石灰改性石油污染鹽漬土的力學(xué)特性

佟利輝 李敏 李達

摘要 以實現(xiàn)石油污染土的工程再利用為目的，借助無側(cè)限抗壓強度試驗，探索石灰改性石油污染濱海鹽漬土的強度分布規(guī)律。結(jié)果表明：石灰改性有助于提高石油污染土的抗壓強度和抗變形性能，10%石灰改性污染土的無側(cè)限抗壓強度最小值為764 kPa，能夠滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（TJJ034—2000）中二級和二級以下公路底基層強度標(biāo)準(zhǔn)（500 kPa）。石灰改性污染土的峰值應(yīng)變平均值為2.04%，小于石油污染土的峰值應(yīng)變（3%）;石灰改性石油污染土的抗壓強度隨含油量的增加先增大再穩(wěn)定后減小，隨石灰摻量及養(yǎng)護齡期的增加而增大;經(jīng)石灰改性處置，污染土的破壞模式由塑性大變形破壞轉(zhuǎn)為脆性開裂破壞，且隨養(yǎng)護齡期、石灰摻量及含油量的增加，土樣裂縫寬度增大且邊緣更加不規(guī)則;含油率對改性反應(yīng)進程影響較小，且存在臨界石油含量作用點，對于0～20%石油污染鹽漬土，適宜石灰摻量為10%，養(yǎng)護齡期依舊為21 d。

關(guān) 鍵 詞 石油污染土;石灰改性;無側(cè)限抗壓強度;抗變形特性;濱海鹽漬土

Abstract In order to achieve the engineering reuse of oil-contaminated soil， an unconfined compression strength test was carried out to study the strength distribution of oil contaminated saline soil solidified with lime. Results indicated that： （i） Compressive strength and anti-deformation behavior of oil contaminated soil can be effectively improved by lime solidification， and the minimum value was 764 kPa as lime content of 10%. It can meet the strength standard level of two and below grade road base （500 kPa） in the “Technical Specifications for Construction of Highway Pavement Base” （TJJ034—2000）. The average value of peak strain was less than oil-contaminated soil， it is 2.04% as lime content of 10%. （ii） Compressive strength of oil- contaminated soil solidified with lime increase firstly， then remain stable and decrease with the increase of oil content. The effect of lime content and curing days increase continually. （iii） Failure for oil-contaminated saline soil solidified with lime change from plastic mode to brittle mode. Besides that， the width and irregularity cracks are intensified with increase of curing days， lime content and oil content. （iv） There is little effect of oil contamination on solidification reaction process， and a critical point of oil contamination exists. The optimum of lime content and curing days for the soil with oil content of 0-20% is 10% and 21 respectively.

Key words oil contaminated soil; lime solidification; unconfined compressive strength; anti-deformation characteristics; saline soil

0 引言

石油作為重要的能源與工業(yè)原料，是發(fā)展經(jīng)濟和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，但伴隨石油的開采、運輸及使用過程，易發(fā)生石油的拋灑或泄漏事故，造成周圍土體的嚴(yán)重污染[1-2]。石油污染影響生態(tài)環(huán)境，被污染土體寸草不生;石油污染改變土體的水理及力學(xué)性能[3-6]。隨石油污染水平的增加，污染土液、塑限和強度值有所降低，抗變形能力變差[7];石油污染水平超過4%，強度急劇降低，顆粒微觀形貌呈絮狀結(jié)構(gòu)[8];環(huán)境溫度與強度值呈反比例關(guān)系，石油污染土的抗變形能力取決于溫度和污染水平[9]。石油污染土的合理處置已成為需要解決的科學(xué)問題。

從工程再利用的角度出發(fā)，向石油污染土中摻加改性材料，改善石油污染土的性能，并將改性石油污染土用作路基填料，不失為一種合理的處置方式[10-11]。石灰改良可減少施工后沉降，保證路基穩(wěn)定，避免路基病害，已廣泛應(yīng)用于鹽漬土的處置[12]。石灰改良土作路基填料，是修筑高速公路、高速鐵路過程中常用路基施工技術(shù)[13]。石灰對常見礦物成分高嶺土、蒙脫石、石英等的工程力學(xué)性質(zhì)均具有改良作用[14]。石灰摻量、壓實系數(shù)及養(yǎng)護齡期均影響改性土的抗壓強度[15]。隨著石灰摻量的增加，鹽漬土的抗壓強度呈比例增加[16]。隨養(yǎng)護齡期的增加，石灰改性鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度增加。前4周內(nèi)強度增長較快，以后增幅變緩[17]。經(jīng)石灰改性后，鹽漬土的峰值軸向應(yīng)變大幅度下降，其抗變形能力大為增強，改性效果顯著[18]。

本文以石油污染濱海鹽漬土為研究對象，選取石灰作為改性材料，通過無側(cè)限抗壓強度試驗，明確改性效果，并量化石灰摻量、含油量、養(yǎng)護齡期對石灰改性石油污染土的強度和變形特性的影響力，力求為石油污染土的工程再利用提供力學(xué)上的參考。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料

鹽漬土取自天津濱海新區(qū)，試驗前先將土混勻風(fēng)干，碾散并過2 mm篩密封備用。石油取自天津大港油田，石油和風(fēng)干鹽漬土的基本物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)分別見表1和表2。石灰為袋裝生石灰，有效鈣鎂含量為70%。

1.2 試驗方法

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[19]，鹽漬土風(fēng)干過2 mm篩。水、石油和石灰按干土質(zhì)量的百分比依次與鹽漬土均勻混合，其中水、油與土混合后悶24 h，采用雙向靜力壓實法制備試樣，試樣直徑39.1 mm，高80 mm，干密度1.65 g/cm3。

由于污染土中石油與水之間存在競爭關(guān)系，當(dāng)油水總量超出飽和度時，試樣制備過程中存在油水溢出現(xiàn)象。綜合考慮土中石油污染飽和度及已有文獻中對石油的控制范圍 [2-5]，將含油量最大值設(shè)定為20%。確定含油量為0%、5%、10%、15%、20%;統(tǒng)籌關(guān)于鹽漬土研究中涉及的石灰摻量范圍0～12%[10，13-15]，確定石灰摻加量為6%、8%、10%、12%。

利用TSZ-2.0型應(yīng)變控制式三軸儀測定無側(cè)限抗壓強度，量力環(huán)系數(shù)12.2 N/0.01 mm，剪切速率0.09 mm/min，以變形量0.2 mm為間隔讀取應(yīng)力值。

2 分析與討論

2.1 石灰摻量對改性石油污染土無側(cè)限抗壓強度的影響

在含油量一定的條件下，石灰改性污染土的無側(cè)限抗壓強度隨石灰摻量的增加而增大（圖1）。養(yǎng)護初期，強度與石灰摻量近乎呈線性關(guān)系;隨養(yǎng)護時間的延長，曲線逐步出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，石灰摻量大于10%，曲線增長變緩。石灰改性石油污染土初期的強度主要取決于石灰摻量，而后期的強度則由石灰碳化反應(yīng)決定。

分別與未改性土進行對比，建立強度增長速率指標(biāo)，以確定石灰與含油量間量化關(guān)系，增長速率見表3。石灰摻量6%比0%的強度增大300%以上，證實：石灰可有效改善石油污染鹽漬土的強度。在不同含油量條件下，相同養(yǎng)護齡期石灰改性污染土的強度增長速率基本不變，即石油不會延遲改性反應(yīng)的進行，對碳化反應(yīng)進程影響較?。ū?）。相同含油量下，養(yǎng)護齡期28 d的強度增長速率為養(yǎng)護齡期7 d的一半左右，石灰改性污染土的強度提升主要集中在石灰改性反應(yīng)初期。

石灰改性污染土的強度在石灰摻量0～10%增長較快，10%之后增長速度減緩（圖1），從工程經(jīng)濟角度考慮，可選的適宜石灰摻量為10%。同時，各養(yǎng)護條件，含油量為10%和15%的曲線基本重合，證實存在臨界范圍，石灰改性效果不受到影響。

2.2 養(yǎng)護齡期對改性污染土無側(cè)限抗壓強度影響

石灰改性石油污染土的抗壓強度均隨養(yǎng)護齡期的增加而增大（圖2）。

在石灰摻量為6%、8%時，其強度隨著養(yǎng)護齡期近似呈線性增長（擬合公式分別見式（1）和式（2），以含油量10%的為例），相關(guān)系數(shù)在97%以上;在石灰摻量為10%、12%時，其強度隨著養(yǎng)護齡期呈非線性增長（擬合公式分別見式（3）和式（4），以含油量10%的為例），其強度在7～14 d迅速增大，平均增大335 kPa，在14～28 d時，強度增加速度變慢，平均增大125 kPa，其規(guī)律與文獻[12]中的近似。

不同含油量下石灰改性污染土的抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律相同。為了進一步分析含油量對改性反應(yīng)的影響，繪制石灰主反應(yīng)階段（即養(yǎng)護7～14 d）改性石油污染土抗壓強度增長率隨含油量的變化曲線（圖3）。3種石灰摻量條件下，曲線均呈直線，含油量對石灰改性污染土的強度增長率影響較小。

2.3 含油量對改性石油污染土無側(cè)限抗壓強度的影響

隨含油量的增加，石灰改性石油污染土的抗壓強度先增大再穩(wěn)定后減小（圖4）。

含油量為0～10%時，改性污染鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度隨含油率的增加逐漸增大;含油量為10%～15%，強度基本不變;含油量大于15%時，強度開始降低。這一規(guī)律與石油污染土的規(guī)律基本一致[3-4]。

無側(cè)限抗壓強度試驗是在冬季進行，試驗溫度比較低，石油的黏滯性大，與土顆粒的黏接作用強，在土樣中的孔隙被石油充滿之前，石油主要起到黏接土顆粒的作用，土樣強度增大（含油量為5%～10%）;土樣中的孔隙被石油充滿后，過量的石油會形成油膜，減小土顆粒之間的相互作用力，土樣強度減?。ê土繛?5%～20%）。含油量為10%～15%強度基本不變，說明存在石油作用的臨界點。

分析含油量與適宜石灰摻量及養(yǎng)護齡期間的關(guān)系，石油含量雖然影響石灰改性污染土的強度指標(biāo)，但不影響最適宜石灰摻量以及最適宜養(yǎng)護齡期。即在不同含油量條件下，適宜石灰摻量均為10%，適宜養(yǎng)護齡期均為21 d。

2.4 石灰摻量對改性石油污染土抗變形性能影響

石灰改性石油污染土呈應(yīng)變軟化型破壞，軸向應(yīng)變在2%左右時，軸向應(yīng)力達最大值（圖5）。整個應(yīng)力應(yīng)變曲線可劃分成3個階段：1）軸向應(yīng)變在0～1%時，應(yīng)變增加，應(yīng)力近似線性增長;2）軸向應(yīng)變在1%～2%時，應(yīng)變的增長速度大于應(yīng)力的增長速度，直到應(yīng)力達到峰值，試樣破壞為止;3）軸向應(yīng)變在2%～6%時，應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力下降。

從圖5可以看出，石灰改性污染土的峰值應(yīng)變遠小于石油污染土的峰值應(yīng)變，且隨著石灰摻量的增加，石灰改性污染土的應(yīng)力應(yīng)變曲線由平滑狀向尖峰狀過渡，峰值應(yīng)變呈先減小后穩(wěn)定的趨勢（表4）。石灰可有效改善石油污染土的抗變形性能。

石油污染土呈一條主裂縫周邊帶有若干條微裂縫的破壞形態(tài)（圖6a））。石灰改性污染土破壞時只有一條主裂縫周邊基本沒有微裂縫（圖6b）～圖6d）），土樣的整體性增強。石灰改性石油污染土呈剪切型破壞，破壞面呈斜向（45±φ/2）°。隨著石灰摻量增加，裂縫寬度變大且裂縫邊緣愈發(fā)不平整。

2.5 養(yǎng)護齡期對石灰改性污染土抗變形性能影響

隨著養(yǎng)護齡期的增加，石灰與土顆粒間的化學(xué)反應(yīng)不斷深入，石灰改性污染土應(yīng)力應(yīng)變曲線變陡，初始彈性模量增大，應(yīng)力峰值提高，土樣脆性破壞增強（圖7）。

養(yǎng)護初期（7 d）改性石油污染土試樣存在碎塊脫落，養(yǎng)護后期（28 d），試樣呈片塊狀脫落（圖8）。

2.6 含油量對石灰改性污染土抗變形性能影響

含油量對改性污染土抗變形性能的影響較?。▓D9）。在5%、10%、15%、20%含油量條件下，石灰摻量10%，養(yǎng)護齡期7 d的石灰改性污染土峰值點處對應(yīng)的應(yīng)變分別為2%、2.25%、2%、2.25%;6%石灰摻量，養(yǎng)護齡期28 d的石灰改性污染土峰值點應(yīng)變分別為2.5%、2.25%、2%、2.5%。峰值應(yīng)變均在2%左右，含油量對抗變形性能的影響較小。

含油量影響改性污染土的破壞形態(tài)（圖10），含油量為5%的土樣呈碎顆粒狀脫落，土樣的整體性較差，說明少量石油不完全包裹顆粒，對改性污染土影響較小，破壞形態(tài)趨同于常規(guī)石灰改性土;含油量為10%和15%的土樣呈塊狀脫落，土樣的整體性有所提高;含油量為20%的土樣破壞裂縫數(shù)目和寬度均有所增加，原因為當(dāng)石油完全填充孔隙，顆粒間呈現(xiàn)液-液界面，在石油的潤滑作用不斷改變破壞面滑移軌跡，致使土體破壞較為碎散。

3 結(jié)論

1）石灰改性可有效改善石油污染土的無側(cè)限抗壓強度和抗變形性能。石灰改性污染土的強度隨著石灰摻量的增加而增大，峰值應(yīng)變隨石灰摻量增加先減小后穩(wěn)定。對于0～20%的石油污染鹽漬土，適宜石灰摻量為10%。

2）石灰改性石油污染土的抗壓強度和抗變形性能均隨養(yǎng)護齡期的延長而提高。對于石油污染鹽漬土，適宜養(yǎng)護齡期依舊是21 d，和石灰改性鹽漬土的結(jié)果一致，石油污染程度對改性反應(yīng)進程的影響較小。

3）含油量影響石灰改性石油污染土的力學(xué)性能。隨著含油量的增大，石灰改性污染土的無側(cè)限抗壓強度先增加再穩(wěn)定后減小。經(jīng)石灰改性處置，污染土的整體性增強，污染土的破壞模式由塑性大變形破壞轉(zhuǎn)為脆性剪切型破壞。改性污染土的破壞應(yīng)變及峰值應(yīng)變波動較小。對于改性石油污染鹽漬土需考慮石油含量影響的臨界點。

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