重金属污染土的工程性质及微观结构研究

宋 泽 卓

(河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)



重金属污染土的工程性质及微观结构研究

宋 泽 卓

(河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

利用纯净的粘土和重金属离子溶液，配制了不同含量的重金属污染土进行击实实验，获得了相对应的最优含水率，按照最优含水率重新配置土样，并通过直接剪切等其他工性试验，探讨了重金属的存在对土体工性的影响，在工性试验的同时，对不同的污染土进行SEM扫描，研究了其微观结构的变化规律，试验结果表明：土中重金属浓度的增加导致土中粘粒的含量逐渐减小，颗粒团聚，出现大孔隙，同时其工性变差，强度降低。

重金属污染土，工程性质，微观结构

0 引言

重金属进入土体后会改变污染土的组成成分和微观结构，从而导致其工程地质性质发生变化。因此，对污染土工程性质改变的原因进行分析时应该侧重于污染物与土之间的相互作用以及微观结构两方面[1]。

美国、欧洲等发达国家和地区从1970年开始对重金属污染土进行研究，这些研究促进了重金属污染土问题的解决。Ladd与Evans等发现重金属不会对土体的工性产生较大的影响[2，3]。在中国，傅世法和林颂恩通过压缩和直剪试验的研究发现土被强酸污染后压缩性和内聚力增加、内摩擦角减小[4]。

总的来说，目前已有的研究成果主要集中于酸、碱和有机质污染后土体的工程性质方面[5-8]，重金属污染土的工性研究较少。因此，有必要对重金属污染土的工程性质改变进行详细的研究，为日后形成定量评价重金属污染土工程性质的检测方法服务，同时为后期治理提供相关的科学依据。

本文通过在室内制备一系列不同浓度的重金属污染土试样，进行工性实验，分析污染后土体的工程地质性质的变化。同时，将土样进行SEM分析实验，并分析其粘粒含量的变化，探究土体在受到污染后微观结构的变化。最后，将工性变化与微观结构变化进行比对，建立联系，为重金属污染土的综合利用探索道路。

1 试验材料与方法

1.1 原状土的基础物理指标

本文试验采用的原状土为购买的标准粘土，颜色为棕褐色。根据GB/T 50123—1999土工试验方法标准测得原状土的物理力学性质指标如表1所示。

表1 原状土的基本物理力学性质指标

取适量的原状土放入烘箱，在105 ℃条件下烘烤约24 h。烘烤完成后将土碾碎，过2 mm的筛网。根据GBT 50123—1999土工试验方法标准的规定，将土样分为六份，分别加入不同含量的水配制成试验所用土样。

1.2 原状土的直接剪切试验

对上文配制好的土样进行直接剪切试验，可以确定原状土的内聚力为14.2 kPa，内摩擦角为25.2°。

1.3 污染土样的制备

本文选择Pb，Cu和Cr三种元素作为重金属污染源。污染土由相应溶液配制而成，硝酸铅(Pb(NO3)2)、三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O)和九水合硝酸铬(Cr(NO3)3·9H2O)为本文使用的土体污染试剂。重金属离子的浓度梯度为0.01%，0.02%，0.05%，0.1%与1%，采用蒸馏水配制不同浓度的重金属溶液以尽可能降低干扰。配制好的土样用保鲜膜密封，放于温度23 ℃，相对湿度大于70%的标准养护室中养护72 h。

2 重金属污染土的工程地质性质试验

为了进行土体污染前后工性的对比研究，本文对配制好的土样分别进行基本工程地质性质指标的系统室内测试。

2.1 直接剪切试验

重金属污染土试样在分别为100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa的轴向压力下进行快剪试验。得到不同类型的重金属污染土内摩擦角和内聚力与离子浓度的变化曲线，见图1和图2。

试验结果表明，重金属使得土体的强度发生明显的降低，工程性质发生恶化。

2.2 击实试验

将配置好的污染土进行击实试验。分析实验结果可以看出，污染土最大干密度较原状土大，而最优含水率减小，说明重金属污染对土体击实特性有影响。

土的击实特性与土的组成、结构、土粒的表面现象及土粒间的相互作用等因素有关。当重金属离子加入到净土中，使原有的土颗粒间的平衡状态发生改变，土颗粒表面的重金属离子浓度升高，双电子层厚度变薄，此时土颗粒间的引力占优势，土体趋于形成绒状结构[9]，使得土粒结构更易重新排列，从而在总体上使得击实效果增强。

3 重金属污染土的微观特性试验

3.1 扫描电子显微镜(SEM)试验

本文使用型号为Quanta 250的扫描电子显微镜对浓度分别为0.01%，0.02%，0.05%的Pb，Cu，Cr污染土进行测试。

对比扫描后的图片可知，在重金属离子浓度增大的过程中，土体中有大孔隙与块状颗粒组成的结构形成，骨架颗粒变得松散。同时，土样表面变得粗糙出现较多大颗粒。土体结构由蜂窝状结构转化为块状叠聚体结构。

土颗粒与重金属离子接触之后会发生一定的化学反应。重金属离子的存在溶蚀了土粒间的胶结物，部分盐类由于水的存在而发生流失，从而使得土体本身孔隙比增大，形成空洞。再者，重金属离子与土颗粒发生化学反应，其生成物中含有结晶水，从而使得土体发生膨胀。同时由于孔隙中溶液的重金属离子浓度增大，土粒直径增大，比表面积减小。并且，土体结构发生改变，小孔隙逐渐消失，形成一些大的团粒间孔隙[1]。这与试验的结果相一致，受到重金属离子污染的土体结构会发生一定程度上的变化，这些变化在宏观上的体现便是，土体压缩性增大、力学性质发生恶化。

3.2 粘粒含量测量实验

颗粒分析试验的目的是对土的粒度成分进行分类，同时在一定程度上该实验的结果可以推断土的工程性质。土的粒度成分是指土中各颗粒的相对含量。粒径对土粒的成分和性质存在着一定的影响，漂石一般由原生矿物组成，强度较大，透水性强。而由次生矿物组成的粘粒，强度低，压缩性高，透水性差[10]。

本文采用激光粒度分析仪(Mastersizer 3000)测定各种重金属污染土试样的颗粒粒径及其分布。分析曲线可知：重金属离子的存在使得土体中粘粒含量降低，下降趋势保持一致，均为先快后慢，曲线为先陡后缓。

4 结语

综合上述实验结果，可以得到如下结论：

1)重金属污染后的土体，其工程地质性质会发生较大改变，相较于污染前，抗剪强度降低，击实后形变程度增大，击实指标也发生了变化。

2)土体受到重金属污染后，土体的物质组成发生了变化，即随着重金属浓度的增大，土体中粘粒的含量降低。

3)随着重金属浓度的增大，土壤颗粒逐渐聚集为团块，颗粒间原有的小孔隙消失，出现较多的大孔隙，组成土体骨架的颗粒物质变得松散。

[1] 刘志彬，方 伟，陈志龙，等.锌离子污染对膨润土一维压缩特性影响试验研究[J].岩土力学，2013(8)：2211-2217．

[2] Ladd,C.C., Martin,R.T.The Effectsof Pore Fluidon the Untrained Strengthof Kaolin[A].Reportto the U.S.Army Corpsof Engineers from the Department of Civil Engineering.Massachusetts Instituteof Technology,Cambridge,Massachusetts,1967.

[3] Evans J.C.,Kugelman,I.J., Fang H.Y.Organic Fluids Effectson Strength,Deformation and Permeability of Soil-Bentonite Slurry Walls[A].Proceedings of the Seventeenth Mid-Atlantic Industrial Waste Conference[C].Pennsylvania,1986：275-291.

[4] 傅世法，林颂恩.污染土的岩土工程问题[J].工程勘察，1989(3)：14-16.

[5] 朱春鹏，刘汉龙.污染土的工程性质研究进展[J].岩土力学，2007，28(3):625-630.

[6] 朱春鹏，刘汉龙，沈 扬.酸碱污染土强度特性的室内试验研究[J].岩土工程学报，2011，33(7):1146-1152.

[7] 朱春鹏，刘汉龙，张晓璐.酸碱污染土压缩特性的室内试验研究[J].岩土工程学报，2008，30(10):1477-1483.

[8] 李相然，姚志祥，曹振斌.济南典型地区地基土污染腐蚀性质变异研究[J].岩土力学，2004，25(8):1229-1233.

[9] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社，1996:9-26.

[10] 李志毅，杨裕云.工程地质学概论[M].武汉：中国地质大学出版社，2007.

The study on microstructure and engineering properties of heavy metal contaminated soil

Song Zezhuo

(CollegeofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing211100,China)

Using pure standard clay and heavy metal ion solution prepare different content of heavy metal contaminated soil. We obtain the optimum moisture content of the corresponding soil samples after doing the compaction test. We configure soil samples in accordance with the optimal water content, and carry out direct shear tests and other tests to study the influence of heavy metals on soil properties. At the same time, the different polluted soil were scanned by SEM. The main research contents are given as follows: the concentrations of heavy metals in the soil resulted in an increase in clay content decreases, agglomerated particles, big pore, also its industry and trade of variation and the strength decreased.

heavy metal contaminated soil, engineering properties, microstructure

1009-6825(2016)22-0091-02

2016-05-20

宋泽卓(1995- )，男，在读本科生

TU411

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