水泥固化鋅污染土壓縮特性影響因素分析

戴元志，馮中華，范成文

(1. 江蘇河海工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210098；2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3. 建華建材科技（淮安）有限公司，江蘇 淮安 223200)

隨著工業(yè)水平的飛速發(fā)展，土體的重金屬污染與水體污染、大氣污染以及固體廢棄物污染一樣變得越發(fā)嚴(yán)重。受到污染的土體會使地下結(jié)構(gòu)被重金屬離子間接侵蝕，嚴(yán)重影響地下結(jié)構(gòu)的使用壽命、結(jié)構(gòu)安全及耐久性[1]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：多種廢棄物與水泥材料的兼容性良好，水泥能夠與大部分液相廢棄物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的水泥固化體滲透性低、力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)較好，能有效避免污染物擴散[2-3]。目前，針對水泥固化污染土的工程特性已經(jīng)開展了許多研究，國外相關(guān)學(xué)者[4]通過人工制備的酸堿污染土，研究了土體在不同濃度酸堿污染前后的壓縮性質(zhì)變化，隨著污染濃度的增加，酸堿污染土的壓縮系數(shù)增大，回彈指數(shù)也增大。杜延軍等[5]以水泥固化鋅污染高嶺土為研究對象，通過無側(cè)限抗壓試驗得到變形模量隨鋅離子質(zhì)量分數(shù)增大而減小的結(jié)論。魏明俐等[6]對水泥固化/穩(wěn)定鋅污染黏土的無側(cè)限抗壓強度進行試驗研究，認為鋅離子質(zhì)量分數(shù)對水泥固化污染黏土變形模量的影響存在“臨界質(zhì)量分數(shù)”。廖朱瑋[7]在研究鎘污染黏土水泥固封機理的同時，通過固結(jié)試驗得到經(jīng)水泥固化后的鎘污染黏土壓縮系數(shù)隨水泥摻量的增加而逐漸降低的結(jié)論。由此可知，目前主要從人工配備重金屬污染土對水泥固化污染土壓縮特性進行研究，僅僅從定性或單一變量來分析土體性質(zhì)，未綜合考慮水泥摻量、鋅離子質(zhì)量分數(shù)和養(yǎng)護溫度等因素的影響規(guī)律。

本文采用人工配制的鋅污染土，通過控制不同鋅離子質(zhì)量分數(shù)、水泥摻量及養(yǎng)護溫度，以固結(jié)試驗中壓縮系數(shù)作為分析指標(biāo)，研究不同試驗條件下水泥固化體的壓縮特性，并推導(dǎo)能夠綜合反映各因素影響規(guī)律的經(jīng)驗公式，為今后實際鋅污染場地的固化設(shè)計提供一定的參考。

1 試驗材料與方法

研究采用取自某一施工現(xiàn)場的淤泥質(zhì)土樣。室內(nèi)試驗采用環(huán)刀法測得其濕密度為1.69 g/cm3，天然含水率為55.6%。試驗把氯化鋅作為鋅污染源，其鋅離子質(zhì)量為干土質(zhì)量的1.00%、0.20%和0.04%。氯化鋅極易溶于水，是一種粉末狀或白色粒狀的晶體，在空氣中潮解性較強，需密封避光保存。由于氯化鋅具有毒性，在整個制樣過程中需佩戴手套。本實驗采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，摻量為干土質(zhì)量的7.5%、5.0%和2.5%。養(yǎng)護溫度選用5、20和35 ℃。

制樣時，將濕土切成薄片狀，然后在干燥箱中烘干24 h，取出試樣并用粉碎機粉碎后過孔徑為1 mm的篩。試樣設(shè)計含水量為50%，據(jù)此配制氯化鋅溶液，分別配制3組不同鋅離子質(zhì)量分數(shù)的溶液。充分攪拌干土和水泥，配制3組不同水泥摻量的水泥土。把水泥土和溶液混合并進行充分攪拌，再制備固結(jié)試樣和環(huán)刀試樣，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后，進行室內(nèi)固結(jié)試驗并測定不同試樣的壓縮系數(shù)。試驗方案見表1。

表1 試驗方案Tab. 1 Testing programs

圖1 養(yǎng)護溫度為20 ℃時水泥固化體的壓縮系數(shù)及擬合Fig. 1 Compression coefficient and fittings of zinc contaminated soil at curing temperature of 20 ℃

2 水泥固化鋅污染土壓縮特性

2.1 水泥固化體的壓縮系數(shù)

圖1給出了在養(yǎng)護溫度為20 ℃時各水泥固化體試樣的壓縮系數(shù)。由圖1可見：在鋅離子質(zhì)量分數(shù)一定的條件下，水泥固化體的壓縮系數(shù)隨著水泥摻量的增大而減小，且減小速率隨水泥摻量的提高而降低。水泥摻量不變時，隨著鋅離子質(zhì)量分數(shù)的增加，水泥固化體的壓縮系數(shù)隨之增大，且水泥摻量較高時的增大幅度更為顯著。這主要是由于水泥水化反應(yīng)受到了鋅離子的阻礙，發(fā)生反應(yīng)后生成一些難溶解的鹽及沉淀物，阻礙了水泥的水化反應(yīng)，甚至降低了對土樣的固化效果[8]。此外，當(dāng)鋅離子質(zhì)量分數(shù)達到1.00%時，隨著水泥摻量的增加，水泥固化體壓縮系數(shù)的降低幅度明顯小于鋅離子質(zhì)量分數(shù)為0.04%和0.20%的情況，此時水泥的水化過程可能因為鋅離子質(zhì)量分數(shù)過高而受到抑制，導(dǎo)致無法有效改善污染土的高壓縮性。

2.2 鋅離子質(zhì)量分數(shù)和水泥摻量對壓縮系數(shù)的影響

為了研究鋅離子質(zhì)量分數(shù)和水泥摻量對水泥固化體壓縮系數(shù)的影響規(guī)律，圖1也給出了試驗值的擬合結(jié)果。水泥摻量對固化體壓縮系數(shù)的影響規(guī)律較好地符合如下的指數(shù)函數(shù)：

式中：av為水泥固化鋅污染土的壓縮系數(shù)（MPa?1）；x為水泥摻量（%）；A和B為影響參數(shù)。當(dāng)水泥摻量不變時，鋅離子質(zhì)量分數(shù)越大，對水泥水化阻礙影響越明顯，固化體壓縮系數(shù)越大，隨之A值減小、B值增大。由此可知，鋅離子質(zhì)量分數(shù)能夠影響A和B的值，故A和B非定值。

由于水泥固化鋅污染土體的壓縮特性受未污染土體原始壓縮特性的影響，針對上式固化體壓縮系數(shù)的變化規(guī)律函數(shù)，其影響參數(shù)A應(yīng)當(dāng)包含土體原始壓縮系數(shù)av0（無污染素土壓縮系數(shù)）的影響，且當(dāng)水泥摻量和鋅離子質(zhì)量分數(shù)均為零時，固化體壓縮系數(shù)等于土體原始壓縮系數(shù)av0。為了滿足上述要求，令A(yù)=(1+C)av0，參數(shù)C與鋅離子質(zhì)量分數(shù)有關(guān)。

鋅離子質(zhì)量分數(shù)α與參數(shù)C的關(guān)系如圖2所示。在本試驗中，無污染對照試樣（試驗分組N0）的壓縮系數(shù)av0為1.25 MPa?1。可見，參數(shù)C值隨著鋅離子質(zhì)量分數(shù)的增大而增大，采用圖中指數(shù)函數(shù)能夠較好地描述二者之間的關(guān)系。綜上分析，鋅離子質(zhì)量分數(shù)對參數(shù)A的影響可用下式表示：

圖2 參數(shù)B、C與鋅離子質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系Fig. 2 Relationship between parameters B and C and zinc ion concentration

式中：α為鋅離子質(zhì)量分數(shù)（%）；av0為無污染素土的壓縮系數(shù)（MPa?1）。

鋅離子質(zhì)量分數(shù) α與參數(shù)B的關(guān)系如圖2所示?？梢婋S著鋅離子質(zhì)量分數(shù)的增大，參數(shù)B值隨之減小。這兩者的關(guān)系曲線圖可用下列函數(shù)來表示：

將式（2）和（3）代入式（1），可以得到在養(yǎng)護溫度20 ℃、齡期28 d情況下，水泥摻量x、鋅離子質(zhì)量分數(shù)α與水泥固化鋅污染土體壓縮系數(shù)的關(guān)系：

圖3給出了養(yǎng)護溫度20 ℃時水泥固化體各試樣的壓縮系數(shù)預(yù)測值與試驗值對比情況。由圖3可見：在不考慮養(yǎng)護溫度情況下，試驗得到的壓縮系數(shù)值與采用式（4）的預(yù)測值基本吻合，二者誤差很小。值得注意的是，針對無污染對照組試樣，壓縮系數(shù)預(yù)測值為 5.7 MPa?1，與實際試驗值 1.25 MPa?1的差異較大?？梢?，本文預(yù)測公式具有一定的局限性，對于鋅離子質(zhì)量分數(shù)0～0.04%的水泥固化鋅污染土，預(yù)測值的誤差可能會偏大。

圖3 水泥固化體壓縮系數(shù)的試驗值與預(yù)測值Fig. 3 Testing results and predicted results of compression coefficient

2.3 養(yǎng)護溫度對壓縮系數(shù)的影響

養(yǎng)護溫度對水泥固化效果的發(fā)揮有著重要的影響，不同養(yǎng)護條件下固化體力學(xué)特性的改善程度及速率是不同的。在一般情況下，固化體養(yǎng)護溫度越高，水泥水化反應(yīng)越劇烈，其力學(xué)特性改善的幅度也越大。為了研究養(yǎng)護溫度對固化體變形特性的影響規(guī)律，對試驗分組N12、N22和N32進行分析。表2列出了不同養(yǎng)護溫度條件下各組試樣的壓縮系數(shù)試驗結(jié)果。

由表2可知，當(dāng)水泥摻量和鋅離子質(zhì)量分數(shù)不變時，隨著養(yǎng)護溫度的升高，水泥固化體的壓縮系數(shù)值會降低，表明高養(yǎng)護溫度能夠促進水泥固化法有效改善鋅污染土的壓縮性。以養(yǎng)護溫度為20 ℃時的壓縮系數(shù)av20作為標(biāo)準(zhǔn)值，不同養(yǎng)護溫度t條件下固化體的壓縮系數(shù)與該標(biāo)準(zhǔn)值的比值定義為avt/av20。

圖4描述了avt/av20與養(yǎng)護溫度之間的關(guān)系?？梢姡鄵搅亢宛B(yǎng)護溫度相同、鋅離子質(zhì)量分數(shù)不同時對應(yīng)的壓縮系數(shù)比值基本接近，表明鋅離子質(zhì)量分數(shù)對該定義值的影響不大。

表2 不同養(yǎng)護溫度條件下的壓縮系數(shù)Tab. 2 Testing results of compression coefficient at different curing temperatures

由圖4還可以看出，該壓縮系數(shù)比值隨著養(yǎng)護溫度的增大而逐漸減小，且二者之間滿足式（5）所示的對數(shù)函數(shù)關(guān)系：

結(jié)合式（4）和（5），可得不同水泥摻量、鋅離子質(zhì)量分數(shù)和養(yǎng)護溫度條件下水泥固化鋅污染土壓縮系數(shù)的變化規(guī)律：

圖4 壓縮系數(shù)比值與養(yǎng)護溫度的關(guān)系Fig. 4 Relationship between compression coefficient ratioand curing temperature

3 結(jié) 語

（1）當(dāng)鋅離子質(zhì)量分數(shù)一定時，水泥固化鋅污染土的壓縮系數(shù)隨著水泥摻量的增大呈指數(shù)性減小。在高鋅離子質(zhì)量分數(shù)情況下，繼續(xù)增加水泥摻量對污染土壓縮特性的改善程度變低。當(dāng)水泥摻量不變時，隨著鋅離子質(zhì)量分數(shù)的增加，水泥固化鋅污染土的壓縮系數(shù)將增大，且水泥摻量較高時的增幅更為顯著。

（2）水泥固化鋅污染土的壓縮系數(shù)隨著養(yǎng)護溫度的升高而減小。以養(yǎng)護溫度為20 ℃的壓縮系數(shù)av20為標(biāo)準(zhǔn)，不同養(yǎng)護溫度t時的固化體壓縮系數(shù)比值avt/av20與養(yǎng)護溫度之間呈現(xiàn)較好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，但鋅離子質(zhì)量分數(shù)對該比值影響不大。

本文對人工配制試樣進行了初步室內(nèi)試驗研究，研究成果存在一定的局限性，經(jīng)驗公式的合理性和實用性需進一步驗證。