受鉛污染的塑性混凝土強度和滲透性試驗研究

嵇 其 偉，聞 一 江，王 升 位

(1.江西省交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000； 2.建華建材科技(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225009； 3.揚州大學(xué) 建筑科技與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引 言

塑性混凝土由于具有彈性模量小、抗壓強度高和防滲性能好等特點，常作為一種垂直防滲墻被廣泛應(yīng)用于垃圾填埋場工程和污染場地管控工程[1-3]。強度和滲透性是評價塑性混凝土防滲墻的重要參數(shù)，一般要求28 d齡期強度不低于2 MPa，28 d滲透系數(shù)不低于1×10-7cm/s[4]。

目前，大量學(xué)者開展了塑性混凝土墻強度和滲透性方面的研究，發(fā)現(xiàn)強度和滲透性均與塑性混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[5-7]。同時，有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)隨著塑性混凝土孔隙的變化，其pH值和電導(dǎo)率也會隨之發(fā)生改變[8-10]。為此，學(xué)者們常采用電導(dǎo)率和pH 表征塑性混凝土強度和滲透性，進而作為一種快速獲取塑性混凝土墻工程參數(shù)的方法。劉松玉等[11]對連云港水泥混合土進行電阻率(電導(dǎo)率的倒數(shù))和強度測試，發(fā)現(xiàn)水泥混合土強度與電阻率之間存在一定關(guān)聯(lián)。車冬日等[12]開展了混凝土強度和理化性質(zhì)指標(biāo)(pH和電導(dǎo)率)的測定，并提出了利用混凝土前期pH和電導(dǎo)率表征其后期強度的方法。Chrisp[13]針對普通水泥土開展了滲透試驗和電導(dǎo)率試驗，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)隨著電導(dǎo)率的增加而增大，兩者呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性。填埋場和污染場地中重金屬鉛離子污染普遍存在，鉛離子會對塑性混凝土水化碳化反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，進而影響塑性混凝土工程性質(zhì)。Cao等[14]開展了鉛離子對磷酸鎂水泥土抗壓強度和微觀結(jié)構(gòu)的影響研究，發(fā)現(xiàn)重金屬鉛離子會參與水泥土水化和碳化反應(yīng)，進一步對水泥土后期強度產(chǎn)生影響。杜延軍等[15]對鉛污染固化土的強度進行了測定，提出鉛離子會參與水泥水化反應(yīng)，生成難溶解的水化硅酸鉛，進而延緩固化土中膠結(jié)物的水化反應(yīng)。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)塑性混凝土的工程性質(zhì)與pH、電導(dǎo)率均存在一定關(guān)聯(lián)，但受重金屬鉛離子污染的塑性混凝土工程性質(zhì)與理化性質(zhì)指標(biāo)(pH和電導(dǎo)率)存在何種關(guān)系尚不清楚，有待進一步研究。

為了解決以上問題，本文以福建標(biāo)準(zhǔn)砂、河北膨潤土、42.5級普通硅酸鹽水泥和鉛離子溶液組成的鉛污染塑性混凝土為研究對象，開展了4種鉛離子濃度和3個養(yǎng)護齡期條件下塑性混凝土無側(cè)限抗壓強度試驗和滲透試驗，同時測定了強度試驗后塑性混凝土的pH和電導(dǎo)率，進一步分析并建立了塑性混凝土強度、滲透系數(shù)與pH、電導(dǎo)率的定量關(guān)系。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文試驗材料選用砂、膨潤土、水泥和含鉛離子水。其中，水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥，其初凝時間為155 min，終凝時間為190 min，28 d抗壓強度為50.3 MPa；砂選用產(chǎn)自福建省的標(biāo)準(zhǔn)砂；膨潤土選用產(chǎn)自河北省的膨潤土。福建標(biāo)準(zhǔn)砂粒徑分布通過篩分法測定，河北膨潤土粒徑分布采用馬爾文激光粒度儀(馬爾文公司，英國)測定，試驗結(jié)果見圖1。按土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)測定了河北膨潤土基本指標(biāo)[16]，測定的指標(biāo)有比重、液限、塑限、膨脹性和陽離子交換量，其結(jié)果見表1。塑性混凝土配合比設(shè)計時，其配合比參數(shù)應(yīng)控制在如下范圍：① 用水量可控制在250～330 kg/m3；② 砂率都在60%～95%；③ 膠材用量應(yīng)在210～300 kg/m3，其中膨潤土和土的摻量應(yīng)在70～130 kg/m3；④ 水膠比一般在0.7～1.0[17]。因此，塑性混凝土配合比中水膠比(水摻量/水泥+膨潤土摻量)控制為0.9，砂摻量為1 600 kg/m3，水泥摻量為220 kg/m3，膨潤土摻量為90 kg/m3。重金屬鉛離子選用氯化鉛進行配置，文獻[18]采用氯化鉛質(zhì)量為膨潤土質(zhì)量的0.1%，1%和3%進行試驗，為此，本文選用氯化鉛質(zhì)量為膨潤土質(zhì)量的0%，0.1%，1%和3%進行制樣，各試樣材料用量如下：水膠比0.9，水為279 kg/m3，砂1 600 kg/m3，水泥220 kg/m3，膨潤土90 kg/m3，氯化鉛0，0.09，0.90，2.70 kg/m3。

表1 膨潤土物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 砂和膨潤土顆粒級配曲線

1.2 制 樣

將4種鉛離子濃度配置的塑性混凝土分別攪拌均勻后壓入環(huán)刀中。每種鉛離子濃度試樣制備6個試樣，共計24個試樣，為保證試樣均勻密實，將塑性混凝土分3層裝入，每層試樣壓入后進行充分振搗。每個試樣制備好養(yǎng)護1 d后脫模，脫模后的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)YH-40B型恒溫恒濕養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護(騰義達(dá)建筑器材有限公司，河北)。該標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護箱溫度可控制在(20±1) ℃，相對濕度可控制在95%以上，養(yǎng)護齡期分別為7，14 d和28 d。

1.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

塑性混凝土強度采用YYW-Ⅱ應(yīng)變式無側(cè)限壓力儀(滄州科興儀器設(shè)備有限公司，河北)進行測定，其加載速率為2 mm/min，分別對齡期7，14 d和28 d塑性混凝土進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

1.4 滲透試驗

塑性混凝土滲透試驗采用RST-1型柔性壁滲透儀(南京土壤儀器廠，南京)進行測定，分別對齡期7，14 d和28 d塑性混凝土進行滲透試驗。滲透試驗前先將試樣進行抽真空飽和，飽和后的試樣放入滲透儀中進行固結(jié)，固結(jié)壓力選擇為200 kPa。在固結(jié)壓力作用下，觀察排水管液面水位不再變化，即為固結(jié)穩(wěn)定。此時，對試樣施加滲透壓力，滲透壓力選擇為180 kPa。在滲透壓力作用下，每間隔2 h讀取排水管液面水位，待滲透流速穩(wěn)定結(jié)束滲透試驗。

1.5 pH和電導(dǎo)率測定試驗

氫離子濃度指數(shù)(pH)采用上海越平PHS-3CU型pH計(上海越平科學(xué)儀器有限公司，上海)進行測定，物體傳導(dǎo)電流的能力(電導(dǎo)率)采用雷磁DDS-307A型電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，上海)進行測定。分別對養(yǎng)護7，14 d和28 d無側(cè)限抗壓強度試驗后的試樣取樣5 g，將其碾壓后放入50 mL離心管中，同時按土水質(zhì)量比為1∶5取去離子水50 mL放入離心管中，充分振蕩30 min使兩者混合均勻，待靜止后分別測定塑性混凝土的pH和電導(dǎo)率。其中，pH和電導(dǎo)率均每隔4 min測定一次，直至測量結(jié)果穩(wěn)定，測定時的溫度均為室溫25 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛離子濃度對塑性混凝土強度的影響

開展了不同鉛離子濃度和養(yǎng)護齡期塑性混凝土的無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同養(yǎng)護齡期時，隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土強度均逐漸減小；而在相同鉛離子濃度作用下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，塑性混凝土強度逐漸增大，所有塑性混凝土強度均在5～10 MPa之間，其均滿足工程強度要求(即28 d齡期強度不低于2 MPa)。鉛離子一方面會抑制水泥水化反應(yīng)[19]，隨著鉛離子濃度的增加，碳酸鈣等碳化產(chǎn)物的生成量會降低，進而塑性混凝土強度會降低；另一方面重金屬離子會影響塑性混凝土中膨潤土的土水相互作用，降低結(jié)合水膜的含量[20]。在綜合影響下，隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土強度逐漸減小。而塑性混凝土養(yǎng)護齡期越長，水泥水化和碳化反應(yīng)生成的碳酸鈣(CaCO3)含量越高，從而其內(nèi)部孔隙越小，塑性混凝土越密實，強度也就越大[18]。

圖2 混凝土強度隨鉛離子濃度的變化

2.2 鉛離子濃渡對塑性混凝土滲透性的影響

開展了不同鉛離子濃度和養(yǎng)護齡期的塑性混凝土的滲透試驗，結(jié)果如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)在相同養(yǎng)護齡期時，隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土滲透系數(shù)均逐漸增大；而在相同鉛離子濃度作用下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，塑性混凝土滲透系數(shù)逐漸減小，所有塑性混凝土滲透系數(shù)均小于1.0×10-7cm/s，均滿足工程防滲要求。塑性混凝土滲透系數(shù)隨鉛離子濃度和齡期的變化規(guī)律與強度正好相反，同樣，鉛離子加入一方面會影響碳化后的生成物[19]，另一方面影響膨潤土周圍的結(jié)合水含量[20]，進而導(dǎo)致塑性混凝土孔隙增大。因此，隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土滲透系數(shù)逐漸增大。而隨著齡期的增加，碳化后的生成物越多，塑性混凝土越致密，孔隙越小，進而塑性混凝土的滲透系數(shù)越小。

圖3 滲透系數(shù)隨鉛離子濃度的變化

2.3 鉛離子濃度對不同齡期塑性混凝土理化性質(zhì)指標(biāo)的影響

2.3.1對pH的影響

開展了不同鉛離子濃度和養(yǎng)護齡期塑性混凝土的pH測定試驗，結(jié)果如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同養(yǎng)護齡期時，隨著鉛離子濃度的增加，pH不斷減??；在相同鉛離子濃度作用下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，pH也不斷減小。這是由于鉛離子會與孔隙溶液中的氫氧根離子(OH-)反應(yīng)，使得孔隙溶液中OH-減少，從而導(dǎo)致土體pH降低。鉛離子的存在會抑制氫氧化鈣(Ca(OH)2)和水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)的生成，鉛離子主要生成的產(chǎn)物為碳酸鉛(PbCO3)和硅酸鉛(PbSiO3)，有少量的鉛離子依附于CaCO3表面[15]。同理，隨著養(yǎng)護齡期的增加，水化和碳化反應(yīng)更充分，生成了更多碳酸鉛和碳酸鈣，使得塑性混凝土孔隙中OH-減少，pH降低。

圖4 pH隨鉛離子濃度的變化

2.3.2對電導(dǎo)率的影響

開展了不同鉛離子濃度和養(yǎng)護齡期塑性混凝土的電導(dǎo)率測定試驗，結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同養(yǎng)護齡期時，隨著鉛離子濃度的增加，電導(dǎo)率逐漸增大，電導(dǎo)率增加速率逐漸減??；在相同鉛離子濃度作用下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，電導(dǎo)率逐漸減小。通過圖4和圖5的對比可以發(fā)現(xiàn)，pH和電導(dǎo)率與鉛離子濃度、養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律正好相反。一方面隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土內(nèi)可導(dǎo)電離子就越多；另一方面鉛離子會抑制碳化后的生成物[19]和降低膨潤土周圍的結(jié)合水含量[20]，導(dǎo)致塑性混凝土有效孔隙之間的連接增大，所以塑性混凝土導(dǎo)電率會增加。而隨著養(yǎng)護齡期的增加，塑性混凝土的水化和碳化更為充分，大量的離子不斷生成產(chǎn)物，使得可連接的孔隙減小，導(dǎo)電性變差，從而導(dǎo)致塑性混凝土電導(dǎo)率降低[21]。

圖5 電導(dǎo)率隨鉛離子濃度的變化

2.4 pH與電導(dǎo)率之比與塑性混凝土工程性質(zhì)的關(guān)系

從圖2、圖4和圖5中可以發(fā)現(xiàn)，混凝土強度和pH隨Pb2+濃度、齡期變化的規(guī)律類似，即隨著Pb2+濃度和養(yǎng)護齡期的增加，混凝土強度和pH均減小，電導(dǎo)率隨著Pb2+濃度和齡期的增加卻增大，說明塑性混凝土強度與pH成正比，與電導(dǎo)率成反比。為此，本文以pH與電導(dǎo)率之比作為參數(shù)，建立pH/電導(dǎo)率與塑性混凝土7，14 d和28 d強度的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在不同鉛離子濃度和養(yǎng)護齡期條件下，隨著pH/電導(dǎo)率的增加，塑性混凝土強度不斷增大，兩者存在較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.89)，兩者關(guān)系為

圖6 pH/σ與強度的關(guān)系

qu=11.49-4.64×exp[(1.98-p/σ)/1.50]

(1)

式中：qu為塑性混凝土無側(cè)限抗壓強度，MPa；p為塑性混凝土pH；σ為塑性混凝土電導(dǎo)率，ms/cm。

同理，建立了pH/電導(dǎo)率與塑性混凝土7，14 d和28 d滲透系數(shù)的關(guān)系，如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，不同鉛離子濃度和養(yǎng)護齡期條件下，隨著pH/電導(dǎo)率的增加，塑性混凝土滲透系數(shù)不斷減小，兩者存在較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.98)，兩者關(guān)系為

圖7 pH/σ與滲透系數(shù)的關(guān)系

k=0.31+2.24×exp(-1.09p/σ)

(2)

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，pH和電導(dǎo)率可以綜合反映受污染塑性混凝土生成產(chǎn)物種類和水化反應(yīng)程度，進一步可表征不同鉛離子濃度塑性混凝土在不同齡期下孔隙大小。為此，采用pH/電導(dǎo)率綜合描述受鉛污染塑性混凝土7，14 d和28 d的強度和滲透系數(shù)具有一定合理性。

3 結(jié) 論

(1) 在塑性混凝土的強度試驗和滲透試驗中，在相同齡期時，塑性混凝土強度隨鉛離子濃度的增加而減小，滲透系數(shù)隨鉛離子濃度增加而增大；在鉛離子相同時，塑性混凝土強度隨齡期的增加而增大，滲透系數(shù)隨齡期的增加而減小。這主要是由于鉛離子會抑制塑性混凝土碳化后的產(chǎn)物，并降低膨潤土周圍的結(jié)合水含量，從而導(dǎo)致塑性混凝土孔隙增大，故塑性混凝土強度降低、滲透系數(shù)增加。而齡期越大，水泥水化和碳化越充分，塑性混凝土越致密，孔隙越小，故其強度越大，滲透系數(shù)越小。

(2) 對于塑性混凝土pH和電導(dǎo)率的測定，在相同齡期作用下，塑性混凝土pH隨著鉛離子濃度的增加而減小，電導(dǎo)率隨鉛離子濃度的增加而增大；在相同鉛離子濃度作用下，pH和電導(dǎo)率隨著齡期的增大均減小。這主要是由于鉛離子濃度的增加，改變了水泥水化和碳化的產(chǎn)物，消耗更多OH-，pH即越小，同時鉛離子濃度越大，可導(dǎo)電離子和塑性混凝土連通孔隙越大，故電導(dǎo)率也就越大。而齡期越大，水化和碳化程度越充分，孔隙中的離子生成的穩(wěn)定的產(chǎn)物越多，消耗更多的OH-和離子，故pH和電導(dǎo)率越小。

(3) pH和電導(dǎo)率可以綜合反映塑性混凝土產(chǎn)物種類和水化反應(yīng)程度，進而可反映塑性混凝土的孔隙大小。為此，對于不同鉛離子濃度條件下齡期分別為7，14 d和28 d的塑性混凝土，用pH與電導(dǎo)率之比來描述塑性混凝土強度和滲透性，它們之間呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。