王惠文 ，徐冰瑩 ，馮曉曦 ，王瑤 ，2，3，楊忠平 ，2，3

（1重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2重慶大學山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點試驗室，重慶 400045；3重慶大學庫區(qū)環(huán)境地質災害防治國家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 400045）

0 引言

我國現(xiàn)存較多因大型工廠遷址而空出來的重金屬污染原址上的工程項目。隨著雨水、地下水與地表水等浸出，會造成土壤二次污染。同時，土壤中的重金屬會改變土體結構，使土的工程力學特性發(fā)生明顯變化，從而帶來工程安全問題[1]。在諸多重金屬污染中，鉛污染尤為嚴重，因此研究鉛污染土的治理尤顯重要。

鉛污染土的治理方法主要有原位修復法與異位修復法，其中，原位修復法的效率更高。水泥固化是重要原位修復手段，但是，在復雜環(huán)境下，水泥對污染土的固化效果是不同的[2]。特別是在季節(jié)性凍土地區(qū)，凍融作用會對土體理化性質產(chǎn)生明顯影響，可能破壞污染土體穩(wěn)定性，造成固化失效[3-4]。目前對短期凍融循環(huán)的研究資料較少，因此，對固化鉛污染土在短期凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生的毒性浸出特征進行研究，可以突破現(xiàn)有研究未考慮自然環(huán)境突變下，固化污染土的短期環(huán)境安全性變化的局限，對凍融區(qū)污染場地的修復有指導作用。

由于工程現(xiàn)場規(guī)律難以定量測量，本文采用人工污染的土體作為試驗材料，通過室內土工試驗與室內TCLP毒性浸出試驗[5]，從不同短期凍融循環(huán)條件下固化鉛污染土浸出液的離子浸出濃度、電導率EC值、pH值等方面，研究短期凍融循環(huán)下固化鉛污染土環(huán)境效應的影響。

1 試驗材料

1.1 土樣采集與分析

1.1.1 土樣的采集

試驗所用土壤為紅黏土，采自重慶市沙坪壩區(qū)周邊耕地，采集深度均為表層0～30cm，采集完成后置于烘干機進行烘干，除去植物殘體、砂礫等雜物，取足量樣品，過0.075mm篩，保存于聚乙烯塑料袋中，然后置于干燥處待制成污染土。

1.1.2 試驗用土物理性質分析

參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），采用液塑限聯(lián)合測定法測定土體的液限與塑限，采用擊實試驗測定土體的最大干密度和最優(yōu)含水率。試驗用土基本物理性質見表1。

表1 試驗用土基本物理性質

1.1.3 試驗用土化學成分分析

將試驗用土取樣，過200目篩，使用擊實法將試驗用土制成餅狀試樣，使用X射線熒光分析儀（XRF）測定其化學成分。試驗用土基本化學成分見表2。

表2 試驗用土化學成分

1.2 化學試劑特性指標

采用普通硅酸鹽325號水泥作為試驗所用的固化劑，硝酸鉛[Pb（NO3）2]（分析純）為污染源，冰乙酸（CH3COOH）（分析純）為浸提液。

2 試驗方法

2.1 試樣制備與養(yǎng)護

原狀土烘干，過0.075mm的篩后，稱取500g干土 （精確到0.1g），計算調整試驗用土至最優(yōu)含水率所需的去離子水質量，并根據(jù)試驗方案中加入固化劑組 （C5Pb1組）與不加固化劑組（C0Pb1組）分別所需硝酸鉛濃度計算硝酸鉛需添加量，使用磁力攪拌機將計算所需硝酸鉛和計算所需去離子水混合均勻，得到兩組污染物溶液并將其加入到已稱取的干土樣中。將土樣與污染物溶液揉搓混合較為均勻后，使用聚乙烯塑料袋包裹并養(yǎng)護2個月，使溶液與干土均勻混合，充分接觸，制成試驗所需污染土樣。之后將土樣取出，將C5Pb1組與所需水泥拌和均勻。再將兩組試驗用土養(yǎng)護兩周。兩組分別取5個50g土樣裝入聚乙烯塑料封口袋中備用。

2.2 試驗設備

試驗使用泰斯特TC401型高低溫試驗箱、安儀AYZ-K-12型翻轉式振蕩器、雷磁PHS-3E型pH計、雷磁DDSJ-319L型電導率儀等設備。采用重慶大學材料學院試驗中心ICP-OES分析儀分析浸出液鉛離子濃度，XRF分析技術測原狀土及固化劑化學成分。

2.3 試驗方案

取適量冰乙酸（CH3COOH），加去離子水稀釋至1L，pH范圍在2.88±0.05，作為浸提液待用。將稱量并過1mm篩的50.0g測試土樣置于聚乙烯瓶中，加入1000mL浸提液，置于翻轉式振蕩器內振蕩18h。

振蕩結束后取出聚乙烯瓶，靜置12h以上，測浸出液pH、EC，取上層清液適量，過0.45μm濾膜于小試管中，并用硝酸酸化至pH＜2，用于元素濃度測定。

設置固定試驗溫度為-10℃進行冷凍，在20℃進行融化，測試試樣 COPb1、C5Pb1經(jīng)歷 3、6、8、10次凍融循環(huán)后， 經(jīng) TCLP淋濾試驗得到Pb2+的濾出量，浸出溶液pH值及電導率EC（表3）。

表3 試驗條件及試樣編號

3 結果與討論

3.1 凍融循環(huán)次數(shù)對鉛污染土浸出液各項指標的影響

3.1.1 pH

浸出液pH隨凍融循環(huán)次數(shù)變化略有減小。pH值的下降主要集中在0—3次凍融循環(huán)過程中，如圖1所示。即在10d內的短期凍融作用下，污染土浸出液pH值主要與是否進行凍融有關，與凍融循環(huán)次數(shù)無明顯關系。其規(guī)律與長期凍融作用下鉛污染土的浸出效應研究結果略有不同[3]，原因為短期凍融循環(huán)作用可能并未形成穩(wěn)定的影響，在本文試驗范圍內不能達到線性關系。

圖1 凍融循環(huán)次數(shù)與浸出液pH的關系

由于現(xiàn)場規(guī)律測量成本大、難度高，故根據(jù)已有文獻，采用室內試驗研究方法，該方法試驗結果會受到尺寸效應的影響。但在工程中以該研究結論進行現(xiàn)場試驗對照，可以節(jié)省研究成本，并有助于技術的推廣，具有重要參考價值。

3.1.2 電導率EC

兩組浸出液的電導率EC值隨循環(huán)次數(shù)分別在較小區(qū)間內有較小的無規(guī)律波動。在凍融循環(huán)從無到有的區(qū)間內，兩組溶液電導率均呈下降趨勢，凍融循環(huán)10次的電導率與未凍融循環(huán)的電導率值幾乎相同。即短期凍融作用對固化鉛污染土浸出液電導率的影響體現(xiàn)較小，如圖2所示。浸出液電導率變化主要影響因素將在后文討論。

3.1.3 鉛離子濃度

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，浸出液的鉛離子濃度增加。凍融作用破壞土壤理化性質，使土壤對重金屬的吸附能力降低，也降低了水泥固化鉛污染土的固化能力[6-7]。凍融循環(huán)0次與凍融循環(huán)3次的數(shù)據(jù)分別反應未凍融的情況與開始凍融循環(huán)后進行第一次數(shù)據(jù)記錄的情況，未凍融與凍融循環(huán)3次之間兩組浸出液鉛離子濃度的變化，遠遠大于凍融循環(huán)3次與凍融循環(huán)6次之間以及隨后的幾次凍融之間的變化，如圖3所示。

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)與浸出液電導率EC的關系

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與浸出液鉛離子濃度的關系

這種現(xiàn)象說明凍融作用會加劇鉛污染土浸出溶液中鉛離子的浸出，會降低固化劑對鉛離子浸出的固化作用，但是短期凍融條件下鉛離子的浸出量與凍融循環(huán)次數(shù)無明顯關聯(lián)。

3.2 鉛污染土浸出液各項指標變化趨勢對比分析

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，pH值與浸出液中鉛離子濃度呈負相關，其原因應是凍融作用減少了土體對重金屬的吸附能力，減少了土壤中Pb2+的賦存量，從而促進Pb2+的溶出[7]。而浸出液中鉛離子濃度的增加會使污染土pH降低[8]，又由于凍融作用使污染土浸出液濃度降低，可得出凍融作用同時使污染土浸出液鉛離子濃度增加、pH值降低，且有正向相互促進作用的結論[9]。其對比分析見圖4。

兩組浸出液0—3d鉛離子濃度與電導率變化情況均呈相反趨勢。凍融3d后，電導率的變化與鉛離子濃度的變化略有趨同，可得出除了鉛離子濃度的作用外，其他因素，特別是固化劑的添加對浸出液電導率的影響更大的結論，如圖5所示。

圖4 凍融循環(huán)作用下浸出液pH與鉛離子濃度

圖5 凍融循環(huán)作用下浸出液鉛離子濃度和電導率的變化

兩組污染土浸出液中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，pH值和電導率的變化趨勢較為接近，如圖6所示。

在凍融循環(huán)0次與3次的區(qū)間里，兩組溶液的pH值和電導率數(shù)據(jù)均發(fā)生了明顯減小，而溶液中鉛離子濃度發(fā)生明顯增加。這說明突然開始的凍融作用對污染土可能起到擾動作用，使其浸出液指標突然發(fā)生較大變化。但是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩組溶液pH值和電導率EC值變化都不大。

圖6 凍融循環(huán)作用下浸出液pH和電導率的變化

4 結論

（1）凍融循環(huán)作用通過對土體理化性質的破壞，降低土壤對鉛離子的吸附能力，加劇鉛污染土浸出溶液中鉛離子的浸出，正向促進電導率EC值增大、pH值降低，而浸出液pH值降低也會反向促進鉛離子的浸出。這說明了短期凍融作用下鉛污染土浸出特征的相互作用關系，可為后續(xù)研究提供參考方向。

（2）突然開始的凍融作用對污染土可能起到擾動作用，使其浸出液指標突然發(fā)生較大變化，但是短期凍融條件下污染土浸出液各項指標變化與凍融循環(huán)次數(shù)無明顯關聯(lián)。短周期、短時間的凍融循環(huán)對污染土及固化污染土浸出液的各項指標影響與其他研究中長期凍融作用下的結論略有不同，工程中尚未有針對短周期凍融作用下污染土固化效應的技術研究，該結論具有重要參考價值。

（3）雖然固化劑的摻入與否對污染土鉛離子浸出效應起決定性影響作用，但凍融循環(huán)作用會降低固化劑對鉛離子浸出的固化效果。該結論為工程應用增加了試驗理論基礎，對確定污染土固化穩(wěn)定技術中的研究主體有參考意義。