酸污染土水泥固化的强度与耐久性研究

江文林 刘 畅

(苏州市建设工程质量检测中心有限公司,江苏 苏州 215000)

酸污染土壤主要是由于工业废料中酸污染物不合理排放而污染土壤。当污染物渗入土壤就会产生沉淀、累积、迁移，从而使土壤物理化学性质发生变化，土壤的力学性能降低，从而发生土壤地基灾害如破裂、塌陷等，严重威胁了人们的生命健康和财产安全。另一方面，现阶段农业耕作方式，施加肥料与农药也会导致进入土壤的H+含量增加，从而使土壤环境趋于酸化[1]。

水泥固化土就是按照一定的配比将水泥、水和土体一起搅拌，经过养护形成整体的、稳定的、满足一定强度要求的拌合物[2]。固化是在污染土中掺入固化剂如泥、石灰等，降低土壤中有害物质的活性，减少土壤中有害物质的泄漏[3]。固化治理污染土壤机理主要有两个方面。通过固化剂(如水泥等)将污染物包裹固化，从而使有害物质的活性降低，性质变得相对稳定。另一方面是通过固化剂将被固化的污染物固定在某个相对封闭的空间中，或通过降低污染物的溶解度，从而减少污染物在环境中的扩散流动。

实验以受酸污染的粘土为研究对象，水泥为固化剂，主要考察不同水泥掺量下，研究水泥固化酸性粘土的强度变化规律，以期找出适合固化酸土壤的配比，并为其常温固化酸污染软土机理提供依据，从而实现资源化及无害化处理。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

选取苏州市本地粘土，土壤经过标准击实试验处理后备用，土壤物理性质塑限22.1%、液限53.2%、塑性指数30.3%、含水率24%。将浓硫酸与土混合，制备出含酸量分别为0.2%,0.4%,0.8%和1.6%的酸性污染土。实验中固化剂水泥取值南京海螺公司生产的32.5普通硅酸盐水泥。

1.2 试验方法

1)固化土搅拌：在NJ-160A型水泥净浆搅拌机内低速揽拌酸性污染土和水泥，搅拌时间为90 s，搅拌4次从而使酸性污染土与水泥搅拌均匀。水泥掺量分别为干土重的7%,10%,15%。

2)振捣养护：在50.0 mm×50.0 mm×50.0 mm的塑料模具中放入步骤1中的搅拌土，置于振动台中振动3 min，然后覆盖塑料薄膜于在(20±5)℃的环境条件下静置48 h以后脱模后放入恒温恒湿标准养护箱内养护。设置养护时间为7 d,14 d,28 d。每种样品设3组平行试验。

3)无侧限抗压强度试验：对试验步骤2固化土试样进行无侧限抗压强度试验。记录其抗压强度值，数据为三个试样结果的平均值。

2 实验结果与讨论

2.1 不同水泥掺量下对酸性土壤固化强度的影响

试样养护28 d后，水泥掺量为15%时，固化土的强度随着土壤中硫酸含量的增大而没有明显的变化，曲线趋于平坦。在酸含量为0.2%时强度为1.65 MPa，酸含量为1.6%时，强度为1.81 MPa。水泥掺量为10%时，整条曲线随硫酸含量的升高呈现先增大后减小的趋势，固化土强度在硫酸含量为0.4%的时候达到最大值为1.39 MPa。酸含量为1.6%时强度最小为0.84 MPa。水泥掺量为7%时，固化土的强度随硫酸含量的变大而逐渐减小。在酸含量为0.2%时，固化土强度为1.14 MPa酸含量为0.8%时，固化土强度为0.62 MPa，酸含量在1.6%时，固化土强度最低为0.32 MPa。

另一方面，当土壤中酸含量一定时，固化水泥的掺量越大，固化土强度越大。当土壤中酸含量为0.2%，水泥含量为7%,10%,15%时，固化土强度分别为1.14 MPa,1.21 MPa,1.65 MPa；当土壤中酸含量为1.6%，水泥含量为7%,10%,15%时，固化土强度分别为0.32 MPa,0.84 MPa,1.81 MPa，见图1。

影响水泥加固酸污染土抗压强度两个最重要的因素是氢氧化钙和水化硅酸钙。固化土中水泥含量较小时(7%)，由于Ca(OH)2与H+发生酸碱中和反应，固化土中CSH含量降低，从而致使固化土密实性降低，力学强度减弱；当固化土中水泥含量较高时(15%)，固化土中Ca(OH)2去除与土壤中酸发生中和反应时，还能剩余大量的CSH，从而使固化土产生较强的复合胶凝效应，因此固化土的强度得到提升。

2.2 水泥酸性固化土在不同环境下耐久性研究

2.2.1固化土破裂过程研究

固化土在形成过程中其内部不可避免存在微裂纹和小微空洞等，同时组成固化土材质刚度各不相同，因此在固化土形成过程中内部结构产生相互制约相互影响。本试验中以酸污染0.4%水泥含量为10%的固化土在酸环境(硫酸4 g/L)下养护28 d为实验对象，研究水泥固化酸性污染土破裂过程。结果如图2所示。

第一个阶段曲线较为平缓，在应变为0.5%时，应力为0.02 MPa；在应变为1%时，应力为0.04 MPa。随着应变变化，应力值几乎为0，这说明固化土试样应力值没有发生变化。这主要可能是在初始阶段固化土中微小空隙和孔洞在加载荷载的作用下闭合，从而使固化土试样变得密实，固化土抗压强度增加。

第二个阶段曲线急速上升，固化土试样随着应变的增加，应力直线上升。在应变为1.6%时，应力为0.21 MPa；在应变为2.0%时，应力为0.9 MPa。在此阶段主要发生弹性变形和弹塑性变形。在这阶段，固化土试件会在荷载的作用下，形成新的裂缝，如荷载继续增大，固化土内部会形成裂纹，从而强度会降低。

第三个阶段曲线降低，应力由高峰值开始下降。在应变为2.5%时，应力为1.3 MPa；在应变为3.5%时，应力为0.7 MPa。这说明固化土此阶段试样主裂缝纹宽度变大，次裂纹宽度随之变大，最后试样发生破坏。

2.2.2不同养护条件下水泥固化酸性土强度研究

以水泥掺量为10%固化含酸量为0.4%的粘土为研究对象，研究不同养护条件下固化土的强度，具体结果如图3所示。养护时间为7 d时，清水养护条件下10%水泥固化酸污染粘土的强度只有0.95 MPa，而标准养护条件下其强度为0.71 MPa；在养护时间为28 d时，清水养护、酸养护及标准养护下固化土的强度分别为1.07 MPa,1.15 MPa和1.35 MPa。

从图3中可以看出，在三种不同养护环境中，固化土强度随龄期的增长而逐渐增大，龄期、强度曲线近似为一条直线。另一方面，在相同龄期条件下，在标准养护条件下固化土强度最高，在硫酸溶液浸泡养护时固化土强度次之，在清水浸泡条件下固化土强度最低。这表明养护环境是固化土强度的重要因素之一。

2.2.3固化土强度特性

图4是酸污染浓度为0.4%的粘土在不同水泥掺量下28 d龄期固化土酸浸泡后强度。养护龄期为28 d时，固化土的强度相对稳定。当水泥掺度7%时，无侧限抗压强度随浸泡硫酸浓度的增大而减小。在酸浓度为2 g/L时无侧限抗压强度为0.72 MPa，酸浓度为8 g/L时无侧限抗压强度为0.65 MPa。当水泥掺度10%时，曲线随硫酸浓度的增大呈现先增大后减小的趋势，固化土无侧限抗压强度在硫酸浓度为4 g/L时达到最大值1.20 MPa，当酸含量为8 g/L时无侧限抗压强度最小为1.0 MPa。当水泥掺度为15%时，曲线随硫酸浓度的增大呈现先减小后增大的趋势，固化土无侧限抗压强度在硫酸浓度为4 g/L时达到最小值2.37 MPa，当酸浓度为8 g/L时无侧限抗压强度最大为2.62 MPa。

另一方面，当环境浸泡酸浓度一定时，水泥掺量越大，无侧限抗压强度越大。当硫酸浓度为2 g/L时，水泥含量为7%,10%,15%，固化土强度分别为0.72 MPa,1.15 MPa,2.38 MPa；当硫酸浓度为4 g/L时，水泥含量为7%,10%,15%，固化土强度分别为0.70 MPa,1.20 MPa,2.37 MPa。

固化土在酸环境由于受到酸的长时间腐蚀，固化土内部结构将受到破坏，固化土性质劣化，其渗透性变大，硬度将会降低，从而导致强度降低，因此固化土必须能抵抗酸环境的侵蚀，在同样的酸环境下，固化土中水泥含量越高，固化土的强度越高，其抵抗环境中酸腐蚀的能力越强。

3 结论

1)水泥掺量、硫酸含量与水泥固化酸污染土的强度存在密切关系。随着土受到酸污染程度增加，如水泥含量较高时(15%)，水泥固化酸污染土的抗压强度上升趋势缓慢；当水泥掺量较低时，固化土抗压强度较低。

2)在酸性环境侵蚀下，水泥固化土的应力—应变曲线分为缓慢发展阶段，急剧增强阶段，快速下降阶段。水泥固化酸污染土的强度受水泥含量、试件所在环境中酸的浓度、养护条件等因素影响。固化土强度随水泥掺量的提高而升高，固化土的空隙比和渗透系数随着硫酸溶液浓度的升高而增大，因此合适的水泥掺量能够有效增强固化土的强度。

3)被酸污染(含量为0.4%)的水泥固化土在低酸环境中，水泥固化土强度较大，其抵抗侵蚀的效果良好；在高酸环境下(大于8 g/L)水泥固化土强度降低，其抵抗侵蚀的效果显著降低。提高水泥掺量可以显著提高固化土抵抗环境中酸溶液对固化土的侵蚀。