu)含水率16%和最大干密度，稱取一定質量加入固化劑攪拌均勻后，配制成污染土，通過靜力壓實法制備圓柱形試塊，脫模并放入溫度(20±2) ℃，濕度95%養(yǎng)護箱養(yǎng)護7 d、28 d和60 d。

2.2.2 無側限抗壓強度測試

采用WDW-50型萬能試驗機對測試養(yǎng)護至設計齡期的試塊進行無側限抗壓強度試驗。

3 結果與討論

3.1 全應力-應變曲線

全應力-應變曲線是水泥土受荷載過程中應力與應變的關系曲線。曲線包括破壞前和破壞后兩個階段[12]，28 d、60 d不同鋅濃度的水泥固化污染紅粘土的全應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 不同齡期水泥固化鋅污染土的應力-應變曲線(28 d、60 d)Fig.1 Stress-strain curves of cement treated zinc-contaminated soils at different curing age(28 d、60 d)

從圖1應力-應變曲線圖可以明顯看出除鋅濃度在1%的Zn1試塊外，其余試塊的應力-應變曲線可分為4個階段。第一階段固化土為彈性變形階段，應力-應變曲線近似直線，這一階段主要為鋅污染紅粘土固化物的裂紋及孔洞的壓縮閉合，固化土直線部分為彈性壓縮，孔隙比減小，剛度增大，應力隨應變的增加而增加，但增加速率緩慢。第二階段固化土進入彈塑性變形階段，應力隨應變的增加而顯著增加并達到峰值。第三階段為破壞階段，固化土產生裂紋，應力-應變曲線陡降。第四階段為固化土的殘余強度階段，在這一階段應變繼續(xù)增大而應力變化幅度不大，但從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著污染物濃度的增加，這一階段變化趨勢越來越不明顯。當鋅離子濃度在5000 mg·kg-1以內，水泥固化鋅污染紅粘土的應力-應變曲線所分的4個階段與梁仁旺[13]等國內眾多學者所提出的水泥土應力-應變曲線結論一致。但當鋅離子濃度極高時，鋅離子嚴重阻礙水泥的水化反應[14-15]，水泥固化產物峰值應力極低，應力-應變曲線與未添加固化劑的原狀土的應力-應變曲線相似[16-17]。開始加載后，短暫經歷彈性變形階段后，固化物被破壞，直接進入殘余強度階段，應力隨應變的增加變化緩慢。

在對于S/S固化重金屬的研究中，眾多學者均提出污染物濃度對于固化物強度存在閾值，當污染物濃度小于閾值時，可提高固化物強度，反之則降低固化物強度。觀察圖1固化物的峰值應力，可以發(fā)現(xiàn)水泥固化鋅污染紅粘土也存在閾值。水泥摻量在6%和8%時，28 d時添加鋅的固化產物的峰值應力均小于未添加鋅的ZnO試塊。但在60 d齡期試塊中，Zn0.01試塊的峰值應力大于未添加鋅離子的Zn0試塊。對于水泥摻量10%的固化物，在養(yǎng)護齡期28 d時，Zn0.1試塊的峰值應力便超過未添加鋅的Zn0試塊。當60 d時，Zn0.1試塊的峰值應力超過未添加鋅的Zn0試塊。這是因為Zn2+在水泥水化過程中生成了鋅氫氧化物沉淀，包裹水泥顆粒阻礙其水化反應。隨著水泥的水化，固化物中的OH-增加，與氫氧化鋅發(fā)生反應，生成不溶的鋅酸鹽CaZn2(OH)6· 2H2O，與殘余的氫氧化物沉淀填充孔隙，共同促進固化物強度增長，因此使固化物峰值應力超過未添加鋅的固化物。而增大水泥摻量，在前期便會使固化物中的OH-大量增加，減緩鋅離子對水泥水化的阻礙，使水化反應進行的更加順利，因此，Zn0.01試塊在28 d時強度便超過未添加鋅的Zn0試塊，而60 d時Zn0.1試塊的強度也超過了未添加鋅的Zn0試塊。

本試驗進一步證明了水泥固化鋅污染紅粘土強度存在鋅濃度閾值[18]，但認為污染物濃度閾值并非定值，水泥摻量不同，污染物濃度閾值不同，且隨著水泥摻量的增加，濃度閾值增加。

3.2 破壞應變

固化產物應力-應變曲線上峰值應力所對應的應變?yōu)槠茐膽儯呛饬克嗤磷冃翁匦缘闹匾笜酥?，能夠反映材料的脆性或者韌性，水泥固化鋅污染紅粘土破壞應變結果如表4。

表4 水泥固化鋅污染土破壞應變

從表4可以發(fā)現(xiàn)水泥固化鋅污染紅粘土的破壞應變普遍集中在2.5%～4.5%之間，對試塊破壞應變進行方差分析，結果表明P污染物濃度=0.077、P水泥摻量=0.998，P值均大于0.05，說明污染物濃度和水泥摻量與水泥固化鋅污染紅粘土破壞應變差異性不顯著。而P養(yǎng)護齡期=0.008，P值小于0.05，說明養(yǎng)護齡期與水泥固化鋅污染紅粘土破壞應變的差異性極顯著。

圖2 破壞應變隨齡期變化規(guī)律圖(a)6%水泥摻量;(b)8%水泥摻量;(c)10%水泥摻量Fig.2 The figure of change rules between failure strain and stage of age

破壞應變隨齡期變化規(guī)律如圖2所示，從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)鋅濃度在0.5%以下時，6%水泥摻量固化物破壞應變與齡期的規(guī)律不穩(wěn)定，Zn0.1固化物破壞應變隨齡期增加而增大。而Zn0.01和Zn0.5固化物隨齡期的增加，破壞應變先減小后增大。8%水泥摻量固化物破壞應變隨齡期的增加而增大，且非常明顯。10%水泥摻量固化物破壞應變，雖然隨齡期增加而增長，但變化不明顯，28 d到60 d過程中增長緩慢。綜上所述，在鋅濃度小于0.5%時，水泥摻量大于8%時，固化物的破壞應變隨齡期的增加而增大。固化物隨齡期增長，脆性下降、韌性上升，且當水泥摻量8%時，這種現(xiàn)象尤為顯著。鋅濃度達到1%，破壞應變隨齡期的變化規(guī)律不明顯，同時結合應力-應變曲線和表7無側限抗壓強度結果，認為高鋅離子濃度的固化物在養(yǎng)護過程中水泥水化反應嚴重受阻，固化效果不明顯，加載破壞過程呈塑性破壞。

3.3 變形模量E50

由于水泥土是非線性變形材料，因此，在工程實際中常使用水泥土的變形模量E50反映水泥土抵抗彈塑性變形的能力。變形模量是指水泥土峰值應力一半的應力與相應的應變之比值。水泥固化鋅污染紅粘土的變形模量如表5所示。

表5 水泥固化鋅污染紅粘土變形模量E50

對水泥固化鋅污染紅粘土變形模量進行方差分析后結果表明，養(yǎng)護齡期的P值為0.254，大于0.05，養(yǎng)護齡期和變形模量的差異性不顯著。水泥摻量和鋅濃度的P值分別為0.02和0，差異性極顯著。28 d水泥固化鋅污染紅粘土變形模量E50與鋅離子濃度關系如圖3所示。

圖3 28 d固化物變形模量E50與鋅離子濃度關系Fig.3 The relationship figure between 28 d modulus of deformation of solidified soil and zinc ion concentration

觀察圖3可知，水泥摻量在6%和8%時，土壤中添加極少量的鋅離子就會降低固化物的變形模量，使其剛度下降，抗變形能力降低，隨著鋅離子濃度的繼續(xù)升高，固化產物的變形模量持續(xù)下降。而當水泥摻量達到10%時，少量鋅離子會提高固化產物的變形模量。這是因為由于水泥摻量的增加，鋅離子在水化過程中生成Zn(OH)2沉淀，填充孔隙，使固化產物剛度增加，這也進一步證明了水泥摻量不同，閾值將不同。同時結合表5水泥摻量10%的固化物的變形模量數(shù)據(jù)結果、圖10%水泥摻量固化物的應力-應變曲線結果和陳蕾等[19]研究結果，筆者認為在水泥摻量10%時，鋅離子濃度閾值為1000 mg·kg-1。低于1000 mg·kg-1的鋅濃度可以促進水泥水化，增大固化產物的變形模量，提高固化產物剛度。隨著鋅離子濃度的繼續(xù)增加，10%水泥摻量固化物的變形模量和其他水泥摻量固化物的變形模量變化規(guī)律相似，均隨著鋅離子濃度的升高，變形模量下降。當鋅離子濃度增加到10000 mg·kg-1時，變形模量達到最低，結合上文破壞應變結論和應力-應變曲線圖，認為該濃度鋅離子對水泥水化作用阻礙嚴重，且隨著養(yǎng)護齡期的增長，這種阻礙改變不明顯。水泥固化鋅污染紅粘土固化產物的變形模量可以通過式(1)來估算。變形模量與無側限抗壓強度的比值a如表6所示。

E50=a·qu

從表6中可以看出，鋅離子濃度在5000 mg·kg-1以下時，變形模量與峰值應力的比值最大值為50.05、最小值為9.63。因此，水泥固化鋅污染紅粘土固化產物的變形模量，一般可以用E50=(9～50)·qu來估算。

3.4 無側限抗壓強度預測

表7 固化物無側限抗壓強度

不同水泥摻量、鋅離子濃度和齡期的無側限抗壓強度如表7所示，通過方差分析可以發(fā)現(xiàn)三個變量與固化物無側限抗壓強度差異性極顯著。

根據(jù)表7可以看出，無側限抗壓強度與鋅離子濃度基本呈線性關系，可通過線性公式(2)進行擬合。ω為鋅離子濃度，擬合參數(shù)a、b見表8。

qu=aω+b

從表8擬合參數(shù)中可以看出，當水泥摻量在6%時a≈0.0003，8%摻量時b≈0.00035，10%摻量時a≈0.0004。所以a與水泥摻量αc呈線性相關，擬合后：

a=-0.0025αc-0.0002R2=1

(3)

同時觀察表8，可以發(fā)現(xiàn)在不同水泥摻量下，參數(shù)b與齡期呈指數(shù)相關，可以通過式(4)進行擬合。

b=cetn

(4)

其中t為養(yǎng)護齡期，擬合參數(shù)c、n見表9。

表9 擬合參數(shù)c、n

從表9中可以發(fā)現(xiàn)系數(shù)c與n均與水泥摻量有關，通過擬合，c、n與水泥摻量的關系如式(5)(6)所示。

(5)

(6)

將式(5)(6)代入式(4)得：

(7)

將式(3)(7)代入式(2)后擬合無側限強度預測經驗公式為：

(8)

圖4 擬合結果與實測結果對比Fig.4 Result comparison of fitting result and testing result

其中ω為鋅離子濃度，ac為水泥摻量，t為養(yǎng)護齡期。將三個變量代入經驗公式后計算可以發(fā)現(xiàn)，在7 d、28 d齡期，鋅離子濃度在10000 mg·kg-1時，計算結果小于零，與實測結果相差較大，但鑒于無側限抗壓強度不存在負值和實測無側限強度極低的結果，將經驗公式進行修正。當計算無側限抗壓強度小于零時，默認無側限抗壓強度為零。修正后的預測結果與試驗結果對比如圖4所示。并將不同變量的預測結果與實驗結果通過matlab計算其相關系數(shù)，結果表明R=0.98。因此，認為預測公式計算結果與實測結果吻合度較高，此經驗公式具有一定的工程應用價值。

4 結 論

(1) 鋅離子濃度對水泥固化鋅污染紅粘土的強度和變形模量存在閾值，且隨著水泥摻量的增加，濃度閾值增加;

(2)鋅離子濃度在5000 mg·kg-1以內，水泥固化鋅污染紅粘土的應力-應變曲線經歷彈性變形階段、彈塑性變形階段、破壞階段和殘余強度階段，與普通水泥土相似。鋅離子濃度在10000 mg·kg-1時固化物應力-應變曲線與原狀土相似，短暫經歷彈性變形階段后直接進入殘余強度階段;

(3)鋅離子濃度在5000 mg·kg-1以內，水泥摻量大于8%，水泥固化鋅污染紅粘土的破壞應變隨齡期增加而增大;

(4)水泥固化鋅污染紅粘土的變形模量隨著鋅離子濃度的升高而下降，但當水泥摻量達到10%時，少量的鋅離子會提高固化產物的變形模量;

(5)給出不同水泥摻量、養(yǎng)護齡期和鋅離子濃度的水泥固化鋅污染紅粘土強度預測經驗公式，通過公式預測的固化物強度與實測值較為吻合。

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Mechanical Property and Strength Prediction of Cement-Solidified/Stabilized Zinc-contaminated Red Clay

FANHao-lun，SHENXiang-dong，ZHOUHai-long，LIUXiao-hong

(College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

The solidification process of the heavy metal pollution of soil and cement can prevent heavy metal from further spread to the surrounding as well as be treated as a building material stable curable material used in non-sensitive areas such as shallow foundation in order to use the polluted soil for a second time. Unconfined compression tests were carried out after the curing treatment of zinc-contaminated red clay cement prepared by humans. The aim was to study different cement content, the concentration of pollutants and deformation characteristics of limitless compression of condensate under curing period. The results show that there exists a threshold of strength and deformation modulus of cement stabilized soil which is related to zinc ion concentration, and the concentration threshold increases with the increase of cement content. When zinc ion concentration is less than 5000 mg·kg-1, stabilized soil stress-strain curves undergo elastic deformation stage, the stage of plastic deformation as well as damage and residual strength stage phase. What's more, if cement introduction rate is more than 8%, the failure strain is positively correlated with age. On the other hand, when zinc ion concentration is 10000 mg·kg-1, the condensate directly steps into the residual strength stage after a short curing elastic deformation stage. The deformation modulus of condensate decreases with the increasing of zinc ions , but when the cement content is 10%, a small amount of zinc ions will increase the deformation modulus of the cured product. Through the fitting analysis on different cement content, curing age and pollutant concentrations, the author eventually gets the empirical formula predicting the intensity of the red clay which highly agrees with the experimental results of a higher degree of cementation zinc pollution.

heavy metal；cement-stabilized soil；stress-strain；failure strain；deformation module；strength forecast

國家自然科學基金(51569021)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT13069);內蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究重點項目(NJZZ16057)

樊浩倫(1991-)，男，碩士研究生.主要從事新材料與新結構體系的研究.

申向東，教授，博導.

TU525

A

1001-1625(2016)12-3964-08