水泥-粉煤灰-脫硫石膏固化鉛污染土強(qiáng)度特性及預(yù)測(cè)方法

崔進(jìn)楊，王 強(qiáng)，宮保聚，姚韋靖

（1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001；2.中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司，湖北襄陽(yáng) 441104）

1 研究背景

土的重金屬污染具有極強(qiáng)的毒性、復(fù)雜性、持久性、隱蔽性和不可逆性，目前重金屬污染土的修復(fù)已成為一個(gè)迫待解決的問(wèn)題與國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者在污染土修復(fù)方面做了許多研究：如Geelhoed等［1］和 Meegoda［2］將水泥、硅土、石灰與礦渣固化劑用于鎘、鉛、鉻等污染土壤的固化修復(fù)；Lee等［3］發(fā)現(xiàn)鋅離子和鉛離子會(huì)使水泥基材料的強(qiáng)度降低；Yin等［4］試驗(yàn)得出高濃度的重金屬離子以及有機(jī)質(zhì)含量對(duì)固化劑的水化反應(yīng)和試樣初期強(qiáng)度沒(méi)有明顯阻礙。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究：杜延軍等［5］、席永慧等［6］、查甫生等［7］對(duì)水泥、石灰固化穩(wěn)定鋅、鉛、鎘等重金屬污染土的力學(xué)特性進(jìn)行研究；魏明俐等［8］在凍融循環(huán)條件下對(duì)含磷材料（KMP）固化穩(wěn)定鋅、鉛污染土的強(qiáng)度與溶出特性進(jìn)行試驗(yàn)研究；張亭亭等［9-10］采用磷酸鎂水泥對(duì)鉛污染土進(jìn)行固化處理，分析各因素對(duì)試樣力學(xué)特性與微觀機(jī)制的影響規(guī)律；劉玲等［11］采用熟石灰與高爐礦渣對(duì)鎘、鉻污染土進(jìn)行固化處理，研究其工程可行性；林傲然等［12］采用6種固化劑固化處理鉛污染土，研究不同固化劑對(duì)鉛污染土的固化效果。

水泥能有效固化穩(wěn)定鉛污染土，被激活的粉煤灰可與水泥進(jìn)行二次水化反應(yīng)形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠體來(lái)固化鉛污染土；脫硫石膏可作為水泥、粉煤灰的堿性激發(fā)劑，增強(qiáng)水泥、粉煤灰的固化效果。展開(kāi)對(duì)水泥、粉煤灰與脫硫石膏固化穩(wěn)定鉛污染土強(qiáng)度特性的研究是很有必要的。

本文以水泥、粉煤灰與脫硫石膏三者混合形成的一種新固化劑（CFG）固化穩(wěn)定后的鉛污染土為研究對(duì)象，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析固化污染土的強(qiáng)度特性與各因素的影響，并對(duì)土體強(qiáng)度進(jìn)行了基于齡期、CFG摻量的強(qiáng)度預(yù)測(cè)，研究水泥、粉煤灰與脫硫石膏三者混合修復(fù)鉛污染土的可行性。

2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自淮南某施工現(xiàn)場(chǎng)表層土，主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，其塑性指數(shù)為7.9%。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）定義該土樣為粉土。將土樣風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩，制成試驗(yàn)土粉。由XRD衍射圖譜分析得出土樣化學(xué)成分以SiO2為主，Al2O3與 Fe2O3次之。

表1 試驗(yàn)土物理力學(xué)特性Table 1 Physical and mechanical properties of test soil

試驗(yàn)水泥為淮南八公山產(chǎn)P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)用水為當(dāng)?shù)刈詠?lái)水；試驗(yàn)所用鉛污染土為實(shí)驗(yàn)室配置而成，Pb2+由硝酸鉛 Pb（NO3）2提供，由于其在水中有很高的溶解度，硝酸鉛的純度為99.9%；試驗(yàn)所用脫硫石膏和粉煤灰都取自淮南平圩發(fā)電廠，其化學(xué)成分（質(zhì)量百分含量）見(jiàn)表2。

表2 脫硫石膏與粉煤灰化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of desulfurized gypsum and flyash %

2.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用固化劑為水泥、粉煤灰與脫硫石膏按比例混合形成的一種新型復(fù)合膠凝材料（CFG），水泥、粉煤灰與脫硫石膏質(zhì)量之比為5∶3∶2。

采取正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［13］，設(shè)計(jì) 2個(gè)變量。一是Pb2+濃度，下文簡(jiǎn)寫(xiě)為因素A，試驗(yàn)變量Pb2+濃度設(shè)計(jì)為0.1%，0.5%，1.5%，簡(jiǎn)寫(xiě)為Pb0.1，Pb0.5，Pb1.5；二是CFG摻量，下文簡(jiǎn)寫(xiě)為因素B，試驗(yàn)變量CFG摻量設(shè)計(jì)為 10%，15%，20%，簡(jiǎn)寫(xiě)為 CFG10，CFG15，CFG20。

試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)參照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ／T 233—2011），試驗(yàn)方案見(jiàn)表 3。

表3 試樣設(shè)計(jì)方案Table 3 Plan of sample design

2.3 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

根據(jù)表3設(shè)計(jì)方案，共設(shè)計(jì)9組正交試驗(yàn)，試樣的養(yǎng)護(hù)齡期分別為 3，7，14，28 d，共 4個(gè)齡期。

按設(shè)計(jì)好的配合比把風(fēng)干碾碎的土、水泥、粉煤灰、脫硫石膏、水與硝酸鉛進(jìn)行稱(chēng)重與拌制，拌制均勻后分3層裝入直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱形模具，將完成的試樣密封放置在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)溫度為（20±3）℃，相對(duì)濕度 95%），養(yǎng)護(hù) 24～48 h后脫模，將脫模后的試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將制作好的9組試樣在養(yǎng)護(hù)3，7，14，28 d時(shí)分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用WDW-500微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50123—1999）執(zhí)行。試驗(yàn)誤差控制：試驗(yàn)中每一組有6個(gè)試樣，強(qiáng)度取該組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，精確至0.001 MPa，如果6個(gè)試樣所測(cè)強(qiáng)度的最大或最小值與該組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值之差超過(guò)20%，則取中間4個(gè)試件強(qiáng)度的平均值作為該組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果Table 4 Results of unconfined compressive strength

3.2 結(jié)果分析

采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究分析齡期、鉛離子濃度、CFG摻量對(duì)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

3.2.1 直觀分析

由表4可得無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系，如圖1所示。由圖1可知：

（1）試樣強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而提高，前期強(qiáng)度提高較快，后期強(qiáng)度提升較緩慢，這是由于水泥、粉煤灰、脫硫石膏等材料在養(yǎng)護(hù)前期會(huì)發(fā)生較激烈的水化反應(yīng)，試樣強(qiáng)度會(huì)有較大的提升，養(yǎng)護(hù)中后期材料水化反應(yīng)趨于平緩。

（2）試樣強(qiáng)度隨著鉛離子濃度增加而降低，可見(jiàn)鉛離子會(huì)阻礙水化反應(yīng)，影響土體強(qiáng)度的提高。

（3）試樣強(qiáng)度隨CFG摻量的增加而提高。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig．1 Relationship between unconfined compressive strength and age

3.2.2 極差分析

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到試樣不同齡期抗壓強(qiáng)度在不同因素影響下的極差R值，見(jiàn)表5，表中k1，k2，k3為極差分析中的統(tǒng)計(jì)量。對(duì)表5分析可知：

（1）Pb2+濃度與CFG摻量的極差R隨齡期增加而增加，說(shuō)明其對(duì)土體強(qiáng)度的影響一直在提高。

（2）在齡期為3 d和7 d時(shí) Pb2+濃度影響比CFG摻量影響作用大，Pb2+濃度為主要影響因素，但在14 d和28 d時(shí)CFG摻量對(duì)土體強(qiáng)度的影響比Pb2+濃度大，CFG摻量為主要因素。

試驗(yàn)前期，Pb2+濃度對(duì)土體強(qiáng)度的影響較CFG摻量大，是由于前期Pb2+使CFG固化污染土的水化反應(yīng)受阻，對(duì)土體強(qiáng)度的提高影響很大，但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加CFG摻量成主要影響因素。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋孩偻馏w強(qiáng)度主要控制因素是土的基本物質(zhì)組成、顆粒間的膠結(jié)作用與土體的微結(jié)構(gòu)特征；②試驗(yàn)土樣是粉土，黏粒含量較低，土顆粒與Pb2+之間的物理化學(xué)反應(yīng)程度不高，Pb2+對(duì)土體強(qiáng)度的作用相較于CFG摻量的影響十分有限［14］。

3.2.3 方差分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到試樣抗壓強(qiáng)度在不同齡期和不同因素影響下F值，判斷其顯著性，見(jiàn)表6。

由表6分析可知，Pb2+濃度與CFG摻量對(duì)土體強(qiáng)度的影響的顯著性隨齡期增加而上升，3 d和7 d為顯著，到14 d和28 d為特別顯著，早期顯著性不高是由于早期土體強(qiáng)度的提高很大程度上會(huì)受齡期的影響；從顯著性等級(jí)來(lái)看，Pb2+濃度與CFG摻量對(duì)土體強(qiáng)度的影響都很大，尤其是養(yǎng)護(hù)后期影響特別顯著，這與上文的極差分析結(jié)果具有一致性。

表5 極差分析結(jié)果Table 5 Result of range analysis

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Result of variance analysis

試驗(yàn)前期（3 d和7 d），Pb2+濃度對(duì)土體強(qiáng)度影響的顯著性比 CFG摻量大，但隨著齡期的增加（14 d和28 d），CFG摻量對(duì)土體強(qiáng)度影響的顯著性比Pb2+濃度大，與上文的極差分析結(jié)果具有一致性，原因也一樣。

CFG摻量對(duì)土體強(qiáng)度影響的顯著性隨齡期變化，F(xiàn)值分別為 7.465，11.78，80.949，137.696。可看出，CFG摻量的顯著性在前期不是很高，但中后期（14 d和28 d）土體強(qiáng)度受CFG摻量影響的顯著性快速提高。

由上面分析可知，方差分析與極差分析結(jié)果具有一致性。

4 強(qiáng)度預(yù)測(cè)

4.1 基于齡期的強(qiáng)度預(yù)測(cè)

在其他條件相同時(shí)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期大致呈線性關(guān)系［15］，用某一養(yǎng)護(hù)齡期 t0（3，7，14，28 d）時(shí)9組試驗(yàn)的已知試樣強(qiáng)度qu，t0來(lái)預(yù)測(cè)未知養(yǎng)護(hù)齡期t時(shí)9組試驗(yàn)試樣的強(qiáng)度qu，t，其預(yù)測(cè)公式為

式中：qu，t為待預(yù)測(cè)的 t齡期時(shí)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；qu，t0為已知的 t0齡期土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；At為預(yù)測(cè)系數(shù)，A3，A7，A14，A28分別表示齡期為 3，7，14，28 d的預(yù)測(cè)系數(shù)。

本文進(jìn)行類(lèi)似分析，擬合結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可以看出，對(duì)于不同的齡期t0，At與時(shí)間t相關(guān)，現(xiàn)對(duì)某一齡期t0下不同齡期t的預(yù)測(cè)系數(shù)進(jìn)行分析，如圖2。

圖2 預(yù)測(cè)系數(shù)At與齡期t的關(guān)系Fig．2 Relation between prediction coefficient At and age t

根據(jù)圖2，At隨齡期t的變化規(guī)律可以用冪函數(shù)擬合，即

式中a，b為擬合參數(shù)。

由圖2的散點(diǎn)圖擬合得到表8。

表8 采用冪函數(shù)擬合的At的擬合參數(shù)Table 8 Fitting parameters of a，b to At by power function

表7 按式（1）所得的At擬合結(jié)果Table 7 Fitted values of At by equation（1）

由表8可以看出，b值的變化很小，取平均值為0.558；a變化很大且主要與齡期t0有關(guān)，參數(shù)a與t0的關(guān)系用冪函數(shù)擬合，得到 a＝1．008t0-0．567，R2＝0.998。此時(shí)式（2）中參數(shù) a，b都已得到，將 a，b值直接代入式（2），可得 At為

把式（3）代入式（1）得到CFG固化鉛污染土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式為

式（4）適用于CFG固化劑摻量為10%，15%，20%且Pb2+濃度為0.1%，0.5%，1.5%的土體強(qiáng)度預(yù)測(cè)，適用齡期為3～28 d。

實(shí)際工程中更傾向使用齡期為7 d和28 d的強(qiáng)度來(lái)預(yù)測(cè)其他任意齡期強(qiáng)度，根據(jù)7 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度預(yù)測(cè)齡期為t的強(qiáng)度公式分別為：

式中 qu，7，qu，28分別為 7，28 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

4.2 基于CFG摻量的強(qiáng)度預(yù)測(cè)

已有研究表明，在其他條件相同的前提下，2個(gè)不同水泥摻入比水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值與水泥摻入比呈冪函數(shù)關(guān)系［15］。本文進(jìn)行類(lèi)似分析，考慮鉛離子濃度WPb、CFG摻量、養(yǎng)護(hù)齡期變化的情況。CFG摻入比與強(qiáng)度比的關(guān)系如圖3所示。圖3中，橫坐標(biāo)aw／a15表示CFG摻量（10%，15%，20%）與某一確定 CFG摻量（15%）的比值，縱坐標(biāo)qu，aw／qu，a15表示對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比。

圖3 CFG摻量比與水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比的關(guān)系Fig．3 Relationship between CFG mixing ratio and cement strength ratio

由圖3可知，在不同鉛離子濃度WPb下，aw／a15與 qu，aw／qu，a15關(guān)系可用冪函數(shù)擬合，即

式中：aw／ak為CFG摻量aw與某一特定CFG摻量ak的比值；qu，aw／qu，ak為 CFG摻量 aw下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與某一特定CFG摻量ak下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值；c與d為擬合參數(shù)。

CFG摻量為10%和20%情況下，存在類(lèi)似規(guī)律。使用式（7）進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 不同Pb2+濃度下CFG摻量比與強(qiáng)度比擬合公式的參數(shù)Table 9 Parameters of fitting formula of CFG dosage ratio and strength ratio in the presence of different lead ion concentrations

由表9可知，擬合參數(shù)c近似為一個(gè)常數(shù)，基本不會(huì)隨Pb2+濃度與CFG摻量而變化，近似取c為1。

由表9還可以看出，當(dāng) Pb2+濃度 WPb相同且CFG摻量不同時(shí)，d變化較小；當(dāng)CFG摻量相同且Pb2+濃度WPb不同時(shí)，d會(huì)發(fā)生較大變化。這說(shuō)明WPb對(duì)試樣的強(qiáng)度確有影響，且d可反映出這種影響。分析d與WPb的變化趨勢(shì)，不同CFG摻量下，d與WPb存在指數(shù)關(guān)系?？汕蟮肳Pb與d的關(guān)系為

將式（8）代入式（7）得

式（9）適用于28 d齡期內(nèi)任意齡期的水泥-粉煤灰-脫硫石膏固化鉛污染土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)。

在實(shí)際工程中鉛離子濃度一般不會(huì)＞1%、固化劑摻量不高，鑒于此，取ak＝10%，得到強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式為

5 結(jié) 論

本試驗(yàn)采用水泥、粉煤灰、脫硫石膏混合形成的固化劑（CFG）對(duì)鉛污染土進(jìn)行固化處理，基于正交試驗(yàn)分析方法與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究養(yǎng)護(hù)齡期、鉛離子濃度、CFG摻量對(duì)土體強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

（1）土體強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而提高，前期強(qiáng)度提高較快，后期強(qiáng)度提升較緩慢。

（2）Pb2+濃度與CFG摻量對(duì)土體強(qiáng)度的影響在前期（3 d和7 d）為顯著，在中后期（14 d和28 d）為特別顯著。前期（3 d和7 d）Pb2+濃度對(duì)土體強(qiáng)度影響的顯著性比CFG摻量大，但隨著齡期的增加（14 d和28 d），CFG摻量對(duì)土體強(qiáng)度影響的顯著性比Pb2+濃度大。

（3）給出2種土體強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式，一是基于齡期的強(qiáng)度預(yù)測(cè)，公式為 qu，t＝ 1．008t-0．5670t0．558qu，t0，適用于CFG摻量為10%，15%，20%與Pb2+濃度為0.1%，0.5%，1.5%的土體強(qiáng)度預(yù)測(cè)，適用齡期為3～28 d；一是基于CFG摻量的強(qiáng)度預(yù)測(cè)，公式為，適用于28 d齡期內(nèi)任意相同齡期固化鉛污染土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)。