凍融循環(huán)對(duì)不同固化鉛污染土抗剪指標(biāo)的影響

李曉磊，李登華，楊忠平

（重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，重金屬污染問題已經(jīng)引起社會(huì)各界的高度重視。許多高污染風(fēng)險(xiǎn)的企業(yè)搬遷或關(guān)停后，遺留下來大量的重金屬污染土場(chǎng)地，遺留場(chǎng)地中的重金屬含量高于環(huán)境背景值的幾十倍甚至數(shù)百倍[1]。一方面，受污染場(chǎng)地中的重金屬污染物會(huì)在雨水及土壤侵蝕作用下對(duì)下層土層及地下水造成污染；另一方面，土壤中的重金屬離子會(huì)影響土顆粒間的膠結(jié)作用，改變土體結(jié)構(gòu)，使受污染土的工程力學(xué)特性發(fā)生顯著變化[2]。因此，土壤的重金屬污染已然成為備受關(guān)注的公共安全問題之一。

針對(duì)土壤重金屬污染問題，國(guó)內(nèi)外常用水泥、石灰、粉煤灰等固化劑修復(fù)受到重金屬污染的土壤。但是，外部營(yíng)力會(huì)使修復(fù)土樣中的重金屬污染物處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其中土壤溫變作為一種外部營(yíng)力將對(duì)重金屬污染物的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。部分學(xué)者在其研究中指出了一些可供探索的方向：修復(fù)土樣的強(qiáng)度與污染物穩(wěn)定性相關(guān)，即可以通過探究修復(fù)土樣的強(qiáng)度指標(biāo)來反映修復(fù)后污染物的穩(wěn)定性[3]。我國(guó)幅員遼闊，擁有廣泛的長(zhǎng)期處于凍融循環(huán)狀態(tài)的季凍區(qū)。因此，開展凍融循環(huán)作用對(duì)固化改性高濃度重金屬污染土工程特性劣化效應(yīng)的研究具有重要意義。

在這一背景下，本文探討了不同凍融循環(huán)下三類固化鉛污染土的抗剪指標(biāo)的變化規(guī)律，得到了凍融循環(huán)對(duì)三類固化劑固化重金屬鉛（Pb）污染土工程特性的劣化情況以及三類固化劑在抵抗凍融循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)度劣化作用時(shí)的特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原狀土的基本物理性質(zhì)

采用在重慶市某高速路場(chǎng)地取得的粘性土作為本試驗(yàn)用土，顏色為紅褐色。將土樣進(jìn)行烘干并去除烘干后土體中的雜質(zhì)。為獲得較均勻土粒，碾碎土樣并用1mm篩對(duì)土樣進(jìn)行篩分，得到篩下土待用。

為得到土樣基本物理性質(zhì)參數(shù)，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）[4]，對(duì)處理后的土樣進(jìn)行常規(guī)土工試驗(yàn)，得到：土樣顆粒級(jí)配特征；土樣液限為28.6%，塑限為16.7%，確定其為低液限黏土；土樣的峰值密度為1.842g/cm3，最優(yōu)含水率是13.65%。

綜上所述，試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 原狀土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.1.2重金屬污染物及固化劑

鑒于硝酸根離子的高溶解度（高陽(yáng)離子活動(dòng)性）及其對(duì)固化反應(yīng)過程的干擾較小[5]，所以采用硝酸鉛Pb(NO3)2為重金屬污染源。

試驗(yàn)使用水泥、石灰、粉煤灰三類固化劑對(duì)鉛污染土進(jìn)行固化修復(fù)。水泥為普通硅酸鹽水泥（OPC325）；粉煤灰取自重慶電廠（二級(jí)）；生石灰主要成分為氧化鈣（分析純）；主要成分如表2所示。為消除水中離子的影響，試驗(yàn)中使用了去離子水。

表2 固化劑礦物組成及相對(duì)含量

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在于探究短期凍融循環(huán)對(duì)三類固化鉛污染土抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)以直剪（快剪）試驗(yàn)結(jié)果作為土樣抗剪指標(biāo)。試驗(yàn)方案如表3所示。

其中，試樣含水量采用最優(yōu)含水量的120%?！癈2.5”、“S2.5”、“F2.5”和“Pb1” 、 “Pb0”分別代表對(duì)應(yīng)土樣中水泥、石灰、粉煤灰和鉛離子添加量為干土質(zhì)量的2.5%和1%、0%（未受污染土樣）。

表3 試驗(yàn)方案

1.2.2 試件制備與養(yǎng)護(hù)

根據(jù)試驗(yàn)方案，每組需4個(gè)直剪（環(huán)刀）試樣（圖1）。稱取一定質(zhì)量的處理后的干土，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案中各土樣對(duì)應(yīng)鉛離子濃度和最優(yōu)含水量的120%稱取所需的硝酸鉛（Pb2(NO3)2）和去離子水，攪拌均勻，得到對(duì)應(yīng)硝酸鉛溶液。將不同硝酸鉛溶液與干土攪拌均勻，包裹好后，放在保濕器中悶養(yǎng)24h。

圖1 制成的試驗(yàn)用環(huán)刀樣

土樣完成悶養(yǎng)后，稱取所需的水泥、石灰、粉煤灰并與土拌合。為防水分揮發(fā)和固化劑水化吸水降低土樣含水率，要補(bǔ)加5mL去離子水，立即將拌合均勻的土樣按干土最大密度的95%制成環(huán)刀樣，并使用保鮮膜包裹。環(huán)刀樣的直徑為61.8mm，高為20mm。最后將土樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)的天數(shù)（28d）。

1.3 試驗(yàn)儀器

凍融循環(huán)在重慶大學(xué)高低溫交變?cè)囼?yàn)箱中進(jìn)行模擬。土樣在重慶大學(xué)高低溫交變?cè)囼?yàn)箱中凍透，所需時(shí)間為1.5h[6]，與單次凍融循環(huán)下環(huán)境溫變所需時(shí)間接近，說明試件能在溫變箱內(nèi)完成預(yù)定溫變。將養(yǎng)護(hù)好的土樣放入重慶大學(xué)高低溫交變?cè)囼?yàn)箱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，如圖2所示。單次凍融循環(huán)如圖3所示。

抗剪指標(biāo)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行量測(cè)（快剪）。直剪試驗(yàn)過程嚴(yán)格參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）進(jìn)行。

圖2 高低溫交變?cè)囼?yàn)箱

圖3 單次凍融循環(huán)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三類固化劑對(duì)鉛污染土抗剪指標(biāo)的影響

圖4是經(jīng)過三類固化處理的鉛污染土無凍融循環(huán)時(shí)內(nèi)摩擦角的變化情況。由圖可知鉛離子會(huì)降低土樣內(nèi)摩擦角；固化劑會(huì)使鉛污染土的內(nèi)摩擦角增大，但增幅不大。

圖5是經(jīng)過三類固化處理的鉛污染土無凍融循環(huán)時(shí)粘聚力的變化情況。顯然，鉛離子會(huì)降低土樣粘聚力；三類固化劑都會(huì)大幅改善鉛污染土的粘聚力。

綜上兩圖，水泥固化劑對(duì)內(nèi)摩擦角的增加效果最明顯，石灰固化劑次之，粉煤灰固化劑效果最差。而石灰固化劑對(duì)粘聚力的提高效果最顯著，水泥固化劑次之，粉煤灰固化劑效果最差。

圖4 無凍融時(shí)不同固化鉛污染土的內(nèi)摩擦角

圖5 無凍融時(shí)不同固化鉛污染土的粘聚力

總體來說，三類固化劑的加入均能使鉛污染土的抗剪指標(biāo)得到提高，但增幅不盡相同，這與各種固化劑修復(fù)鉛污染土的機(jī)理有關(guān)。

水泥接觸鉛污染土后，水泥會(huì)馬上進(jìn)行水化反應(yīng)。水化反應(yīng)生成的C-S-H凝膠體能夠有效吸附土樣中的鉛污染物，并使土樣中相對(duì)散碎的土顆粒膠結(jié)在一起，形成體積更大的土顆粒。水泥大幅改善土樣粘聚力的同時(shí)使土樣的內(nèi)摩擦角也得到一定的提高，以此增加土樣抗剪強(qiáng)度來抵抗凍融作用對(duì)土強(qiáng)度的劣化效應(yīng)。

石灰固化劑也會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的凝膠體。這些凝膠體常常攜帶電荷，這使得本身帶電的土顆粒由于靜電力作用而聚合在一起，土樣粘聚力得到提高，并以此來抵抗凍融作用的劣化效應(yīng)。

粉煤灰固化劑往往在堿性環(huán)境中才能充分發(fā)揮作用。由于其會(huì)發(fā)生一定程度的水化反應(yīng)且含有較多的礦物，這使得粉煤灰會(huì)使鉛離子沉淀成Pb2SiO4，固化鉛離子。粉煤灰固化劑作用下土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角都會(huì)適當(dāng)提高，以此來抵抗凍融循環(huán)對(duì)土體的劣化作用。

2.2 凍融循環(huán)對(duì)三類固化劑固化鉛污染土內(nèi)摩擦角的影響

不同凍融循環(huán)下三類固化鉛污染土和未固化鉛污染土的內(nèi)摩擦角變化情況如圖6所示。

圖6 不同凍融循環(huán)下經(jīng)固化和未固化鉛污染土的內(nèi)摩擦角

從上圖可得如下信息：

①未固化的鉛污染土樣的內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低；

②水泥固化鉛污染土在凍融循環(huán)下內(nèi)摩擦角總體呈下降趨勢(shì)，但在3次凍融循環(huán)時(shí)略有上升；

③石灰固化鉛污染土樣的內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)增加總體呈下降趨勢(shì)，但略有波動(dòng)；

④粉煤灰固化鉛污染土樣內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)增加而呈明顯下降趨勢(shì)。

分析圖中信息，可以知道：水泥水化時(shí)產(chǎn)生的C-S-H凝膠能夠有效吸附固化鉛離子，從而可以較好地抵抗凍融循環(huán)給土樣內(nèi)摩擦角帶來的劣化作用；石灰經(jīng)過一系列長(zhǎng)期和短期的反應(yīng)，產(chǎn)生了帶電凝膠體，能夠抵抗凍融循環(huán)給土樣內(nèi)摩擦角帶來的劣化作用，但效果不如水泥固化劑穩(wěn)定；由于缺乏堿性環(huán)境，粉煤灰無法有效抵抗凍融循環(huán)給土樣內(nèi)摩擦角帶來的劣化。

2.3 凍融循環(huán)對(duì)三類固化劑固化鉛污染土粘聚力的影響

不同凍融循環(huán)下三類固化鉛污染土和未固化鉛污染土的粘聚力變化情況如圖7所示。

圖7 不同凍融循環(huán)下經(jīng)固化和未固化鉛污染土的粘聚力

從上圖可得如下信息：

①未固化的鉛污染土樣粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低；

②水泥固化鉛污染土在凍融循環(huán)下土樣的粘聚力雖有波動(dòng)，但總體呈下降趨勢(shì)；

③石灰固化鉛污染土樣的粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加總體呈下降趨勢(shì)，但最低粘聚力仍高于水泥固化劑固化土樣；

④對(duì)粉煤灰固化鉛污染土而言，最初的幾次凍融循環(huán)對(duì)土樣粘聚力影響較大，隨著凍融循環(huán)的增加，刺激了粉煤灰水化，使得粘聚力略有提高。

分析圖中信息，可知：凍融循環(huán)會(huì)顯著降低水泥固化劑固化土樣的粘聚力；石灰固化劑能較大地提高固化土樣的粘聚力，且效果優(yōu)于水泥固化劑，但提高效果不穩(wěn)定；粉煤灰處理土樣的粘聚力有波動(dòng)且固化效果不如另兩種修復(fù)土樣，這是由于粉煤灰在反應(yīng)開始后產(chǎn)生Pb2SiO4，水化速度降低，隨時(shí)間的推移，水化程度逐步提升，土樣粘聚力表現(xiàn)出先降低后有所提高的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）三類固化劑均可大幅提高土樣的抗剪指標(biāo)，但增幅不同：水泥固化劑對(duì)內(nèi)摩擦角提高效果最好，石灰次之，粉煤灰最差。水泥和石灰固化劑會(huì)使土樣的粘聚力得到大幅提高，而粉煤灰對(duì)土樣粘聚力的提高效果不及水泥和石灰。

（2）凍融循環(huán)會(huì)劣化修復(fù)土樣的抗剪指標(biāo)：粉煤灰固化土樣的內(nèi)摩擦角劣化效應(yīng)最明顯，水泥和石灰固化土樣的內(nèi)摩擦角劣化效應(yīng)不明顯；水泥和石灰修復(fù)土樣的粘聚力出現(xiàn)了明顯下降，粉煤灰修復(fù)土樣的粘聚力較為穩(wěn)定。

（3）水泥的添加能有效抵抗凍融循環(huán)對(duì)內(nèi)摩擦角的劣化效果；石灰的添加則能有效抵抗凍融循環(huán)對(duì)粘聚力的劣化效果。