熱脫附對(duì)土壤工程性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

□ 杜 靜 淳野楊 徐麗麗

隨著城市“中調(diào)”戰(zhàn)略，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等政策的實(shí)施以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快使大量達(dá)不到環(huán)保要求的油氣、化工、皮革、造紙等工業(yè)企業(yè)遷離市區(qū)，遺留下大量的污染場(chǎng)地[1-2]。這些場(chǎng)地內(nèi)富含石油類、多環(huán)芳烴（PAHs）、有機(jī)氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯、二噁英，具有高溶度、易揮發(fā)、空間變異性大、污染深度大等特點(diǎn)[3]，不僅破壞生態(tài)環(huán)境、危害人體健康，也影響場(chǎng)地的二次開(kāi)發(fā)利用。因此，污染場(chǎng)地的修復(fù)治理已然成為社會(huì)環(huán)境關(guān)注的重大問(wèn)題之一。

目前，關(guān)于土壤污染物修復(fù)方法眾多，主要有化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)、綜合修復(fù)和熱脫附等。其中，熱脫附是指通過(guò)直接或間接加熱土壤，使有機(jī)污染物揮發(fā)、水解或熱解，從固相或液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，并?duì)污染氣體進(jìn)行收集處理，從而達(dá)到凈化污染土壤的目的[4]。該方法簡(jiǎn)單，修復(fù)時(shí)間短、修復(fù)徹底、修復(fù)成本相對(duì)較低，而被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外有機(jī)污染場(chǎng)地的修復(fù)工作中[5]。如全球最大的原位熱脫附修復(fù)場(chǎng)地蘇州某退役溶劑廠，通過(guò)燃?xì)夂碗娮锜崦摳皆恍迯?fù)后，對(duì)受苯、氯苯和石油類污染的土壤進(jìn)行中試驗(yàn)分析，結(jié)果顯示去除率達(dá)到99%[6]。但在熱脫附過(guò)程中，土壤溫度需達(dá)到600℃～800℃，雖有效去除污染物，但土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化合物成分和含量也發(fā)生了顯著改變，其宏觀工程特性也隨之發(fā)生改變。通過(guò)總結(jié)不同溫度作用下，土的物理性質(zhì)和力學(xué)特性變化的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為高溫對(duì)土壤的工程特性有著重要影響，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 高溫作用對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

1.1.1 化合物成分的變化

高溫?zé)崽幚頃?huì)導(dǎo)致土壤化合物的變化，尤其是有機(jī)質(zhì)。當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，有機(jī)質(zhì)會(huì)以揮發(fā)（蒸餾）、碳化及氧化的形式減少[7]，其減少程度取決于熱處理時(shí)的溫度高低和時(shí)間長(zhǎng)短。YI[8]的研究表明，200℃加熱15min，可減少土中10%左右的有機(jī)質(zhì)。而溫度在300℃～400℃，處理時(shí)間為30min～60min時(shí)，有機(jī)質(zhì)降解可到45%～80%[9]；當(dāng)溫度超過(guò)600℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)的降解量大大提高，達(dá)到90%[10]。有機(jī)質(zhì)的降解程度還取決于有機(jī)質(zhì)的成分及它們之間的相互作用[11]。易揮發(fā)性的物質(zhì)，木質(zhì)素和半纖維素大多在100℃～200℃的范圍發(fā)生降解；腐殖酸和富里酸的脫羧則在加熱到300℃以上時(shí)發(fā)生降解[12]；烷基芳烴、脂類和甾醇等在500℃以上碳化。由此可見(jiàn)，土壤在高溫處理后，不僅有機(jī)質(zhì)減少，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變。

伴隨有機(jī)質(zhì)變化，土壤中其他黏土化合物也將發(fā)生變化。通常，黏土化合物在高溫作用下會(huì)發(fā)生脫水（結(jié)合水，結(jié)晶水失去）和晶體結(jié)構(gòu)崩解（結(jié)構(gòu)水失去，化學(xué)鍵斷裂等）。起初，高溫下最開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)為有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)為非晶物質(zhì)，在高溫作用分解釋放N、Fe、Al和Mg化合物，這些化合物通過(guò)簡(jiǎn)單融合、晶體化合鍵重接等方式改變土中顆粒的直徑[13]。而土壤中其他黏土礦物，如高嶺石、蒙脫石、伊利石、針鐵礦、三水鋁石等，只有達(dá)到化學(xué)物理臨界溫度值之上才會(huì)發(fā)生脫羥基、脫氫等反應(yīng)。高嶺石在400℃～600℃開(kāi)始分解，形成Al和Si化合物，當(dāng)溫度升至700℃～800℃形成次高嶺石[14]；而蒙脫石晶格結(jié)構(gòu)在700℃以上加熱之前保持穩(wěn)定[15]；伊利石在550℃以上才發(fā)生脫羥基反應(yīng)[16]；針鐵礦在180℃～300℃脫羥基形成赤鐵礦[17]，這是土壤經(jīng)過(guò)高溫處理后顏色發(fā)生變化的主要原因；石灰礦（CaCO3）土壤在溫度作用下，石灰礦（CaCO3）會(huì)與有機(jī)質(zhì)相互作用形成方解石[18]。

綜上所述，高溫作用下，有機(jī)質(zhì)和黏土礦物等土壤的組成成分均以不同的形式發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)而變化，而它們的變化終將會(huì)影響土壤各方面性質(zhì)。

1.1.2 液塑限的變化

通常，土壤的液塑限會(huì)隨溫度的升高而減小。這是因?yàn)?，隨著溫度升高，結(jié)合水的含量減少，黏滯性減弱，土壤中的化合物活性變強(qiáng)，從而使顆粒間的相互作用減弱，只需比以往少的水量就可以使土壤從某種狀態(tài)變?yōu)榱硗庖环N狀態(tài)[19]。但也有不同的學(xué)者對(duì)由不同量有序晶體和無(wú)序高嶺土組成的黏土進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，液塑限不會(huì)隨溫度的變化而變化，而高嶺土與膨潤(rùn)土混合土的液限隨溫度升高而變大，且隨著膨潤(rùn)土比例增大效應(yīng)更明顯，但塑限基本無(wú)變化。

1.1.3 顆粒級(jí)配的變化

高溫可導(dǎo)致土中有機(jī)質(zhì)降解，黏土礦物分解，從而改變土的顆粒級(jí)配。有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，400℃處理溫度是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，400℃之前，顆粒級(jí)配不會(huì)發(fā)生明顯改變；超過(guò)400℃，土中黏粒減少，粉粒和砂粒增加[20]。Fujun Ma[21]發(fā)現(xiàn)溫度為400℃，烘烤時(shí)間為60min處理的土壤砂粒含量?jī)H增加5%，黏粒和砂粒成分基本不變；溫度為700℃，烘烤時(shí)間為40min時(shí)，黏粒含量減少11%，粉粒含量基本不變，砂粒含量增加13%。也有學(xué)者有不一樣的結(jié)論，Giovannini[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)溫度為170℃時(shí)，土的顆粒級(jí)配發(fā)生變化；而Quirine M.發(fā)現(xiàn)溫度超過(guò)500℃土中砂粒含量才會(huì)增加。

對(duì)于高溫作用下，土壤的顆粒級(jí)配變化的原因，最早C.T.Dybness and G. T. Youngberg[23]認(rèn)為是由于黏土脫水，熔融而導(dǎo)致，但并未指出是哪類化合物。隨著人們對(duì)土壤的研究及科技技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者表明在高溫作用下，土壤顆粒級(jí)配的變化主要是高嶺石高溫溶解為形成Al和Si的化合物[24]，而這些化合物的形成和團(tuán)聚正是土壤顆粒級(jí)配變化的原因。

杭州畫(huà)院，“作為省會(huì)城市畫(huà)院，承擔(dān)著本地區(qū)民族文化發(fā)展與創(chuàng)新的重要使命，應(yīng)是本地區(qū)中國(guó)畫(huà)創(chuàng)作、研究的中心，起到弘揚(yáng)優(yōu)秀文化領(lǐng)頭羊和輻射作用。”

1.1.4 結(jié)合水的變化

高溫可改變土壤中化合物的種類和含量，依據(jù)結(jié)合水的形成機(jī)理可知，化合物種類和含量的變化將會(huì)導(dǎo)致結(jié)合水的改變[25]。隨著溫度增高，土壤中的強(qiáng)結(jié)合水將會(huì)向弱結(jié)合水轉(zhuǎn)換，弱結(jié)合水會(huì)向自由水轉(zhuǎn)換，結(jié)合水含量降低[26]，而結(jié)合水含量的改變，將直接導(dǎo)致工程特性的改變。

1.2 熱脫附對(duì)土壤力學(xué)特性影響的研究

高溫對(duì)土壤的顆粒級(jí)配，結(jié)合水含量和顆粒間的膠結(jié)作用等物理性質(zhì)均有重要影響，而這些物理性質(zhì)變化也會(huì)引起抗剪強(qiáng)度和壓縮性能的變化。

1.2.1 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化

衡量土的抗剪強(qiáng)度有兩個(gè)指標(biāo)——黏聚力c和內(nèi)摩擦角ψ，內(nèi)摩擦角可以用顆粒級(jí)配和顆粒形狀等因素去研究表征，而黏聚力包含靜電引力、范德華力、顆粒間的膠結(jié)力和表觀黏聚力等，在這些力中，顆粒間的膠結(jié)力至關(guān)重要[27]。有學(xué)者提出土壤中黏聚力主要為游離氧化鐵形成的膠結(jié)作用和顆粒間特殊的連接形式造成[28]，而土壤高溫作用其化合物成分會(huì)發(fā)生變化。

1.2.2 抗剪強(qiáng)度的變化

目前，對(duì)于高溫（＞100℃）處理后土的力學(xué)性能變化的研究較少，大部分的研究集中在100℃以下溫度作用后的力學(xué)性能變化規(guī)律。周東以南寧市河流沖積相黏性土為研究對(duì)象，研究不同初始狀態(tài)黏性土抗剪強(qiáng)度的熱效應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明：溫度升高時(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角有升有降，當(dāng)溫度從20℃上升到40℃時(shí)，若小于臨界含水量，黏聚力降低，內(nèi)摩擦角升高，反之黏聚力升高，內(nèi)摩擦角降低；當(dāng)溫度從40℃上升到60℃時(shí)，若小于臨界含水量，內(nèi)摩擦角降低，反之內(nèi)摩擦角升高，而土樣黏聚力均升高[30]。歐孝奪對(duì)不同溫度作用下黏性土的物理、化學(xué)表現(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，黏聚力c值不斷增大，而內(nèi)摩擦角有起伏變化[31]。邵玉嫻的研究表明不同礦物成分的黏性土在5℃～45℃溫度作用下抗剪強(qiáng)度隨溫度升高而線性降低，摩擦角則變化不明顯；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，親水礦物含量較高的黏性土抗剪強(qiáng)度對(duì)溫度變化較敏感，強(qiáng)度隨著溫度的上升而下降得越快[32]。高燕希等發(fā)現(xiàn)非飽和土的抗剪強(qiáng)度隨溫度的升高呈線性遞減[33]。謝云研究得出非飽和土的抗剪強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了考慮溫度影響的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式和切線楊氏模量公式[34]。

綜上所述，對(duì)溫度作用下土的物理力學(xué)性能的研究結(jié)果來(lái)看，土的黏聚力受溫度（＜100℃）影響較大，且變化趨勢(shì)不盡相同，而摩擦角比較“遲鈍”，在不同溫度作用下變化不明顯。

1.2.3 土的壓縮性變化

土的壓縮特性主要受顆粒級(jí)配、結(jié)合水含量和有機(jī)質(zhì)含量等因素影響，而高溫（＞100℃）時(shí)可以改變這些影響因素，所以，高溫（＞100℃）處理后土的壓縮特性會(huì)發(fā)生改變。

一般情況下，溫度作用可使土壤的壓縮特性變小，如Sultan, N[35]研究15℃～45℃土固結(jié)特性，發(fā)現(xiàn)固結(jié)系數(shù)與溫度高低呈負(fù)相關(guān)，并認(rèn)為水的黏滯性改變是土固結(jié)特性變化的原因。Ye, W. M[36]利用自主研制的具有吸力和溫度控制的轉(zhuǎn)速計(jì)，對(duì)GMZ01膨潤(rùn)土進(jìn)行20℃～80°C溫度范圍內(nèi)土的壓縮性能試驗(yàn)，提出溫度升高可促進(jìn)蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)重疊效應(yīng)增強(qiáng)。Bai Bing[37]通過(guò)梯度升溫和降溫的方式，研究溫度變化對(duì)土壤壓縮性能的影響，得出固結(jié)體積應(yīng)變隨溫度階段的升高而顯著增大，冷卻后吸收的體積應(yīng)變隨溫度階段的降低而減小的結(jié)論。

2 目前研究中存在的問(wèn)題

通過(guò)上述文獻(xiàn)綜述可以看出，溫度對(duì)土的顆粒級(jí)配、化合物成分、液塑限、強(qiáng)度和壓縮等指標(biāo)有著重要影響。雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)熱脫附進(jìn)行土壤污染物修復(fù)的研究較多，也有一定的成果，但對(duì)熱脫附后高溫作用下對(duì)土工程性質(zhì)的影響和評(píng)價(jià)研究較少，存在空白領(lǐng)域，不能滿足熱脫附后土的二次利用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）目前研究只表明高溫對(duì)土壤顆粒級(jí)配有顯著影響，甚至黏性土可轉(zhuǎn)變?yōu)樯靶酝?。但是，溫度?duì)土壤顆粒級(jí)配的影響到底怎樣，以及其變化的實(shí)質(zhì)是什么并沒(méi)有一致結(jié)論。

（2）目前針對(duì)溫度對(duì)土的各個(gè)物理性能的影響機(jī)制研究不夠系統(tǒng)。從國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫度對(duì)土壤的化合物成分和含量、液塑限、顆粒級(jí)配，結(jié)合水含量和顆粒間的膠結(jié)作用的文獻(xiàn)綜述可知，溫度的影響不容忽視，且?guī)?lái)的影響是巨大的，有必要針對(duì)溫度對(duì)土的各個(gè)物理性能影響機(jī)制進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，為以后理論研究和現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

（3）目前對(duì)于高溫作用下土的力學(xué)性能變化機(jī)制研究有缺陷。高溫（＞100℃）處理后的土壤，不僅僅是水的特征發(fā)生變化，其化合物成分和含量、顆粒級(jí)配及顆粒間的膠結(jié)作用均發(fā)生改變，土的力學(xué)性能變化機(jī)制更加復(fù)雜。因此，需要進(jìn)一步對(duì)高溫處理后（高溫歷史效應(yīng)）土壤的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。

（4）從溫度對(duì)土壤的力學(xué)特性和壓縮特性的研究現(xiàn)狀來(lái)看，溫度的影響是明顯且不容忽視的，在熱脫附這一領(lǐng)域中，溫度的作用（100℃～800℃）會(huì)更加顯著，土的變化也會(huì)更加顯著，那這種變化對(duì)土的物理力學(xué)特性和壓縮特性有怎樣的影響？目前尚未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，因此，對(duì)高溫處理后土壤的力學(xué)性質(zhì)和壓縮特性的研究是有需要的，也是具有重要理論和實(shí)際意義。

3 研究方向

（1）研究高溫對(duì)土壤工程特性的影響機(jī)制。高溫作用下，土的微觀結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分和含量等均會(huì)發(fā)生顯著改變，而這些改變勢(shì)必會(huì)影響土壤宏觀物理性質(zhì)。因此，需要了解高溫作用造成的土壤微觀層次的變化，找到微觀與宏觀之間的“橋梁”，利用“橋梁”分析高溫作用是怎樣導(dǎo)致土壤微觀變化來(lái)影響土的宏觀性質(zhì)；同時(shí)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，分析得到不同高溫作用下的主要微觀影響因素，并建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

（2）建立土壤熱脫附后再利用的評(píng)價(jià)機(jī)制。熱修復(fù)后土壤的工程特性發(fā)生顯著改變，這種改變對(duì)今后二次開(kāi)發(fā)具有怎樣的影響，能夠作為何種開(kāi)發(fā)用處。需要從巖土工程的角度給出工程評(píng)價(jià)，建立土壤熱脫附后再利用的評(píng)價(jià)機(jī)制。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，熱脫附作為有機(jī)污染土的修復(fù)方式被廣泛運(yùn)用，但處理后的土壤由于受高溫作用，其物理性質(zhì)和力學(xué)性能發(fā)生改變，工程性質(zhì)也隨之變化，由于相關(guān)理論的不完善和試驗(yàn)方法、設(shè)備的缺陷，高溫作用后有關(guān)土工程性質(zhì)的研究還很少。所以對(duì)高溫作用下土壤工程特性變化的研究尤為重要。分析熱脫附對(duì)土壤工程特性的影響機(jī)制，找出不同溫度和時(shí)間作用下土壤的工程特性的變化規(guī)律是今后研究的一個(gè)方向，相關(guān)成果可減少土壤二次利用前的土壤質(zhì)地論證過(guò)程，促進(jìn)土壤熱脫附后再利用的進(jìn)程。