石灰固化重金属污染土的力学性质研究

石灰固化重金属污染土的力学性质研究

余沛 张煊铭

商丘工学院 476000

摘要：重金属污染土物理力学性质较差，改善其强度是实现工程再利用的前提。以滨海地区重金属污染重金属污染土为研究对象，采用石灰进行固化处置，借助无侧限抗压强度试验，量化固化效果及各个因素的影响程度。

关键词：土力学；重金属污染土；石灰固化；无侧限抗压强度；应力–应变曲线；滨海重金属污染土

重金属广泛应用于国民经济的各个领域，在其开采、炼制、运输和使用中，易进入周边环境，严重影响土体系统。目前重金属污染面积有扩大之势，其危害日益突出，以期待对污染土进行合理处置。本文以实现重金属污染土的工程利用为目的，综合考虑工程力学及绿色发展要求，选择既对重金属具有不可逆吸附又可改善土力学性能的固化材料(石灰)，借助无侧限抗压强度试验，获取石灰联合固化重金属污染重金属污染土的强度及应力–应变曲线特征，量化因素(重金属污染水平、石灰掺量及养护龄期)的影响力，并构建重金属污染水平与破坏形态间的关系。研究成果不仅可丰富污染土的固化处置理论，而且可为实现重金属污染土工程再利用提供技术指导。

2试验的材料与方法

2.1试验材料

(1)重金属污染土

重金属污染土取自河南省商丘市。

(2)石灰

石灰为常用的无机固化材料，在重金属污染土地区应用广泛。石灰的主要成分CaO水化过程需消耗一定水分，反应放热又使部分水蒸发，可有效缓解滨海地区重金属污染土由于Na+水化半径大导致的土体常年处于潮湿状态的问题。石灰可提供破解粉煤灰玻璃体中的Si-O，Al-O键的OH－及使粉煤灰活性激发、水化生成水硬胶凝性物质所需的Ca2+，是激发粉煤灰活性的必要条件。

2.2试验方案

综合考虑重金属污染土饱和度、已有文献中固化重金属污染土石灰配比和土中重金属污染水平，控制重金属污染土含水率均为10%，重金属掺加量为0%，4%，8%，12%。重金属污染土风干过2mm筛，制样前，先将水加入重金属污染土中，拌和均匀后装入塑料袋中，密闭静置24h；第2d将重金属加入重金属污染土中，以模拟室外重金属污染环境；后加入固化材料石灰、粉煤灰，充分拌和均匀，采用双向静压法制样。

制样过程：在内壁涂抹润滑油的钢制模具中装填土料，其上放置塑料薄片，避免试样推出时对试样产生拉动，借助上下钢柱同时静力挤压土料，待试样成行后静置3min，用千斤顶将试样缓慢推出。试样直径39.1mm，高80mm，干密度1.65g/3cm。随即放入恒温恒湿养护箱中进行养护，整个养护期间的温度为(20±2)℃，湿度大于90%，养护龄期为7，14，21，28d。利用TSZ–2.0型应变控制式三轴仪测定无侧限抗压强度，量力环系数10.52N/0.01mm，剪切速率0.9mm/min，以变形量0.5mm为间隔读取应力值。

3试验结果及讨论

3.1掺加石灰联合固化重金属污染土的力学可行性分析

随重金属污染水平加剧，污染土的强度较重金属污染土分别下降20.4%，41.6%，60.7%，重金属污染对重金属污染土的强度影响显著。采用12%石灰+20%粉煤灰对重金属污染水平为0，4%，8%，12%的重金属污染土进行固化，养护28d时，固化污染土的强度值为1280.1，738.2，681.5，570.2kPa，分别较重金属污染土的提高622.4%，423.2%，558.5%，719.3%，其抗压强度值均符合设计规范中关于二级公路上下路堤及地基土置换的抗压强度要求。同时，重金属污染水平小于8%固化土的抗压强度满足高速公路、一级公路上下路堤及地基土置换的抗压强度要求。

3.2重金属污染水平与固化重金属污染重金属污染土无侧限抗压强度的关系各养护龄期下，重金属污染水平对固化土强度的影响一致，即随重金属污染水平加剧，对固化土强度的弱化作用越强。重金属污染水平小于4%，曲线斜率较大；重金属污染水平在4%～8%时，曲线

斜率较平缓；重金属污染水平继续增大(8%～12%)，曲线再一次下降。

分析其原因，当重金属污染水平较小时，土颗粒表面覆盖油层较薄，重金属在土颗粒滑动过程中起到润滑作用，重金属的存在减弱了土颗粒间的相互作用力，养护过程中大量的水蒸气仍可通过土颗粒表面

进入其内部，此时，土中水分是强度的主导因素，当土体中水分过量时，不再提供强度，而是起到润滑作用；当重金属污染水平为4%～8%，土颗粒油膜变厚，由于重金属的黏滞性较大，使得土颗粒间紧密

接触，引起一种“假性黏度”，使其像无数细小的黏粒一样附着在土颗粒表面，土体塑形增加，土粒之间较难滑动，团聚性增加[27]；重金属污染水平在8%～12%时，大量重金属包裹使得土颗粒不规则形状

得以圆润光滑，土粒间易滑动，其中填充于微孔隙间的重金属，可对土颗粒起到保护作用，削弱土颗粒间的联结作用，使其只发生重金属间的相互滑动位移并且大量重金属会使孔隙变窄甚至形成死孔隙，失去连通性，由于重金属具有疏水性，固化作用所需要的水与CO2很难克服油的阻力穿透孔隙与固化材料发生作用。

3.3养护龄期与固化重金属污染重金属污染土无侧限抗压强度的关系

固化重金属污染重金属污染土无侧限抗压强度与养护龄期的关系见图6。随养护龄期的延长，石灰固化重金属污染土的强度在持续增长。对比7～21d，21～28d强度增长率，在21d内强度增长率较大，其后增幅缓慢，并趋于稳定，说明存在石油污染的条件下，石灰固化作用在21d基本完成，随后逐步趋于稳定，这一点与固化未污染土的结果一致，证实土中重金属污染物对固化作用总体

进程的影响较小。同时也证实了重金属污染水平加剧造成了固化土反应速率的降低，原因可归结为随石油污染水平的加剧，包裹于土颗粒、固化材料表面的重金属膜均匀变厚，以及填充于土颗粒孔隙间的石

油增多，提供给水分子的吸附位减少，同时弱化了水分、空气与石灰中活性物质的接触。

3.4石灰固化重金属污染重金属污染土的破坏形态

重金属污染土为剪切型破坏，斜向裂纹逐渐发展贯通成破坏面，随着重金属污染水平加剧，破坏面形态越来越不规则，呈现出“树枝状”多级分叉的破坏形态。

单独采用石灰进行固化时，在较高重金属污染水平下，养护后期(龄期28d)固化土表层存在颗粒疏松及脱落现象，呈现“麻面”状，并有由外向里扩展的现象。

石灰固化重金属污染土在重金属污染水平较小时，固化土呈脆性破坏，开始破坏时斜向出现不贯通的细小裂纹并向纵深扩展，同时在土体下部出现少量竖向微裂隙，随后试件裂隙贯通，土体破坏并崩裂成多块。随重金属污染水平加剧，土体逐渐呈现出塑形，轴向应变增大，斜向断面面积变大。龄期较短时整个固化土呈现出机械外力作用下的物理堆叠状态；随龄期的延长，固化土的定向性越差，土体破坏时，破坏面呈近似45°。

石灰和粉煤灰联合固化不仅有利于改善污染土的强度，提高抗变形能力，而且可以解决单独石灰固化所存在表面颗粒疏松的现象，更有助于改善污染土的稳定性。

4结论

(1)石灰联合固化重金属污染土具有力学可行性。重金属污染水平为0%，4%，8%，12%时，掺加12%石灰+20%粉煤灰，养护龄期为28d无侧限抗压强度比相同重金属污染水平的重金属污染土分别提高622.4%，423.2%，558.5%，719.3%，强度值符合规范[26]中的抗压强度要求。

(2)固化重金属污染土应力–应变曲线由直线、凸型、下降3个阶段组成，破坏模式表现为应变软化型。相同石灰掺量下，随重金属污染水平加剧，曲线峰值逐渐降低，拐点越来越不明显；相同石灰掺量下，随龄期的延长，破坏应变逐渐减少，应力–应变曲线线性上升阶段和达到极限强度后的应力下降阶段更加显著。

参考文献：

[1]李敏,张然然,田冰雪.无机材料固化镉铅镍污染土的环境效应及失稳机制[J/OL].土木与环境工程学报(中英文):1-10[2022-04-28].http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1218.TU.20220328.2134.002.html

[2]李晓磊,李登华,杨忠平.冻融循环对不同固化铅污染土抗剪指标的影响[J].重庆建筑,2019,18(04):58-61.

[3]张雪芹. 干湿循环作用下碱渣固化重金属污染土的稳定性研究[D].合肥工业大学,2017.

基金项目：

河南省高等学校重点科研项目（21B560012）