重金属元素对工程性质的影响

郭春犁，马有臣

（甘肃省地质矿产开发局水文地质工程地质勘察院，甘肃 张掖 734000）

随着科学技术的不断发展以及实验仪器灵敏度的增强，市场对土工实验的要求更高。目前，对于工程建筑安全性的把控不仅仅局限于建筑的边坡是否稳定、建筑区是否存在地面塌陷等问题，更是深入到了重金属元素对土工性质的影响。本文依据前人研究成果，结合实际土工实验研究经历，简要的分析了重金属元素如Cr3+、Zn2+、Cu2+等对土体工程性质的影响。

1 重金属元素对土体物理性质的影响

土体的物理性质主要表现在酸碱度、界限含水率、黏粒含量、易溶盐总量、颗粒相对密度、渗透率以及阳离子含量等指标[1，2]，不同性质的土体具有不一致的指标含量。当重金属阳离子如Cr3+、Zn2+、Cu2+等通过水体污染、淋滤等作用渗入后，污染区域的土体就会发生变化，由于金属阳离子的过渡渗入，颗粒与水体之间发生化学反应，致使土体中的基本组分发生明显的改变，导致土工性质也随之变化。

总的来说，重金属元素如Cr3+、Zn2+、Cu2+等污染的土体具有土体中颗粒相对密度减小的特征，当重金属阳离子的渗入量小于0.1%时，土体中颗粒相对密度基本保持不变；弱渗入量大于0.1%，土体中颗粒相对密度逐渐减小。产生这一现象的原因在于，未污染的土体中易溶盐和阳离子含量达到了化学平衡，随着重金属阳离子的渗入，打破了原始的化学平衡，其他金属阳离子被金属元素置换出，从而形成更过的易溶盐类，这些易溶岩类的密度要小于土体中颗粒的密度，因此，随着重金属元素污染的增加，土体中易溶岩类含量也越来越多，导致土体的相对密度逐渐减小。

不同的重金属元素对土体的液塑限及塑性指数的影响程度不同，如Cr3+对土体的塑性指数影响较大，而Cu2+、Zn2+对土体塑性指数影响较小，是由于随着重金属元素的污染加剧，土体逐渐由粉质粘土变化为粉土，致使土体中黏粒含量减少，从而引起土体中结合水的变化，最终表现为塑性指数的减小。

2 重金属元素对土体固结压缩性质的影响

对不同渗入量的Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土在含水率为14%、18%和22%时进行了侧限压缩实验，实验结果显示：上述三种重金属元素污染均对土体的孔隙产生了不同程度的影响，总体上随着Cr3+渗入量的增加，土体的可压缩量逐渐减小，压缩模量增大，孔隙比变化量减小；随着Zn2+和Cu2+渗入量的分别增大，二者对土体的影响相似，均使得土体的可压缩量逐渐增大，压缩模量减小，孔隙比变化量增大。

通过土工试验表明，Cr元素渗入土体后，与土体中的水体发生了化学反应，水解为Cr3+和带正电的水，且带正电的水呈酸性，在静电作用和阳离子交换作用机制下，使得土体中的颗粒结合了大量的Cr3+、水，从而产生较大直接的团聚体，导致土体的可压缩性减小，并且伴随着Cr3+的不断渗入，这种化学反映更加明显，致使产生更多类似的团聚体，其压缩量也就越来越小。Zn、Cu元素渗入土体后，也与土体中的水体发生了化学反应，水解为Zn2+、Cu2+，与土体中的碳酸盐在酸性环境下生成碱式碳酸盐，在范德华力的作用下结合在一起，导致土体中的孔隙增多，且其有效胶结量不断减小，从而致使土体的可压缩性逐渐增大，其压缩量也随之增大。

3 重金属元素对土体强度性质的影响

对Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土在渗入量为0.0%、0.1%、0.5%和1.0%及 围 压 为100kPa、200kPa、300kPa和400kPa条件下分别进行三轴固结不排水试验，实验结果表明：Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土与未污染的土体具有相似的抗剪强度曲线变化趋势，均表现为应变硬化性曲线。随着Cr3+渗入量从0.0%逐渐增加至0.1%、0.5%和1.0%，Cr3+污染土体的粘聚力逐渐降低，内摩擦角逐渐增大，致使污染土体的抗剪强度逐渐增加，其抗剪强度相应增大。根据实验表明，Zn2+、Cu2+污染土的抗剪性质与Cr3+污染土的抗剪性质差别较大，主要体现为随着Zn2+、Cu2+渗入量的增加，污染土的粘聚力逐渐减小，且Zn2+污染土的减小幅度小于Cu2+污染土的减小幅度，二者的内摩擦角略有增加，并具有Zn2+污染土的内摩擦较增加幅度大于Cu2+污染土的特征，总体上均小于Cr3+污染土的增加幅度。

4 重金属元素对土体微观结构的影响

土体的微观结构主要表现为矿物成分、孔隙形状、颗粒形状及其颗粒间的接触方式等方面，宏观上表现为物理性质的差异[2]。土体中矿物颗粒的排列方式及接触关系等均可影响土体的孔隙率、含水性以及固结程度、抗压抗剪强度等性质。因此，微观结构变化对于解剖土工性质的变化至关重要。本文利用扫描电镜手段对Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土、未污染土体及其不同程度的污染土进行了比对分析，认为相对于未污染土而言，不同污染程度的污染土体的微观结构均发生了不同程度的改变，并随着Cr3+渗入量的增加，土体孔隙中的钙质成分及黏性胶结物逐渐减小，致使颗粒间孔隙增大增多；随着Zn2+、Cu2+渗入量的增加，致使颗粒间的连接方式发生改变，其孔隙也明显增大，孔隙数量也逐渐增多，这是由于Zn2+、Cu2+的侵蚀作用致使颗粒间的填充物布满细小密集的孔隙，导致颗粒与颗粒之间的接触逐渐变得松散，进而增大了孔隙直径。

5 结论

通过上述土工实验可知，Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土与该区未污染土体相比而言，其物理化学性质均发生了不同程度的显著变化，一般情况化，污染程度加剧，土体中孔隙水的PH值越低，土体中的颗粒相对密度逐渐减小，且具有Cr3+污染土变化幅度大于Zn2+、Cu2+污染土的特征；由于重金属阳离子的絮凝作用，污染土体中的黏粒含量逐渐减少，粉粒含量却逐渐增多；随着污染程度的增加，污染土体的液塑性变化越明显，其中Zn2+、Cu2+对土体的液塑性变化影响较小；随着围岩的变化及其污染程度不同的变化，得出Cr3+污染土的压缩变形随污染程度增强而减小，压缩模量逐渐增大，其抗剪强度增强，而Zn2+、Cu2+污染土的压缩变形随污染程度增强而增大，压缩模量逐渐减小，抗剪强度略有增强。

[1]刘刚．重金属离子对黄土工程性质的影响[D]．陕西：西北农林科技大学，2016．

[2]夏磊．重金属污染土的工程性质实验研究[D]．安徽：合肥工业大学，2014．