柴油污染土的含水量計算方法與界限含水量變化規(guī)律

曾玲玲 周夢學(xué) 王 鋼 劉松玉 洪振舜

(1福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福州 350108)(2均和房地產(chǎn)土地評估咨詢有限公司, 廈門 361004)(3東南大學(xué)巖土工程研究所, 南京 210096)

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柴油污染土的含水量計算方法與界限含水量變化規(guī)律

曾玲玲1周夢學(xué)2王 鋼1劉松玉3洪振舜3

(1福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福州 350108)(2均和房地產(chǎn)土地評估咨詢有限公司, 廈門 361004)(3東南大學(xué)巖土工程研究所, 南京 210096)

以2種天然沉積土和鈣基膨潤土、鈉基膨潤土為源土,配置具有不同柴油含量及不同目標(biāo)含水量的柴油污染土,進(jìn)行柴油污染土的含水量測定及界限含水量試驗研究．提出了柴油污染土的起始可揮發(fā)含油量的概念,建立了能夠同時考慮柴油揮發(fā)性和黏土礦物對柴油吸附作用的含水量計算方法．結(jié)果表明,以天然沉積土為源土的含油污染土的液限和塑限均隨含油量的增加呈先增大后減小的趨勢;以鈣基膨潤土和鈉基膨潤土為源土的含油污染土的液限隨含油量的增加而減小,塑限則呈相反的變化規(guī)律．柴油污染對塑限的影響明顯大于對液限的影響．以鈣基膨潤土和鈉基膨潤土為源土的含油污染土的塑性指數(shù)隨含油量的增加而減小,以天然沉積土為源土的含油污染土的塑性指數(shù)則呈相反的變化規(guī)律．

柴油污染土;含水量;揮發(fā)性;界限含水量;塑性指數(shù)

石油及其制品作為一種重要能源被大量使用．據(jù)不完全統(tǒng)計,全世界每天生產(chǎn)超過2×106t石油,而其中的10%在開采、煉制、運(yùn)輸及使用過程中拋灑或泄漏于環(huán)境中[1],對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染,且對土壤環(huán)境的污染尤為典型．例如,海灣戰(zhàn)爭中,由于大面積的油田遭受破壞,大量土地受到了石油污染[2]．

石油引起土體污染,造成環(huán)境破壞,對植物生長以及人類生存健康造成影響[3]的同時,也改變了土體的力學(xué)性狀[4-8]．原油污染降低了砂土的強(qiáng)度及其內(nèi)摩擦角,增大了土體壓縮性[4-5],降低了土體的滲透性[6]和地基承載力[7]．對于細(xì)粒土,掌握石油污染土的體物理性狀是明確石油污染對細(xì)粒土工程性狀影響的重要手段．大量的研究結(jié)果表明,界限含水量與細(xì)粒土力學(xué)性狀有著密切的聯(lián)系[8-12]．洪振舜等[8]分析了土體的壓縮性狀與液限及含水量的關(guān)系;Zeng等[9]建立了軟黏土變形分析方法;Shi等[10]分析了混合土的液限變化規(guī)律及其與強(qiáng)度的關(guān)系;Singh等[11]基于Skempton等[12]提出的土體壓縮指數(shù)與液限的相關(guān)關(guān)系式,導(dǎo)入石油烴污染液黏滯系數(shù),提出了石油污染土的壓縮指數(shù)經(jīng)驗關(guān)系式．

對于石油污染土的界限含水量,Khosravi等[13]通過試驗研究指出,高嶺土柴油污染后的液限隨著含油量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,塑限呈現(xiàn)單調(diào)降低的變化規(guī)律,但該研究中沒有考慮柴油揮發(fā)性對含水量測試的影響．Kermani 等[14]基于烘干過程中石油全部揮發(fā)的假定,提出烘干法中石油污染土含水量的計算方法．然而,Khamehchiyan等[5]研究發(fā)現(xiàn),石油在烘干過程中僅有部分會產(chǎn)生揮發(fā),烘干法計算含水量時需要同時考慮石油的揮發(fā)量和殘留量,基于此修正了含水量的計算方法,并得出了原油污染土的液限和塑限均隨原油含量增大而減小的變化規(guī)律．

本文以2種天然沉積土以及鈣基膨潤土、鈉基膨潤土為源土,配置具有不同柴油含量的污染土,研究了柴油污染土的油揮發(fā)量隨含油量的變化規(guī)律,并提出了土顆粒吸附作用引起的起始可揮發(fā)含油量概念．基于此,結(jié)合文獻(xiàn)[5]中的含水量計算公式,提出了同時考慮柴油揮發(fā)性和黏土礦物對柴油吸附作用的柴油污染黏土含水量計算方法,并研究了柴油污染對土體界限含水量的影響規(guī)律．

1 試樣及方案

1.1 源土

本試驗中采用了人工配置污染土的方法,所用源土取自江蘇省泰州市和福建省福州市未經(jīng)石油污染的天然沉積土,以及購買的鈣基膨潤土和鈉基膨潤土．通過XRD試驗分析出福州土和泰州土的主要黏土礦物成分為伊利石,膨潤土的主要黏土礦物成分為蒙脫石．表1為試驗用土的主要物理性狀指標(biāo)．液塑限試驗土樣采用干法過篩處理,將天然含水量土樣風(fēng)干,過0.5 mm篩后進(jìn)行液塑限試驗．液限測定采用碟式儀,塑限測定采用搓條法．圖1為所用4種源土的塑性圖．圖中,wL,IP分別為柴油污染土的液限和塑性指數(shù)．由圖可知,4種源土的塑性指數(shù)與液限的關(guān)系都位于黏土粉土分類線的上方,歸類于黏土．表1給出了福州土、鈣基膨潤土和鈉基膨潤土的自由膨脹率．由表可知,福州土為非膨脹性土,鈣基膨潤土為微弱膨脹性土,而鈉基膨潤土為強(qiáng)膨脹性土．

表1 源土試樣的物理性狀指標(biāo)

圖1 源土的塑性圖

1.2 試樣制備

本試驗中污染物選用中國石化公司的0#柴油,該柴油為典型揮發(fā)性有機(jī)污染物,密度為0.839 g/cm3,凝固點為-21 ℃,黏滯系數(shù)為3.56～4.05 MPa·s,流動性較好．根據(jù)土樣中添加水和污染物的順序不同,人工制備污染土可分為濕法和干法．為保證柴油與土顆粒能夠充分接觸,本文采用干法進(jìn)行柴油污染土制備．干土的制備與液塑限試樣制備的方法相同,風(fēng)干土過0.5 mm篩,按不同的柴油含量與干土配合比混合,通過攪拌使得柴油與土樣混合均勻．為防止柴油揮發(fā),攪拌均勻后用多層保鮮膜密封．Carter[15]研究發(fā)現(xiàn),干土與水混合后需1～2 d達(dá)到平衡,與油混合后則需5～7 d才能達(dá)到平衡．因此,本試驗中先加入油5 d后再加入蒸餾水平衡2 d,試驗共計7 d．

1.3 試驗方案

污染度定義為含油量,即污染物質(zhì)量相對于干土質(zhì)量的百分含量．Meegoda等[16]將含油量高于3%的土定義為危險污染物．Khamechchiyan等[5]指出,當(dāng)含量油高于16%時會有過量的油從土樣中流出．因此,本試驗選定的含油量為0%,4%,8%,12%．

在進(jìn)行界限含水量試驗之前,需要明確柴油污染土的烘干揮發(fā)性狀．首先,研究不同含油量對土中柴油烘干性狀的影響,配置目標(biāo)含油量為0%,4%,8%,12%的4種柴油污染土,設(shè)定含水量均為源土液限,油水平衡后進(jìn)行烘干試驗．為進(jìn)一步驗證不同含水量對柴油揮發(fā)量的影響,配置具有相同含油量(4%)的柴油污染土,并設(shè)定4種不同的目標(biāo)含水量(約為源土液限的0.7～1.5倍)．

2 黏土中柴油的烘干揮發(fā)率及其對含水量的影響

土體的含水量通常定義為土中孔隙水的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值,一般采用在105 ℃烘箱中進(jìn)行的烘干法．需要注意的是,當(dāng)土中混有一定質(zhì)量的柴油時,柴油與水不相溶,105 ℃時不但水分蒸發(fā),土中的柴油也會同時產(chǎn)生揮發(fā)．土力學(xué)中傳統(tǒng)的含水量計算方法未考慮土中柴油揮發(fā)的影響．Khamechchiyan等[5]基于土體含水量的定義,考慮揮發(fā)性污染物在土中的殘留率及其在烘干過程中的揮發(fā)量,推導(dǎo)出烘干法試驗中油污染土的含水量計算表達(dá)式為

(1)

式中,Wt為濕土質(zhì)量;Wd為105 ℃下烘干后的質(zhì)量;n為烘干前土中的含油量;m為烘干后土中油的殘留率,即烘干后土中的殘留含油量與烘干前土中含油量的比值,但文獻(xiàn)[5]中未對參數(shù)m進(jìn)行試驗驗證和說明．童玲[17]將式(1)改寫為

(2)

式中,k為土中油的揮發(fā)率,即烘干后土中油的揮發(fā)量與烘干前土中含油量的比值．

式(1)和(2)成立的前提條件為土中柴油的揮發(fā)量與含油量所構(gòu)成的直線過原點．

以泰州土、福州土、鈣基膨潤土和鈉基膨潤土為源土,配置含油量為0%,4%,8%,12%且含水量均為源土液限的土樣,通過烘干法測得的土中油揮發(fā)量與含油量的關(guān)系曲線如圖2所示．圖中,ne為土中油的揮發(fā)百分?jǐn)?shù),即土中柴油的揮發(fā)質(zhì)量與含油總質(zhì)量的比值；R2為相關(guān)系數(shù)．由圖可知,油的揮發(fā)量隨著含油量的增加呈線性增加的關(guān)系,但其關(guān)系式?jīng)]有經(jīng)過原點,說明在105 ℃高溫下,柴油污染土中仍然存在可揮發(fā)的起始含油量(即揮發(fā)量為0時相交于橫坐標(biāo)的含油量)．當(dāng)土中的含油量小于起始可揮發(fā)含油量時,土中柴油不會揮發(fā)．從圖中還可以看出,起始揮發(fā)含油量與源土性狀有關(guān),泰州土、福州土和鈣基膨潤土的起始揮發(fā)含油量約為3.33%,鈉基膨潤土約為6.58%．起始揮發(fā)含油量可以理解為黏土顆粒對油的吸附作用所致．文獻(xiàn)[18]指出,可以利用鈉基膨潤土對油類物質(zhì)的吸附作用進(jìn)行含油廢水處理．當(dāng)土中的含油量大于起始可揮發(fā)含油量后,柴油的揮發(fā)量與土中的含油量成正比,土中油的揮發(fā)量與含油量的關(guān)系可以表示為

ne=λ(n-ne0)

(3)

式中,ne0為土中油的起始揮發(fā)含油量;λ為比例常數(shù),反映了土中油的揮發(fā)量隨土中含油量增加而增大的關(guān)系,其值由兩者所成直線的斜率確定,并隨源土性質(zhì)的改變而變化．對于泰州土、福州土和鈣基膨潤土,λ=0.88;對于鈉基膨潤土,λ=0.69．

圖2 土中油的揮發(fā)量與含油量的關(guān)系曲線

基于本文提出的起始揮發(fā)含油量的概念,同時考慮黏土礦物吸附作用與柴油揮發(fā)性狀,對式(1)和(2)進(jìn)行修正得到

(4)

與式(1)、(2)相比,式(4)引入了起始揮發(fā)含油量ne0,因此在計算柴油污染土含水量時不僅考慮了柴油的揮發(fā)性,同時考慮了黏土對柴油的吸附作用．為了進(jìn)一步驗證式(4)能否考慮不同含水量對柴油揮發(fā)量的影響,對泰州土、鈣基膨潤土和鈉基膨潤土配置了相同含油量和不同含水量的污染土,進(jìn)行烘干試驗．利用式(4)對烘干試驗結(jié)果進(jìn)行分析,將得到的含水量wmea與實際設(shè)定的含水量wdes進(jìn)行比較,結(jié)果見圖3．由圖可見,利用式(4)可以計算出柴油污染土中水與干土的相對含量．

圖3 修正含水量計算結(jié)果與實配值的對比

3 柴油污染對土體的物理狀態(tài)指標(biāo)

3.1 界限含水量變化規(guī)律

利用式(4)可以計算得到含油污染土的液限和塑限．圖4給出了柴油污染土的液限與源土液限的比值隨著含油量的變化曲線．由圖可知,以福州土和泰州土為源土的含油污染土的液限隨著含油量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律,而以鈣基膨潤土和鈉基膨潤土為源土的含油污染土的液限則隨含油量的增加而減?。土啃∮?2%時,4種源土配置的柴油污染土的液限與源土液限的比值變化不大,在0.9～1.1范圍之內(nèi)．

圖5給出了柴油污染土塑限與源土塑限的比值隨著含油量的變化曲線．圖中,wP為柴油污染土的塑限．由圖可知,以福州土和泰州土為源土的含油污染土的塑限隨著含油量的增加呈先增大后減小的變化規(guī)律,而以鈣基膨潤土和鈉基膨潤土為源土的含油污染土塑限則隨含油量的增加而增大．柴油污染土的塑限與源土塑限的比值變化范圍比液限的變化范圍大．當(dāng)含油量為12%時,其值變化范圍為0.8～1.3．

3.2 塑性指數(shù)變化規(guī)律

圖6顯示了4種含油污染土的塑性指數(shù)與源土塑性指數(shù)比值的變化規(guī)律．由圖可知,以2種天然土作為源土得到的柴油污染土的塑性指數(shù)均隨著含油量的增加而增大，且以泰州土為源土的含油污染土的增加幅度更大,當(dāng)含油量為12%時,其塑性指數(shù)為源土的1.4倍．以鈉基膨潤土和鈣基膨潤土為源土的含油污染土的塑性指數(shù)均隨著含油量的增大而減小，且以鈣基膨潤土為源土的含油污染土的減小趨勢更為明顯,當(dāng)含油量為12%時,其塑性指數(shù)為源土的0.5倍．文獻(xiàn)[19-20]指出,土體的界限含水量決定于土體固相和液相之間的相互作用力,而液相雙電層的厚度則決定了這一作用的強(qiáng)弱．因此,柴油加入對不同土體液塑限的改變可以歸結(jié)于柴油對土體液相雙電層厚度的影響．

圖4 柴油污染土液限與源土液限比值隨含油量的變化曲線

圖5 柴油污染土塑限與源土塑限比值隨含油量的變化曲線

圖6 柴油污染土塑性指數(shù)與源土塑性指數(shù)比值隨含油量的變化曲線

對于以鈣基膨潤土為源土的含油污染土,隨著含油量的增大,液限和塑性指數(shù)減小,從而造成不同含油量的鈣基膨潤土在塑性圖中的位置發(fā)生明顯變化(見圖7)．源土的塑性指數(shù)與液限的關(guān)系位于黏土粉土分類線上方,該柴油污染土歸為黏土;參入柴油后位卻于黏土粉土分類線下方,該柴油污染土則歸為粉土．而對于以2種天然沉積土和鈉基膨潤土為源土的柴油污染土的土性分類則沒有發(fā)生明顯變化．

圖7 不同含油量鈣基膨潤土在塑性圖中的位置

4 結(jié)論

1) 采用烘干法測定柴油污染土含水量時,鑒于黏土礦物的吸附作用,土中的柴油存在起始可揮發(fā)含油量,土中含油量需要大于起始可揮發(fā)含油量才會產(chǎn)生揮發(fā),之后揮發(fā)量與土中含油量成正比,進(jìn)而提出了同時考慮黏土礦物對柴油吸附作用與柴油揮發(fā)性的柴油污染土含水量計算方法．

2) 以2種伊利石為主要黏土礦物成分的天然沉積土(泰州土和福州土)為源土所配置的柴油污染土的液限隨含油量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,而以鈉基膨潤土和鈣基膨潤土為源土的柴油污染土均隨著含油量的增加呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢,試驗所得柴油污染土液限變化范圍為源土的0.9～1.1倍．

3) 柴油含量對土體塑性指數(shù)的影響規(guī)律更為明顯,以泰州土和福州土為源土的柴油污染土塑性指數(shù)均隨著含油量的增加而增大,而以2種膨潤土為源土的塑性指數(shù)均隨著柴油量的增加而減小,試驗所得柴油污染土塑性指數(shù)變化范圍為源土塑性指數(shù)的0.5～1.4倍,加入柴油后鈣基膨潤土由黏土變?yōu)榉弁粒?/p>

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Calculation method for water content of diesel oil contaminated soils and changing laws in Atterberg limit

Zeng Lingling1Zhou Mengxue2Wang Gang1Liu Songyu3Hong Zhenshun3

(1College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)(2Junhe Real Estate Appraisal & Consultant Co., Ltd., Xiamen 361004, China)(3Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

By taking two natural clays and two clay minerals of calcium bentonite and sodium bentonite as the source of soil, the diesel oil contaminated soils with different contents of diesel oil and different water contents were prepared. The tests for the water contents and the Atterberg limits of the diesel oil contaminated soils were performed. A new concept was proposed for describing the initially volatile contents of the diesel oil contaminated soils, and a new calculation method for the water contents of the diesel oil contaminated soils was described by considering both the volatility of diesel oil and the adsorption of diesel oil by clay particles. The results that show the liquid limits and the plastic limits of the diesel oil contaminated soils prepared with original natural clays increase firstly and then decrease with the increase of the content of diesel oil. The liquid limits of the diesel oil contaminated soils prepared with two clay minerals of calcium bentonite and sodium bentonite decrease monotonously with the increase of the content of diesel oil, but contrary trends are found for the plastic limits. The influence of diesel oil on the plastic limits is obviously greater than that on the liquid limits. In addition, the plasticity indices of the diesel oil contaminated soils prepared with two clay minerals of calcium bentonite and sodium bentonite decrease monotonously with the increase of the content of diesel oil, but contrary changing laws are found for the diesel oil contaminated soils prepared with natural clays.

diesel oil contaminated soils; water content; volatility; Atterberg limit; plasticity index

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.028

2016-07-06. 作者簡介: 曾玲玲(1983—)，女，博士，副教授，linglz413@126.com.

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(41330641)、福建省杰出青年科學(xué)基金資助項目(2016J06010).

曾玲玲,周夢學(xué),王鋼,等.柴油污染土的含水量計算方法與界限含水量變化規(guī)律[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(6):1278-1283.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.028.

TU411

A

1001-0505(2016)06-1278-06