鉛離子對(duì)黃土基本工程性質(zhì)的影響研究

李明澤，周 鑫，楊秀娟

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100）

1 前言

近年來隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國家工業(yè)化進(jìn)程加快,由于企業(yè)內(nèi)部監(jiān)管不力和企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)落后等因素,大量工業(yè)生產(chǎn)過程中的含重金屬離子的廢水被肆意排放到土壤中,給土壤帶來了嚴(yán)重的污染,我國也因土壤污染問題每年遭受巨大經(jīng)濟(jì)損失。我國每年因重金屬污染的耕地糧食產(chǎn)量多達(dá)1200 萬t,直接經(jīng)濟(jì)損失超過200 億元人民幣[1]。重金屬離子不僅會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu),造成土壤性質(zhì)的變化,也會(huì)造成糧食減產(chǎn),甚至威脅人類的生命安全。

現(xiàn)階段,我國存在重金屬污染土壤總面積約為2000萬hm2,占總耕地面積的1/60,我國土壤重金屬污染問題已經(jīng)十分嚴(yán)峻[2]。姚萬程、劉庚等人通過對(duì)550 個(gè)樣點(diǎn)8中重金屬Pb、Cr、Cd、As、Hg、Cu、Zn、Ni含量的研究,發(fā)現(xiàn)8 種重金屬含量分別為山西省土壤環(huán)境背景值的2.98、0.99、4.45、1.43、13.61、1.35、1.75、1.16倍[3]。王守沛、王文慶通過在寧國市遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)進(jìn)行土壤采樣分析及測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)其表層土壤中Pb、Cr、Cd、As、Hg、Cu、Zn七種重金屬離子均不同程度超過安徽省土壤背景值[4]。林傲然、滕楠等人通過對(duì)重金屬Pb污染固化土的研究,發(fā)現(xiàn)相同種類固化劑、相同齡期下土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著鉛離子濃度的增大而逐漸減小[5]。李雄威、劉正明等人通過對(duì)江蘇省常州市某電鍍廠遺址處的污染土為樣本,進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),電鍍廢水會(huì)大幅度降低土壤的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值[6]。由此可見,我國重金屬土壤污染問題日益嚴(yán)峻,對(duì)工程建設(shè)造成一定威脅。

本項(xiàng)目以不同Pb2+污染程度的楊凌黃土為研究對(duì)象,通過酸堿度試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)探求不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Pb2+影響下,黃土基本工程性質(zhì)的變化規(guī)律。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

該項(xiàng)目所采用的黃土為楊凌黃土,取自陜西楊凌示范區(qū)楊凌大道東側(cè)土坡,基本物性指標(biāo)見表1。楊凌黃土中易溶鹽含量為0.76 g/kg,pH值為8.19,偏堿性,其基本化學(xué)指標(biāo)見

表1 楊凌黃土的基本物性指標(biāo)

表2。本試驗(yàn)所采用的鉛離子為化學(xué)分析純硝酸鉛,購自天津市大茂化學(xué)試劑廠。

表2 楊凌黃土的化學(xué)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的土樣為鉛離子污染土。首先將楊凌黃土去除其中的石子、樹根等雜物,風(fēng)干研磨,然后將其通過孔徑為2 mm的土壤篩；按重金屬離子/干土質(zhì)量比為0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%分別稱取過篩的楊凌黃土和硝酸鉛,將不同質(zhì)量的重金屬鹽溶于蒸餾水中,然后均勻分層噴灑在黃土中,攪拌均勻,用保鮮膜密封24 h,然后風(fēng)干重金屬離子污染土樣,并過2 mm土壤篩,即刻用作試驗(yàn)土樣。

酸堿度試驗(yàn)使用酸度計(jì)測(cè)量不同鉛離子摻量的污染土懸濁液pH值。試樣包括由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%的風(fēng)干污染黃土所制成的土懸液。試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進(jìn)行。

界限含水率試驗(yàn)中使用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定污染土的液限及塑限含水率。試樣包括由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%的風(fēng)干污染黃土所制成的粒徑≤0.5 mm的研磨土。試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進(jìn)行。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用無側(cè)限壓縮儀測(cè)定無側(cè)向壓力下污染土抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。試驗(yàn)中控制土體的含水率為20%,以壓實(shí)度0.80、0.85、0.90和0.95壓制土樣,每組試樣采用3個(gè)平行樣,結(jié)果取平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 鉛離子對(duì)土體酸堿度的影響

圖1是不同鉛離子污染黃土后黃土的酸堿度變化關(guān)系曲線。從圖中可以看到,隨著鉛離子濃度的逐漸增大,污染土的pH逐漸減小,土樣酸性增強(qiáng)。由于硝酸鉛溶于水后會(huì)產(chǎn)生鉛離子,而鉛離子會(huì)與水發(fā)生水解反應(yīng)（反應(yīng)方程式Pb2++2H2O=Pb（OH）2+2H+）,產(chǎn)生氫離子。另外黃土中富含碳酸鹽,水解產(chǎn)生的氫離子會(huì)進(jìn)一步與碳酸鹽反應(yīng),降低土壤的pH,因此土壤的酸性會(huì)隨著鉛離子濃度的增大而增強(qiáng)。

圖1 鉛離子濃度—酸堿度曲線

3.2 鉛離子對(duì)黃土界限含水率的影響

表3是試驗(yàn)所測(cè)得的不同鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)污染土的界限含水率。在鉛離子的影響下,黃土的液限及塑限含水率會(huì)在某一小范圍內(nèi)波動(dòng),塑限范圍在17.6%～19.4%之間,均低于素土的20.6%,液限在30.6%～31.7%之間,均低于素土的32.6%。由此可見,鉛離子濃度在0.1%～1.0%范圍時(shí)對(duì)黃土的界限含水率基本沒有影響。

表3 不同鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的污染土界限含水率

3.3 鉛離子對(duì)黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

3.3.1 鉛離子污染黃土應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系

圖2～圖5是不同壓實(shí)度下鉛離子污染黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以看出,當(dāng)壓實(shí)度為0.8 時(shí),鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的污染土的抗壓強(qiáng)度最高,鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)抗壓強(qiáng)度最小；當(dāng)壓實(shí)度為0.85 時(shí),鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的污染土抗壓強(qiáng)度最高,無污染黃土抗壓強(qiáng)度最小；當(dāng)壓實(shí)度為0.9 時(shí),鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的污染土抗壓強(qiáng)度最高,鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的污染土抗壓強(qiáng)度最??；當(dāng)壓實(shí)度為0.95時(shí)鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的污染土抗壓強(qiáng)度最高,鉛離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的污染土抗壓強(qiáng)度最小。

圖2 壓實(shí)度0.8時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 壓實(shí)度0.85時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 壓實(shí)度0.9時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 壓實(shí)度0.95時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.3.2 鉛離子濃度對(duì)黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖6是不同壓實(shí)度下鉛離子濃度對(duì)黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系曲線。由圖6可知,當(dāng)壓實(shí)度為0.8時(shí),抗壓強(qiáng)度隨著鉛離子濃度的增大而減??；當(dāng)壓實(shí)度為0.85和0.9時(shí)隨著鉛離子濃度的增大,污染土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小；當(dāng)壓實(shí)度為0.95時(shí),隨著鉛離子濃度的增大,污染土的抗壓強(qiáng)度先減小后增大。

圖6 鉛離子污染黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線

在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中,鉛離子為二價(jià)陽離子,水解后的呈酸性。二價(jià)鉛離子的鹽溶液在遇到黃土?xí)r,會(huì)與黃土中的碳酸鹽如碳酸鈣、碳酸鎂等發(fā)生反應(yīng),造成黃土中主要膠結(jié)形式發(fā)生分解,同時(shí)釋放出鎂離子和鈣離子造成土顆粒間的膠結(jié)物減少,使得土顆粒間的黏聚力減小。同時(shí)二價(jià)鉛離子帶正電荷,土顆粒表面帶負(fù)電荷,會(huì)使鉛離子吸附在土顆粒表面,土顆粒之間產(chǎn)生絮凝作用,導(dǎo)致土顆粒表面變得粗糙,造成土顆粒間的摩擦強(qiáng)度增大。

4 結(jié)論

通過酸堿度試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),隨著鉛污染的增大,被污染黃土的酸性逐漸增強(qiáng)；污染土的抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)隨鉛離子濃度的增大而增大；污染土的塑限及液限含水率均有小幅度增加,但黃土的狀態(tài)無明顯變化。