不同濃度ZnCl2污染粉質(zhì)黏土強(qiáng)度特性試驗(yàn)

吳 炎，丁姝昱，趙浩楠，潘子晴，張志軍，胡 坤

(1.常州大學(xué)懷德學(xué)院，江蘇 靖江 214500；2.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

重金屬在土體中遷移、轉(zhuǎn)化以及積累過程中，會(huì)與土顆粒發(fā)生相應(yīng)的物理化學(xué)變化，引起土體強(qiáng)度特性的改變。現(xiàn)階段工業(yè)化的快速發(fā)展帶動(dòng)了電鍍產(chǎn)業(yè)的興起，以往電鍍廢水的無序排放使得土體重金屬含量超標(biāo)，引起土體重金屬污染，其中以鍍鋅企業(yè)為代表的ZnCl2污染土最為典型[1]。對(duì)于污染土的研究，是以1985年在荷蘭召開的第一屆國(guó)際污染土?xí)h作為起點(diǎn)，而我國(guó)直到20世紀(jì)80年代同濟(jì)大學(xué)才開始對(duì)污染物在土體中的遷移進(jìn)行研究[2]。近些年，一批學(xué)者對(duì)于污染土的工程性質(zhì)做了相應(yīng)的研究。Ladd等[3,4]通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)污染土對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響不明顯；而Ratnaweera等[5]對(duì)細(xì)粒污染土的研究表明，細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度隨著污染物濃度的增加而減小，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨著污染物濃度的增加而降低。朱春鵬等[6]通過室內(nèi)試驗(yàn)探究了酸堿條件下土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及孔隙水壓力的變化規(guī)律。儲(chǔ)亞[7]等著重研究電阻率與重金屬污染土中金屬離子濃度之間的關(guān)系，建立了多因素的回歸方程。張志紅等[8]對(duì)金屬污染土的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得出金屬離子濃度增加，強(qiáng)度降低的相關(guān)結(jié)論。劉志彬等[9]利用電鏡掃描方法得出，隨著孔隙液Zn2+濃度的增大，膨潤(rùn)土的孔隙液pH值和土樣比表面積減小，顆粒直徑增大的結(jié)論。

然而，對(duì)于不同學(xué)者，其結(jié)論也存在差異性，甚至結(jié)論完全相反。同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)污染土的研究集中在酸堿污染[10,11]，對(duì)重金屬污染的研究并不多[12,13]。很多學(xué)者室內(nèi)試驗(yàn)皆采用Zn(NO3)2·6H2O作為試驗(yàn)藥品[14,15]，但是實(shí)際工程中ZnCl2污染更具有代表性。針對(duì)上述問題，本文選取泰州靖江地區(qū)典型的粉質(zhì)黏土，通過室內(nèi)試驗(yàn)，探究ZnCl2濃度對(duì)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度特性的影響，對(duì)重金屬污染場(chǎng)地的評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的土樣取自泰州靖江市的某一建筑工地，原狀土為靖江市典型土層中的粉質(zhì)黏土，取土深度3～5 m。根據(jù)GBT 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其進(jìn)行常規(guī)土工試驗(yàn)，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，全量化學(xué)分析結(jié)果如表2所示。將土樣風(fēng)干磨碎后過2 mm篩備用。

表1 原狀土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 原狀土的全量化學(xué)分析

試驗(yàn)所采用的重金屬污染物為國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)的ZnCl2分析純，試驗(yàn)采用蒸餾水?？紤]到土體含水量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響，故采用擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定土樣的最優(yōu)含水率作為其含水量，測(cè)得試驗(yàn)土樣的最大干密度為1.706 g/cm3，最優(yōu)含水率為18.4% ，如圖1所示。

圖1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

將備用的土樣稱量3 kg，每份分別裝入事先準(zhǔn)備好的拌盆(用保鮮膜包裹)中，對(duì)已經(jīng)配置的氯化鋅溶液磁力攪拌12 h后均勻噴灑入土樣中，采取人工拌合的方式進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛８鶕?jù)土壤風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)學(xué)者的研究[16～18]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)ZnCl2濃度(氯化鋅質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值)為5(0.5%)，10(1%)，20(2%)，30(3%) g/kg 。

本次直剪試驗(yàn)與壓縮試驗(yàn)土樣的制備采用電動(dòng)擊實(shí)的方法，每次擊實(shí)分三層，每層擊打23次，每層試樣的高度相等?？刂泼拷M樣品的含水率為18.4%，密度為1.706 g/cm3，且密度與含水率的誤差值不超過±0.02 g/cm3和±1%，通過該方法來判斷樣品是否合格。擊實(shí)后將ZnCl2污染土樣兩端用濾紙覆蓋并用透水石封蓋放置待用。為保證無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)污染土樣的制備則采用專用擊實(shí)模具分6次擊實(shí)，制成污染土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為降低誤差，每種ZnCl2污染土樣取2組試樣進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 界限含水率試驗(yàn)

圖2顯示了土體液塑限隨ZnCl2濃度的變化情況，從圖2中可以看出，隨著ZnCl2濃度的增加，土體的液限和塑限的變化規(guī)律都呈現(xiàn)出先降低再增加最后降低的趨勢(shì)。兩者的極小值點(diǎn)都出現(xiàn)在0.5%ZnCl2濃度處。但是兩者區(qū)別在于極大值點(diǎn)不一樣，塑限的極大值點(diǎn)是在1%ZnCl2污染處，而液限的極大值點(diǎn)則在未污染土處，但是液限、塑限各自兩個(gè)極大值點(diǎn)相差并不大，都在1%以內(nèi)。圖3顯示了土體塑性指數(shù)隨ZnCl2濃度的變化情況，從圖3中可以看出，塑限指數(shù)的變化規(guī)律與液塑限相同，尤其在0.5%處，整體呈現(xiàn)“臺(tái)階”式下降。

圖2 土體液塑限隨ZnCl2濃度變化

圖3 土體塑性指數(shù)隨ZnCl2濃度變化

2.2 直剪試驗(yàn)

由于直剪試驗(yàn)采用抗剪強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角時(shí)抗剪強(qiáng)度的取值帶有一定主觀性，因此首先對(duì)不同濃度污染土在不同壓力下污染土的剪切位移與剪應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行分析。從圖4～7可以看出，在100，200，300 kPa壓力下，未污染土的剪應(yīng)力總是大于ZnCl2污染土的剪應(yīng)力，且在100 kPa壓力下，未污染土的抗剪強(qiáng)度超過污染土的抗剪強(qiáng)度的30%。隨著法向壓力的增加，未污染土與ZnCl2污染土之間的剪應(yīng)力差值逐漸變小，直至在400 kPa壓力下，0.5%ZnCl2污染土的抗剪強(qiáng)度大于未污染土。在不同濃度的ZnCl2污染土中，除100 kPa外，其余三種壓力下，0.5%ZnCl2污染土的抗剪強(qiáng)度皆大于其他種污染情況。

圖4 100 kPa下污染土樣的剪應(yīng)力

圖5 200 kPa下污染土樣的剪應(yīng)力

圖6 300 kPa下污染土樣的剪應(yīng)力

圖8顯示了土中ZnCl2濃度與粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系，從圖8中可以看出，隨著土中ZnCl2濃度的增加，土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角變化趨勢(shì)相反，粘聚力先急劇降低再增加最后趨于平緩，而內(nèi)摩擦角則先增加再降低而后趨于平緩。土體被ZnCl2污染后，粘聚力皆小于未污染土，即使ZnCl2濃度增加使得粘聚力增加也遠(yuǎn)小于未污染土，污染后土體粘聚力最大值比未污染土體粘聚力降低了30%，污染后土體粘聚力的極小值比未污染土降低了73.34%，變化幅度非常大。內(nèi)摩擦角的變化則相對(duì)小很多，污染后土體穩(wěn)定的內(nèi)摩擦角比未污染的小23.1%，其原因解釋如下。

(1)ZnCl2溶液具有弱酸性，土體受ZnCl2污染初期，其含有的膠結(jié)物被侵蝕溶解，土體的粘結(jié)強(qiáng)度迅速下降。對(duì)污染前后的土體進(jìn)行電鏡掃描，其結(jié)果如圖9所示，從圖9a至9e，團(tuán)聚的土體顆粒寬度迅速減小，顆粒物之間的粘結(jié)從緊密到松散，尤其是從圖9a至9b表現(xiàn)的最為明顯。圖中團(tuán)聚顆粒的寬度呈現(xiàn)先下降又增加的趨勢(shì)，這與土體粘聚力的變化是一致的。

圖9 ZnCl2污染土電鏡掃描圖

(2)土體顆粒帶有負(fù)電荷，隨著ZnCl2溶液的增加，土體顆粒表面聚集大量金屬陽(yáng)離子，這就使得擴(kuò)散層的結(jié)合水膜變薄，顆粒距離變短，土顆粒之間的凝聚力增強(qiáng)，土體的強(qiáng)度增加。但是從圖8中可以看出，由于膠結(jié)物質(zhì)對(duì)土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)更大，土體粘聚力整體是下降的。

(3)從表2中可以看出，土中除了含有大量的SiO2外，還有少量的游離氧化物，而游離氧化物對(duì)土體的強(qiáng)度具有較大貢獻(xiàn)，當(dāng)ZnCl2濃度增加后，土體pH進(jìn)一步下降，一部分游離氧化物產(chǎn)生酸化反應(yīng)，從而降低土體的強(qiáng)度。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)地基承載力的重要指標(biāo)，而由于試驗(yàn)用土為非飽和土，因此對(duì)于無限抗壓強(qiáng)度將進(jìn)行定性分析。從圖10中可以看出，隨著ZnCl2濃度的增加，土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)斷崖式下降，而后緩慢降低，趨于平緩。ZnCl2濃度從0到0.5%這段區(qū)間，土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了65.6%，而ZnCl2濃度在0.5%到3%這段區(qū)間，污染土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低幅度為22.1%，因此，在ZnCl2濃度為0.5%時(shí)，是土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖10 土中ZnCl2濃度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.4 壓縮固結(jié)試驗(yàn)

壓縮固結(jié)試驗(yàn)采用氣壓固結(jié)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試樣在不同壓力下的壓縮模量與壓縮系數(shù)和ZnCl2濃度的關(guān)系如圖11所示。

圖11 土中ZnCl2濃度與壓縮模量及壓縮系數(shù)關(guān)系

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，污染土的壓縮模量隨ZnCl2濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，壓縮系數(shù)與壓縮模量的變化趨勢(shì)相反，隨ZnCl2濃度的增加而先減小后增大。但是，壓縮系數(shù)與壓縮模量的極值點(diǎn)出現(xiàn)在ZnCl2濃度為0.5%處，ZnCl2濃度在1%～2%處變化幅度最大，且在ZnCl2濃度大于2%時(shí)，污染土的壓縮模量小于未污染土、壓縮系數(shù)大于未污染土。

不同固結(jié)壓力下，壓縮模量與壓縮系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，而壓縮模量與壓縮系數(shù)的變化趨勢(shì)相反，因此著重討論壓縮模量與土中ZnCl2濃度及固結(jié)壓力的關(guān)系，如圖12所示。從圖12中可以看出，雖然壓縮模量在變化的過程中出現(xiàn)起伏，但是具有一定規(guī)律性，尤其是隨著固結(jié)壓力的增加，土體的壓縮模量整體呈增大趨勢(shì)，而土體中ZnCl2濃度的影響在0.5%處體現(xiàn)得最為明顯，峰值點(diǎn)位于壓力固結(jié)800 kPa、濃度0.5%處。對(duì)于土體壓縮性的變化從圖9中可以更好地解釋，即在電鏡掃描圖中，土顆粒之間空隙越大，則壓縮性越大。

圖12 壓縮模量與土中ZnCl2濃度及固結(jié)壓力關(guān)系

3 結(jié) 論

本文采用擊實(shí)法對(duì)污染前后的重塑土樣進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)、室內(nèi)直剪試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、壓縮固結(jié)試驗(yàn)，研究了不同濃度ZnCl2污染粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度特性，并得出以下結(jié)論：

(1)隨著ZnCl2濃度的增加，土體的液限和塑限以及塑性指數(shù)都呈現(xiàn)出先降低再增加最后降低的振蕩變化趨勢(shì)，極小值點(diǎn)出現(xiàn)在ZnCl2濃度為0.5%處。

(2)土中ZnCl2濃度的增加，使得土體粘聚力先急劇降低再增加最后趨于平緩，而內(nèi)摩擦角則先增加再降低而后趨于平緩，兩者的極值點(diǎn)都出現(xiàn)在0.5%處，土體粘聚力整體下降，且污染后土體粘聚力的極小值比未污染土降低了73.34%。

(3)ZnCl2污染土體粘結(jié)強(qiáng)度變化的主導(dǎo)因素是顆粒間的膠結(jié)物被侵蝕溶解，游離氧化物含量降低，結(jié)合水膜的厚度對(duì)強(qiáng)度的影響較低。

(4)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨ZnCl2濃度的增加呈現(xiàn)斷崖式下降后趨于平緩。ZnCl2濃度為0.5%是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。壓縮模量與壓縮系數(shù)兩者變化趨勢(shì)相反，前者先增加后減小、后者先減小后增大。ZnCl2濃度為0.5%是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)以及壓縮模量變化的極值點(diǎn)。