礦渣與工業(yè)廢渣改良黃土的性能與機(jī)理研究進(jìn)展*

朱苗淼，朱武衛(wèi)

(1.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 710082；2.四主體一聯(lián)合建筑工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710082)

受成因、成土氣候條件、顆粒形狀及組成、礦物成分等多重因素影響，黃土包含了較多的孔隙并具有大孔隙結(jié)構(gòu)，但由于其礦物成分中的碳酸鈣膠結(jié)效應(yīng)，使得黃土在低含水的天然狀態(tài)下往往具有顯著的結(jié)構(gòu)性，黃土的結(jié)構(gòu)性也使得黃土在外加壓力下具有表面較高的強(qiáng)度和較低壓縮性，但一旦發(fā)生浸水，可溶性的碳酸鹽溶于水中，使得黃土原本具有的結(jié)構(gòu)性大大降低甚至喪失殆盡，在加載和受濕過(guò)程中發(fā)生突然的濕陷變形和結(jié)構(gòu)破壞，并由此造成一系列的建筑物地基病害，誘發(fā)滑坡、泥流、岸坡坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，構(gòu)成嚴(yán)重的水土流失等環(huán)境災(zāi)害和不均勻沉降等工程災(zāi)害，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。加之基于建設(shè)需要，在黃土高原上開(kāi)展大規(guī)模大厚度的挖、填方工程等人類(lèi)工程活動(dòng)，如果處理不當(dāng)，必將加劇對(duì)濕陷性黃土地區(qū)建構(gòu)筑物地基和道路路基、管道等使用環(huán)境的惡化，形成更多不可預(yù)測(cè)的工程問(wèn)題和災(zāi)害事故。

為使?jié)裣菪渣S土地區(qū)建構(gòu)筑物地基能滿(mǎn)足強(qiáng)度、變形、水穩(wěn)性及耐久性等要求，有必要對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行改良[1]。目前在濕陷性黃土改良方面多采用水泥、石灰、無(wú)機(jī)纖維和高分子材料復(fù)合摻雜，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究已取得了豐碩的成果[2-7]。以上使用石灰、水泥和高分子材料改良濕陷性黃土的方法雖然效果明顯，但同時(shí)存在能耗高、成本高的缺點(diǎn)[7-10]，開(kāi)發(fā)一種低能耗成本適中的改良劑，是目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究的新熱點(diǎn)。而將礦渣和工業(yè)廢渣作為濕陷性黃土改良劑，既能夠解決其大批量的填埋所造成的污染風(fēng)險(xiǎn)，還能夠變廢為寶，最大程度的進(jìn)行資源化利用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工業(yè)廢渣改良濕陷性黃土的效果和機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，但目前缺少相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的總結(jié)。為了使礦渣和工業(yè)廢渣改良黃土被全面和深入的認(rèn)識(shí)，本文將近年來(lái)礦渣和工業(yè)廢渣改良黃土的性能、機(jī)理和潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行總結(jié)分析，以便為礦渣和工業(yè)廢渣改性黃土的進(jìn)一步深入研究和工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)礦渣與工業(yè)廢渣改良黃土的性能與機(jī)理研究進(jìn)展

相對(duì)新型的工業(yè)廢渣而言，以往的黃土改良劑多采用粉煤灰、硅灰和石灰等礦渣和生產(chǎn)廢渣，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)其單摻和多摻使用的效果和機(jī)理已經(jīng)取得了一定的研究成果。

1.1 單摻改良

對(duì)于黃土而言，石灰是較為常用的一種單摻礦物。ZHANG F等[11]研究了不同石灰含量和養(yǎng)護(hù)天數(shù)下石灰處理黃土的物理化學(xué)和力學(xué)性能的變化。物理測(cè)試包括石灰處理黃土的粒度分布、比重、比表面積和陽(yáng)離子交換容量，化學(xué)測(cè)試包括電導(dǎo)率、總?cè)芙夤腆w、pH值和1∶5土壤提取物對(duì)水的氧化還原電位。最后，進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)，28 d齡期下，未摻雜石灰的黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為不到75 kPa，而摻雜15 wt%石灰的黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為500 kPa；120 d時(shí)，摻雜15 wt%石灰的黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)1 200 kPa。這是因?yàn)椋姨幚淼狞S土在水化和火山灰反應(yīng)過(guò)程中，其物理化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，從而形成了團(tuán)聚體和新的膠凝礦物，使石灰處理黃土的性能比未處理黃土有了很大的改善。這種改善可歸因于陽(yáng)離子交換引起的絮凝：首先，陽(yáng)離子交換引起的絮凝而立即形成了團(tuán)聚體，之后，新形成的膠凝礦物在骨料或顆粒之間進(jìn)行了填充。此外，石灰處理黃土的化學(xué)性質(zhì)比物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)環(huán)境變化更為敏感。

胡再?gòu)?qiáng)等[12]對(duì)石灰改性黃土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到改性黃土的石灰摻量分別與最優(yōu)含水量和最大干密度的變化規(guī)律。并且，在不同石灰摻量下，凍融循環(huán)后改性黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加由弱硬化型向弱軟化型過(guò)渡，最后趨于強(qiáng)度軟化型。

1.2 多摻改良

除了使用單一組分的改良劑外，有學(xué)者嘗試使用二元甚至三元的復(fù)合改良劑對(duì)黃土進(jìn)行了固化，除了能夠提高黃土的力學(xué)性能外，還能夠賦予黃土其它的物理化學(xué)性能。

解邦龍等[13]研究了不同齡期下粉煤灰水泥土的三軸抗剪強(qiáng)度變化。結(jié)果表明，粉煤灰水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，試樣的抗剪強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加逐漸增大；由于試樣內(nèi)部各物質(zhì)之間的反應(yīng)隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而持續(xù)進(jìn)行，齡期越長(zhǎng)試樣內(nèi)部各物質(zhì)之間的膠結(jié)作用越強(qiáng)，致使試樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力隨養(yǎng)護(hù)齡期逐漸增大。通過(guò)電子掃描顯微鏡觀(guān)察試驗(yàn)機(jī)理發(fā)現(xiàn)，試樣內(nèi)部生成的結(jié)晶物質(zhì)(鈣礬石)與膠凝物質(zhì)(C-S-H凝膠)等填充試樣內(nèi)部的大孔隙且相互粘結(jié)，導(dǎo)致試樣結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度明顯上升，抗剪強(qiáng)度增大。

硅微粉是以天然石英或熔融石英為原材料，經(jīng)過(guò)分揀、破碎、研磨、浮選、酸洗凈化、高純水處理等多道工藝制成的二氧化硅粉體材料，葛菲等通過(guò)摻入水泥和硅微粉對(duì)黃土進(jìn)行改良，提高了水泥土的抗剪強(qiáng)度[14]。由于硅微粉的火山灰反應(yīng)使得水化硅酸鈣膠凝產(chǎn)物不斷增加，同時(shí)，硅微粉的存在促進(jìn)了水泥水化反應(yīng)，因此水泥和硅微粉雙摻的固化效果優(yōu)于兩者單摻的改良效果。

張?jiān)ゴǖ萚15]將粉煤灰-脫硫石膏-水泥三元凝膠體系運(yùn)用于濕陷性黃土固化，使用Ca(OH)2和NaOH作為活性激發(fā)劑形成復(fù)合濕陷性黃土固化劑，復(fù)合固化濕陷性黃土中后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率高，90 d強(qiáng)度達(dá)到6.85 MPa，強(qiáng)度來(lái)源主要是鈣礬石和水化硅酸鈣。白龍劍等[16]采用硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥與黃土、粉煤灰和沸石粉為主題，開(kāi)發(fā)了一種流動(dòng)性良好、微膨脹、早強(qiáng)快硬的復(fù)合注漿材料，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)24 MPa。

張星辰等[8]對(duì)水泥熟料、粉煤灰、石膏、核心原料和納米SiO2的改性黃土進(jìn)行力學(xué)性能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用納米材料的摻量對(duì)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高效果顯著，并與固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，納米固化土各齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相較普通固化土和32.5號(hào)水泥土可提升10%～30%。其原理是，具有大量高火山灰活性的納米SiO2分子，能夠激活土壤惰性礦物活性，并強(qiáng)化膠體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得固化土土體顆粒粒徑更細(xì)，空間分布更均勻，土體微觀(guān)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，進(jìn)而獲得更佳的力學(xué)性能。

近年來(lái)，一些學(xué)者也嘗試將礦渣改良黃土應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。DASSEKPO等[17]將堿激發(fā)黃土制備為環(huán)保、可持續(xù)、減少碳排放的修復(fù)材料——地聚合物砂漿，用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)劣化修補(bǔ)材料，以適應(yīng)擴(kuò)大的應(yīng)用量。具體做法是，將黃土和磨細(xì)高爐礦渣為原料，用氫氧化鈉或氫氧化鈉和硅酸鈉的混合溶液進(jìn)行活化，制備了地聚合物砂漿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的堿激發(fā)劑對(duì)黃土超細(xì)顆粒的表觀(guān)粘度、粗糙度、壓縮性和微觀(guān)結(jié)構(gòu)特性均有較大影響。納米壓痕結(jié)果表明，砂漿具有良好的附著力、較高的體積壓痕模量和硬度，這使得黃土聚合物成為一種極具潛力的修補(bǔ)材料，可用作水泥混凝土基層的屏障涂層。MANIKANTA等[18]介紹了利用磨細(xì)?；郀t礦渣、膨潤(rùn)土和硅酸鹽水泥混合作為填埋場(chǎng)的襯里，以防止地下水污染的實(shí)驗(yàn)。研究了膨潤(rùn)土和PC混合料對(duì)高爐礦渣的液限、自由膨脹指數(shù)、壓實(shí)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水導(dǎo)率的影響。本研究采用去離子水和柴油污染物作為滲透液。結(jié)果表明，隨著高爐礦渣含量的增加，共混物的液限、自由膨脹指數(shù)和水導(dǎo)率降低，最佳含水率、最大干密度和0 d、14 d和28 d熟化期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。通過(guò)掃描電子顯微鏡和X射線(xiàn)衍射對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)膠凝化合物的形成提高了材料的強(qiáng)度。共混物的水導(dǎo)率隨高爐礦渣含量的增加而降低，與滲透液無(wú)關(guān)。之后對(duì)重金屬的浸出性進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)顯示較高比例的高爐礦渣混合物與滲透劑的相互作用降低了金屬離子的溶解度，從而分別提高了重金屬的濃度。根據(jù)研究結(jié)果，高爐礦渣用作襯砌的最佳比例應(yīng)在15%～20%之間。

隨著粉煤灰的價(jià)格上漲，氧化鈣等礦物開(kāi)采的政策限制，傳統(tǒng)的礦渣改良黃土價(jià)格將逐漸變高。因此，越來(lái)越多的學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了工業(yè)廢渣這一較為便宜且具有水化能力的固化劑上。

2 新型礦渣與工業(yè)廢渣改良黃土的性能與機(jī)理研究進(jìn)展

我國(guó)是鋼產(chǎn)量大國(guó)，因此鋼渣的產(chǎn)出也較大，若能將鋼渣用于黃土的改良劑使用，將會(huì)使該產(chǎn)業(yè)形成良性循環(huán)。國(guó)內(nèi)外新型礦渣與工業(yè)廢渣改良黃土的性能與機(jī)理研究的前期，主要是聚焦鋼渣改良土方面，除了對(duì)其性能機(jī)理進(jìn)行研究，還通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬了鋼渣黃土后期的膨脹情況，對(duì)其工程實(shí)際應(yīng)用和其它類(lèi)似組分的礦渣改良黃土的研究起到了指導(dǎo)作用。

2.1 鋼渣改良黃土

CLARA A Mozejko等[19]評(píng)估了通過(guò)添加鋼渣來(lái)穩(wěn)定黏土型濕陷性黃土的性能。通過(guò)顯微鏡和機(jī)械性能試驗(yàn)評(píng)估了鋼渣含量、壓實(shí)水分含量和固化時(shí)間對(duì)強(qiáng)度、變形模量、顆?；涂捉Y(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，隨著固化時(shí)間的增加，土壤抵抗力和剛度增加。這是由于黏土質(zhì)粉質(zhì)顆粒的玻璃狀部分與鋼渣之間的相互作用產(chǎn)生了天然膠凝材料。黃偉等[20]采用土體固化技術(shù)制備新型道路基層材料-鋼渣混合土。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，50%鋼渣+50%黃土并摻入占鋼渣重量40%的礦渣微粉，其強(qiáng)度值可達(dá)7.19 MPa。電子掃描顯微鏡(SEM)結(jié)果表明，鋼渣混合土內(nèi)部結(jié)構(gòu)早期為單一混合料團(tuán)聚體堆疊，隨著齡期增長(zhǎng)，逐漸衍變?yōu)閳F(tuán)聚體與C-S-H凝膠片狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使得土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。這種類(lèi)型的反應(yīng)也可以通過(guò)直接測(cè)量火山灰指數(shù)，以及采用降低含水量的方法來(lái)確定。

J M MONTENEGRO-COOPER等[21]對(duì)鋼渣和與天然土壤的混合物進(jìn)行了體積膨脹試驗(yàn)，以期將其用于路堤建設(shè)和相關(guān)土方工程等土木工程項(xiàng)目。分析了氧化鎂的影響，并提出了一個(gè)分析模型預(yù)測(cè)鋼渣土的膨脹，模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，粘性土混合物與礦渣之間的化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在電位膨脹試驗(yàn)的前40 h。

2.2 其它工業(yè)廢渣改良黃土

銅渣是一種需要妥善處理或回收利用的工業(yè)副產(chǎn)品。銅渣天然富含硅酸鐵、氧化鈣和氧化鋁，少量的銅、鉛、鋅和其他金屬。R GOBINATH等[22]在天然沖積土中分別摻入1 wt%和2 wt%的銅渣進(jìn)行穩(wěn)定化處理，研究了摻銅渣和不摻銅渣土樣的抗拉強(qiáng)度和承載能力。研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中銅渣含量的增加，抗拉強(qiáng)度成倍提高，土體承載強(qiáng)度也有較大幅度的提高。隨著銅渣含量的增加，土壤表現(xiàn)出明顯抗侵徹能力，3 wt%的銅渣含量可以有效地增強(qiáng)土壤的強(qiáng)度特性。

鎂渣是一種2CaO·SiO2(40 wt%～50 wt%)、MgO(4 wt%～7 wt%)、Fe2O3(5 wt%～8 wt%)、 Al2O3(1 wt%～4 wt%)和少量f-CaO的工業(yè)廢渣，大量分布于陜西省陜北地區(qū)，具有水化活性和火山灰活性，并且成本低廉，耗能低，是一種具市場(chǎng)潛力和應(yīng)用價(jià)值的新型濕陷性黃土改良材料。狄圣杰等[23]發(fā)現(xiàn)活性MgO(鎂渣的主要成分之一)可顯著提高濕陷性黃土抗剪強(qiáng)度；隨著活性MgO摻量和養(yǎng)護(hù)齡期增加，固化濕陷性黃土的粘聚力和內(nèi)摩擦角先增大后減小，這是由于活性MgO與濕陷性黃土均勻混合后發(fā)生水化反應(yīng)，水解生成Mg2+和OH—，Mg2+可進(jìn)一步與土顆粒中陽(yáng)離子發(fā)生離子交換，使土顆粒凝聚成團(tuán)、顆粒間聯(lián)結(jié)力增大，從而引起固化土粘聚力和內(nèi)摩擦角明顯增加。

陳立東等[24]采用CaO改性氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)廢料赤泥(與鎂渣成分類(lèi)似，含有β型硅酸二鈣)作為濕陷性黃土固化劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度隨赤泥摻量的增加符合二次函數(shù)變化，隨齡期的增加符合線(xiàn)性變化規(guī)律；發(fā)現(xiàn)在28～90 d齡期且赤泥摻量為30%～60%時(shí)，強(qiáng)度相比水泥固化土可提高2.5～4倍。CHEN Ruifeng等[25]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)赤泥含量對(duì)碾壓混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有顯著影響。適量赤泥廢渣能有效改善黃土路基填筑的力學(xué)性能。在本研究中，黃土路基填筑的最佳赤泥含量約為15 wt%～20 wt%。微觀(guān)分析表明，赤泥具有較強(qiáng)的堿性和水解性，可以促進(jìn)更多膠凝水合物的生成，如C-S-H/C-A-S-H和Aft。這些水合物、赤泥細(xì)粒和團(tuán)聚體可以附著在黃土顆粒表面或填充粒間孔隙，使土體結(jié)構(gòu)更加致密、穩(wěn)定，從而使力學(xué)性質(zhì)得到明顯改善。

賀生云等[26]利用鎂渣對(duì)寧夏平羅縣的超鹽漬土進(jìn)行固化處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎂渣具有物理加固作用，即粉煤灰與鎂渣的填充潤(rùn)滑密實(shí)作用，相同粉煤灰摻量的超鹽漬土的摩擦角隨著鎂渣摻量的增加基本呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，固化過(guò)程中存在化學(xué)加固和物理加固兩個(gè)過(guò)程：化學(xué)加固為粉煤灰、鎂渣與鹽漬土中 SiO2和 Al2O3等高活性氧化物進(jìn)入溶液，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣和氫氧化鈣等具有強(qiáng)度的水化物，從而提高土體強(qiáng)度。物理加固是指粉煤灰與鎂渣的填充潤(rùn)滑密實(shí)作用，較小的鎂渣、粉煤灰顆粒填充進(jìn)入鹽漬土顆粒之間的小孔隙，使得后者密實(shí)；粉煤灰、鎂渣的黏性較小，粉煤灰、鎂渣的摻入使得鹽漬土的黏性減小，易于壓實(shí)，利于土體密實(shí)均勻。而鎂渣-粉煤灰的加固作用主要體現(xiàn)為物理加固。

2019年張磊等[27]發(fā)現(xiàn)鎂渣對(duì)于膨脹土膨脹性的改良具有顯著的效果，而鎂渣改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在鎂渣摻量為15 wt%時(shí)達(dá)到峰值。他認(rèn)為鎂渣的改良機(jī)理主要為兩點(diǎn)：①鎂渣與水混合后，電離出大量的高價(jià)陽(yáng)離子 (Ca2+、Fe3+、Al3+)，它們通過(guò)離子交換置換出黏土顆粒中的低價(jià)陽(yáng)離子 (Na+、K+)，改性土的顆粒間距變小，使得改性土的液限和塑性指數(shù)降低，進(jìn)而改善土體的膨脹特性。②鎂渣中的β型硅酸二鈣具有良好的水化活性，遇水反應(yīng)后可生成水化硅酸鈣凝膠(xCaO·SiO2·nH2O)。凝膠物質(zhì)產(chǎn)生會(huì)將土顆粒充分包裹，成網(wǎng)狀的緊密連接在一起。它改變了土顆粒雜亂無(wú)章的分布狀態(tài)，并使單獨(dú)的顆粒形成一個(gè)整體，從而增加了土體的強(qiáng)度，它是膨脹土體強(qiáng)度提高的主要原因。

李宏波等[28]對(duì)水泥、粉煤灰、硅灰、鎂渣共摻作為渠道鹽漬土地基固化劑的固化效果進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水泥是影響鹽漬土抗剪強(qiáng)度的主要因素，粉煤灰和硅灰摻入增加了鹽漬土的干縮性能，而鎂渣摻入土體中生成的硫酸鎂會(huì)使體積膨脹，因此，當(dāng)粉煤灰、硅灰和鎂渣共同摻入到鹽漬土中時(shí)就能夠減小鹽漬土的干縮變形，同時(shí)加強(qiáng)固化效果。

通過(guò)賀生云、張磊和李宏波等人的研究，可以發(fā)現(xiàn)，鎂渣與粉煤灰對(duì)土的加固具有協(xié)同作用，然而目前仍然缺少將鎂渣與其它礦物廢渣共同應(yīng)用于黃土固化改良方面的研究。

礦渣與廢渣改良濕陷性黃土具有理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)需求，并且具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，即提高了礦渣與廢渣作為產(chǎn)品的附加值，也能夠降低其造成的揚(yáng)塵污染與填埋占地。但目前為止，尚缺少礦渣與廢渣改良濕陷性黃土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)礦渣與廢渣的處理方法和摻量控制等因素的參數(shù)控制并不明確，這對(duì)于該方面市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)造成了極為不利的影響。

3 工業(yè)廢渣改良黃土的潛在風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展

西北地區(qū)的黃土具有一定的亞穩(wěn)定性，加入的化學(xué)物品往往能改變黃土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還會(huì)對(duì)黃土造成潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)[29-30]。然而，目前報(bào)道的礦渣與工業(yè)廢渣中難以避免的含有微量的化學(xué)成分與重金屬，為了避免礦渣與廢渣造成二次污染，這些成分對(duì)黃土的污染與微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響也應(yīng)成為研究的重點(diǎn)。

MASRUR M等[30]指出，粉煤灰和礦渣是潛在的有毒物質(zhì)來(lái)源，可能會(huì)將重金屬和微量金屬淋溶到土壤、地表水和地下水中，從而對(duì)環(huán)境造成風(fēng)險(xiǎn)。為了評(píng)估這些風(fēng)險(xiǎn)，他采用毒性特征淋溶試驗(yàn)研究了粉煤灰、礦渣、Ⅰ/Ⅱ類(lèi)水泥、水泥活化粉煤灰和礦渣穩(wěn)定土中鋁(Al)、銅(Cu)、鐵(Fe)和鋅(Zn)的淋溶環(huán)境危害。硫酸鹽、可溶性無(wú)機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳濃度也被量化，以評(píng)估它們對(duì)淋溶的影響。為了解pH對(duì)浸出行為的影響，在pH值為2～14的范圍內(nèi)進(jìn)行了pH相關(guān)的浸出試驗(yàn)。結(jié)果表明，粉煤灰或礦渣含量的增加并不一定會(huì)增加粉煤灰中的有效金屬濃度，在酸性和堿性條件下，Al、Cu、Zn和有機(jī)碳均遵循兩性淋溶模式，濃度均增加。相反，可溶性無(wú)機(jī)碳的最大濃度出現(xiàn)在中性或近中性的pH值。Fe和SO4均表現(xiàn)出陽(yáng)離子浸出行為，濃度隨出水pH升高而降低。此外，利用地球化學(xué)模擬程序Visual MINTEQ對(duì)金屬的浸出控制機(jī)理進(jìn)行了探討。分析表明，在所有pH值下，Al3+和Fe3+的溶解度受氧化物/氫氧化物礦物的沉淀/溶解反應(yīng)控制。Cu2+的浸出僅在pH高于7時(shí)被控制在溶解度范圍內(nèi)，而Zn2+的浸出在pH值為8～12范圍內(nèi)被控制在溶解度范圍內(nèi)。

FEI Z等[31]研究了黃土對(duì)沉積物中Cu、Zn、Cd、Pb的固化效果。將黃土與10 kg濕泥沙按0、0.5、1、2、5、10、20 kg劑量養(yǎng)護(hù)70 d，然后進(jìn)行毒性特征淋溶實(shí)驗(yàn)，之后用X射線(xiàn)衍射和掃描電子顯微鏡分析了重金屬固定化的可能機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，與未經(jīng)處理的沉積物相比，黃土降低了Cu和Zn的淋失率，分別降低了42.4%和17.6%。黃土對(duì)沉積物中的銅和鋅有顯著的固定作用，10 kg濕沉淀物中黃土的最佳用量為5 kg。而黃土對(duì)Cd、Pb的固定效果較差。相關(guān)分析表明，毒性特征淋洗處理法可用于預(yù)測(cè)黃土改良沉積物中Cu、Zn、Cd、Pb的毒性。黃土化底泥的pH、電導(dǎo)率、有機(jī)物含量和CaCO3在毒性特征淋溶實(shí)驗(yàn)中起主導(dǎo)作用。

MASRUR M等[32]還研究了水泥摻入粉煤灰和礦渣混合土后可能引起的元素的淋溶特性。實(shí)驗(yàn)以水泥活化土壤—粉煤灰、土壤—礦渣混合物、土壤、粉煤灰、鋼渣和水泥中鈣(Ca)、鎂(Mg)、硫(S)、錳(Mn)、鋇(Ba)和鉻(Cr)的淋溶特性作為研究對(duì)象，進(jìn)行了間歇水浸出試驗(yàn)、酸中和容量試驗(yàn)和pH依賴(lài)浸出試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，首先，隨著水泥摻量的增加，浸出液中Ca、Ba濃度增加，而Mg濃度降低，硫濃度與水泥含量變化趨勢(shì)不同，水泥摻入不影響鉻、錳的浸出量。其次，溶液pH對(duì)元素的浸出行為影響最大，鉻的濃度在極端酸性條件下最高，然后在pH值為5.5～10的范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)濃度平臺(tái)，然后在pH為11.5和13時(shí)分別下降和升高。最后，地球化學(xué)模擬結(jié)果表明，除Cr外，元素的淋溶機(jī)理主要受其硫酸鹽礦物和氫氧化物礦物的控制。鉻的浸出可能受BaCrO4和CaCrO4的控制，而水泥作為活化劑時(shí)，碳酸鹽礦物的存在對(duì)元素的淋溶機(jī)理沒(méi)有顯著影響。

WANG等[33]指出，雖然鋼鐵廢渣中含有鈣(Ca)、鎂(Mg)、磷(P)和硅(Si)，可用作硅和磷肥，生產(chǎn)鈣鎂磷肥料，或者作為農(nóng)業(yè)土壤改良劑。然而，在鋼鐵冶煉過(guò)程中，鐵礦中的幾種污染物不可避免地會(huì)轉(zhuǎn)移到鋼鐵渣中，導(dǎo)致鎳(Ni)、銅(Cu)、汞、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、砷、鉛、硒、氟(F)和氯(Cl)等污染物富集，其中一些污染物(特別是Cr、Ni、F和Cl)超標(biāo)。鋼渣中錳、鋇、釩元素含量高于土壤環(huán)境背景值。為保障土壤健康、食品安全和環(huán)境質(zhì)量，建議對(duì)未經(jīng)有害污染物減排預(yù)處理、具有環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)的鋼鐵渣等工業(yè)固體廢物，不得直接用于土壤修復(fù)或農(nóng)田調(diào)理，防止污染物進(jìn)入食物鏈，危害人體健康。基于類(lèi)似的原因，WANG等也不建議在沒(méi)有任何減少有害污染物的預(yù)處理情況下，將鎂渣直接用于土壤修復(fù)或直接進(jìn)入農(nóng)田。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)礦渣與工業(yè)廢渣固化黃土的研究的同時(shí)，應(yīng)注意其浸出液pH值的變化和重金屬等微量化學(xué)元素含量的檢測(cè)值。

4 總結(jié)與展望

通過(guò)上述分析論述可以發(fā)現(xiàn)，在綠色低碳轉(zhuǎn)型的大背景下，將工業(yè)廢渣和礦渣用于建設(shè)用地的黃土改良將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。然而，由于礦渣與廢渣自身成分和屬性的問(wèn)題，其應(yīng)用依然需要科研人員與工程師進(jìn)行大量的研究與實(shí)踐。特別是對(duì)以下三個(gè)方面，應(yīng)給予重視。

(1)為保護(hù)我國(guó)土壤健康，避免二次污染，黃土固化后引起的環(huán)境問(wèn)題必須受到重視，因此，必須通過(guò)大量測(cè)試在保證土壤性能安全和穩(wěn)定的前提下，并著重檢測(cè)土壤的pH值、有機(jī)碳以及重金屬的滲出液等參數(shù)。

(2) 由于將工業(yè)廢渣應(yīng)用于建筑工程的標(biāo)準(zhǔn)尚未制定，因此，還需要巖土領(lǐng)域的專(zhuān)家根據(jù)已有的研究成果、經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，探索制定此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)關(guān)于新型的礦渣與廢渣的研究較少，特別是其與水泥、粉煤灰和礦渣等傳統(tǒng)的廢渣共同改良黃土的研究尚缺乏，而后者往往能夠體現(xiàn)很好的協(xié)同作用，可在一定程度上提高土體穩(wěn)定性，還能夠降低改良成本。因此，這也是一個(gè)非常有前景的研究方向。