戴元志，馮中華，范成文

(1. 江蘇河海工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210098；2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3. 建華建材科技（淮安）有限公司，江蘇 淮安 223200)

隨著工業(yè)水平的飛速發(fā)展，土體的重金屬污染與水體污染、大氣污染以及固體廢棄物污染一樣變得越發(fā)嚴(yán)重。受到污染的土體會(huì)使地下結(jié)構(gòu)被重金屬離子間接侵蝕，嚴(yán)重影響地下結(jié)構(gòu)的使用壽命、結(jié)構(gòu)安全及耐久性[1]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：多種廢棄物與水泥材料的兼容性良好，水泥能夠與大部分液相廢棄物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的水泥固化體滲透性低、力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)較好，能有效避免污染物擴(kuò)散[2-3]。目前，針對(duì)水泥固化污染土的工程特性已經(jīng)開(kāi)展了許多研究，國(guó)外相關(guān)學(xué)者[4]通過(guò)人工制備的酸堿污染土，研究了土體在不同濃度酸堿污染前后的壓縮性質(zhì)變化，隨著污染濃度的增加，酸堿污染土的壓縮系數(shù)增大，回彈指數(shù)也增大。杜延軍等[5]以水泥固化鋅污染高嶺土為研究對(duì)象，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)得到變形模量隨鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小的結(jié)論。魏明俐等[6]對(duì)水泥固化/穩(wěn)定鋅污染黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水泥固化污染黏土變形模量的影響存在“臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)”。廖朱瑋[7]在研究鎘污染黏土水泥固封機(jī)理的同時(shí)，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)得到經(jīng)水泥固化后的鎘污染黏土壓縮系數(shù)隨水泥摻量的增加而逐漸降低的結(jié)論。由此可知，目前主要從人工配備重金屬污染土對(duì)水泥固化污染土壓縮特性進(jìn)行研究，僅僅從定性或單一變量來(lái)分析土體性質(zhì)，未綜合考慮水泥摻量、鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)溫度等因素的影響規(guī)律。

本文采用人工配制的鋅污染土，通過(guò)控制不同鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水泥摻量及養(yǎng)護(hù)溫度，以固結(jié)試驗(yàn)中壓縮系數(shù)作為分析指標(biāo)，研究不同試驗(yàn)條件下水泥固化體的壓縮特性，并推導(dǎo)能夠綜合反映各因素影響規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式，為今后實(shí)際鋅污染場(chǎng)地的固化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

研究采用取自某一施工現(xiàn)場(chǎng)的淤泥質(zhì)土樣。室內(nèi)試驗(yàn)采用環(huán)刀法測(cè)得其濕密度為1.69 g/cm3，天然含水率為55.6%。試驗(yàn)把氯化鋅作為鋅污染源，其鋅離子質(zhì)量為干土質(zhì)量的1.00%、0.20%和0.04%。氯化鋅極易溶于水，是一種粉末狀或白色粒狀的晶體，在空氣中潮解性較強(qiáng)，需密封避光保存。由于氯化鋅具有毒性，在整個(gè)制樣過(guò)程中需佩戴手套。本實(shí)驗(yàn)采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，摻量為干土質(zhì)量的7.5%、5.0%和2.5%。養(yǎng)護(hù)溫度選用5、20和35 ℃。

制樣時(shí)，將濕土切成薄片狀，然后在干燥箱中烘干24 h，取出試樣并用粉碎機(jī)粉碎后過(guò)孔徑為1 mm的篩。試樣設(shè)計(jì)含水量為50%，據(jù)此配制氯化鋅溶液，分別配制3組不同鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液。充分?jǐn)嚢韪赏梁退?，配?組不同水泥摻量的水泥土。把水泥土和溶液混合并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，再制備固結(jié)試樣和環(huán)刀試樣，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)并測(cè)定不同試樣的壓縮系數(shù)。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案Tab. 1 Testing programs

圖1 養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時(shí)水泥固化體的壓縮系數(shù)及擬合Fig. 1 Compression coefficient and fittings of zinc contaminated soil at curing temperature of 20 ℃

2 水泥固化鋅污染土壓縮特性

2.1 水泥固化體的壓縮系數(shù)

圖1給出了在養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時(shí)各水泥固化體試樣的壓縮系數(shù)。由圖1可見(jiàn)：在鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的條件下，水泥固化體的壓縮系數(shù)隨著水泥摻量的增大而減小，且減小速率隨水泥摻量的提高而降低。水泥摻量不變時(shí)，隨著鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥固化體的壓縮系數(shù)隨之增大，且水泥摻量較高時(shí)的增大幅度更為顯著。這主要是由于水泥水化反應(yīng)受到了鋅離子的阻礙，發(fā)生反應(yīng)后生成一些難溶解的鹽及沉淀物，阻礙了水泥的水化反應(yīng)，甚至降低了對(duì)土樣的固化效果[8]。此外，當(dāng)鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.00%時(shí)，隨著水泥摻量的增加，水泥固化體壓縮系數(shù)的降低幅度明顯小于鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%和0.20%的情況，此時(shí)水泥的水化過(guò)程可能因?yàn)殇\離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高而受到抑制，導(dǎo)致無(wú)法有效改善污染土的高壓縮性。

2.2 鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水泥摻量對(duì)壓縮系數(shù)的影響

為了研究鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水泥摻量對(duì)水泥固化體壓縮系數(shù)的影響規(guī)律，圖1也給出了試驗(yàn)值的擬合結(jié)果。水泥摻量對(duì)固化體壓縮系數(shù)的影響規(guī)律較好地符合如下的指數(shù)函數(shù)：

式中：av為水泥固化鋅污染土的壓縮系數(shù)（MPa?1）；x為水泥摻量（%）；A和B為影響參數(shù)。當(dāng)水泥摻量不變時(shí)，鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，對(duì)水泥水化阻礙影響越明顯，固化體壓縮系數(shù)越大，隨之A值減小、B值增大。由此可知，鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠影響A和B的值，故A和B非定值。

由于水泥固化鋅污染土體的壓縮特性受未污染土體原始?jí)嚎s特性的影響，針對(duì)上式固化體壓縮系數(shù)的變化規(guī)律函數(shù)，其影響參數(shù)A應(yīng)當(dāng)包含土體原始?jí)嚎s系數(shù)av0（無(wú)污染素土壓縮系數(shù)）的影響，且當(dāng)水泥摻量和鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為零時(shí)，固化體壓縮系數(shù)等于土體原始?jí)嚎s系數(shù)av0。為了滿足上述要求，令A(yù)=(1+C)av0，參數(shù)C與鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。

鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)α與參數(shù)C的關(guān)系如圖2所示。在本試驗(yàn)中，無(wú)污染對(duì)照試樣（試驗(yàn)分組N0）的壓縮系數(shù)av0為1.25 MPa?1?？梢?jiàn)，參數(shù)C值隨著鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，采用圖中指數(shù)函數(shù)能夠較好地描述二者之間的關(guān)系。綜上分析，鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)參數(shù)A的影響可用下式表示：

圖2 參數(shù)B、C與鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig. 2 Relationship between parameters B and C and zinc ion concentration

式中：α為鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；av0為無(wú)污染素土的壓縮系數(shù)（MPa?1）。

鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù) α與參數(shù)B的關(guān)系如圖2所示?？梢?jiàn)隨著鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，參數(shù)B值隨之減小。這兩者的關(guān)系曲線圖可用下列函數(shù)來(lái)表示：

將式（2）和（3）代入式（1），可以得到在養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃、齡期28 d情況下，水泥摻量x、鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)α與水泥固化鋅污染土體壓縮系數(shù)的關(guān)系：

圖3給出了養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃時(shí)水泥固化體各試樣的壓縮系數(shù)預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比情況。由圖3可見(jiàn)：在不考慮養(yǎng)護(hù)溫度情況下，試驗(yàn)得到的壓縮系數(shù)值與采用式（4）的預(yù)測(cè)值基本吻合，二者誤差很小。值得注意的是，針對(duì)無(wú)污染對(duì)照組試樣，壓縮系數(shù)預(yù)測(cè)值為 5.7 MPa?1，與實(shí)際試驗(yàn)值 1.25 MPa?1的差異較大?？梢?jiàn)，本文預(yù)測(cè)公式具有一定的局限性，對(duì)于鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～0.04%的水泥固化鋅污染土，預(yù)測(cè)值的誤差可能會(huì)偏大。

圖3 水泥固化體壓縮系數(shù)的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值Fig. 3 Testing results and predicted results of compression coefficient

2.3 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)壓縮系數(shù)的影響

養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥固化效果的發(fā)揮有著重要的影響，不同養(yǎng)護(hù)條件下固化體力學(xué)特性的改善程度及速率是不同的。在一般情況下，固化體養(yǎng)護(hù)溫度越高，水泥水化反應(yīng)越劇烈，其力學(xué)特性改善的幅度也越大。為了研究養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)固化體變形特性的影響規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)分組N12、N22和N32進(jìn)行分析。表2列出了不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下各組試樣的壓縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。

由表2可知，當(dāng)水泥摻量和鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥固化體的壓縮系數(shù)值會(huì)降低，表明高養(yǎng)護(hù)溫度能夠促進(jìn)水泥固化法有效改善鋅污染土的壓縮性。以養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時(shí)的壓縮系數(shù)av20作為標(biāo)準(zhǔn)值，不同養(yǎng)護(hù)溫度t條件下固化體的壓縮系數(shù)與該標(biāo)準(zhǔn)值的比值定義為avt/av20。

圖4描述了avt/av20與養(yǎng)護(hù)溫度之間的關(guān)系。可見(jiàn)，水泥摻量和養(yǎng)護(hù)溫度相同、鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)比值基本接近，表明鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)該定義值的影響不大。

表2 不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的壓縮系數(shù)Tab. 2 Testing results of compression coefficient at different curing temperatures

由圖4還可以看出，該壓縮系數(shù)比值隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增大而逐漸減小，且二者之間滿足式（5）所示的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系：

結(jié)合式（4）和（5），可得不同水泥摻量、鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)溫度條件下水泥固化鋅污染土壓縮系數(shù)的變化規(guī)律：

圖4 壓縮系數(shù)比值與養(yǎng)護(hù)溫度的關(guān)系Fig. 4 Relationship between compression coefficient ratioand curing temperature

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）當(dāng)鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，水泥固化鋅污染土的壓縮系數(shù)隨著水泥摻量的增大呈指數(shù)性減小。在高鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下，繼續(xù)增加水泥摻量對(duì)污染土壓縮特性的改善程度變低。當(dāng)水泥摻量不變時(shí)，隨著鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥固化鋅污染土的壓縮系數(shù)將增大，且水泥摻量較高時(shí)的增幅更為顯著。

（2）水泥固化鋅污染土的壓縮系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高而減小。以養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃的壓縮系數(shù)av20為標(biāo)準(zhǔn)，不同養(yǎng)護(hù)溫度t時(shí)的固化體壓縮系數(shù)比值avt/av20與養(yǎng)護(hù)溫度之間呈現(xiàn)較好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，但鋅離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)該比值影響不大。

本文對(duì)人工配制試樣進(jìn)行了初步室內(nèi)試驗(yàn)研究，研究成果存在一定的局限性，經(jīng)驗(yàn)公式的合理性和實(shí)用性需進(jìn)一步驗(yàn)證。