水泥-粉煤灰-脱硫石膏固化铅污染土强度特性及预测方法

崔进杨，王 强，宫保聚，姚韦靖

（1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.中铁十一局集团第一工程有限公司，湖北襄阳 441104）

1 研究背景

土的重金属污染具有极强的毒性、复杂性、持久性、隐蔽性和不可逆性，目前重金属污染土的修复已成为一个迫待解决的问题与国内外学者研究的热点。国外学者在污染土修复方面做了许多研究：如Geelhoed等［1］和 Meegoda［2］将水泥、硅土、石灰与矿渣固化剂用于镉、铅、铬等污染土壤的固化修复；Lee等［3］发现锌离子和铅离子会使水泥基材料的强度降低；Yin等［4］试验得出高浓度的重金属离子以及有机质含量对固化剂的水化反应和试样初期强度没有明显阻碍。国内学者也进行了相关研究：杜延军等［5］、席永慧等［6］、查甫生等［7］对水泥、石灰固化稳定锌、铅、镉等重金属污染土的力学特性进行研究；魏明俐等［8］在冻融循环条件下对含磷材料（KMP）固化稳定锌、铅污染土的强度与溶出特性进行试验研究；张亭亭等［9-10］采用磷酸镁水泥对铅污染土进行固化处理，分析各因素对试样力学特性与微观机制的影响规律；刘玲等［11］采用熟石灰与高炉矿渣对镉、铬污染土进行固化处理，研究其工程可行性；林傲然等［12］采用6种固化剂固化处理铅污染土，研究不同固化剂对铅污染土的固化效果。

水泥能有效固化稳定铅污染土，被激活的粉煤灰可与水泥进行二次水化反应形成水化硅酸钙和水化铝酸钙胶体来固化铅污染土；脱硫石膏可作为水泥、粉煤灰的碱性激发剂，增强水泥、粉煤灰的固化效果。展开对水泥、粉煤灰与脱硫石膏固化稳定铅污染土强度特性的研究是很有必要的。

本文以水泥、粉煤灰与脱硫石膏三者混合形成的一种新固化剂（CFG）固化稳定后的铅污染土为研究对象，采用正交试验法进行无侧限抗压强度试验，分析固化污染土的强度特性与各因素的影响，并对土体强度进行了基于龄期、CFG掺量的强度预测，研究水泥、粉煤灰与脱硫石膏三者混合修复铅污染土的可行性。

2 试验材料与设计

2.1 试验材料

试验土样取自淮南某施工现场表层土，主要物理力学参数见表1，其塑性指数为7.9%。根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）定义该土样为粉土。将土样风干、碾碎、过2 mm筛，制成试验土粉。由XRD衍射图谱分析得出土样化学成分以SiO2为主，Al2O3与 Fe2O3次之。

表1 试验土物理力学特性Table 1 Physical and mechanical properties of test soil

试验水泥为淮南八公山产P.O.42.5普通硅酸盐水泥；试验用水为当地自来水；试验所用铅污染土为实验室配置而成，Pb2+由硝酸铅 Pb（NO3）2提供，由于其在水中有很高的溶解度，硝酸铅的纯度为99.9%；试验所用脱硫石膏和粉煤灰都取自淮南平圩发电厂，其化学成分（质量百分含量）见表2。

表2 脱硫石膏与粉煤灰化学成分Table 2 Chemical compositions of desulfurized gypsum and flyash %

2.2 配合比设计

试验所用固化剂为水泥、粉煤灰与脱硫石膏按比例混合形成的一种新型复合胶凝材料（CFG），水泥、粉煤灰与脱硫石膏质量之比为5∶3∶2。

采取正交试验设计［13］，设计 2个变量。一是Pb2+浓度，下文简写为因素A，试验变量Pb2+浓度设计为0.1%，0.5%，1.5%，简写为Pb0.1，Pb0.5，Pb1.5；二是CFG掺量，下文简写为因素B，试验变量CFG掺量设计为 10%，15%，20%，简写为 CFG10，CFG15，CFG20。

试验配合比设计参照《水泥土配合比设计规程》（JGJ／T 233—2011），试验方案见表 3。

表3 试样设计方案Table 3 Plan of sample design

2.3 试样制备及养护

根据表3设计方案，共设计9组正交试验，试样的养护龄期分别为 3，7，14，28 d，共 4个龄期。

按设计好的配合比把风干碾碎的土、水泥、粉煤灰、脱硫石膏、水与硝酸铅进行称重与拌制，拌制均匀后分3层装入直径为50 mm、高为100 mm的圆柱形模具，将完成的试样密封放置在养护室养护（养护温度为（20±3）℃，相对湿度 95%），养护 24～48 h后脱模，将脱模后的试样放入养护箱中养护至设计龄期。

2.4 试验设计

将制作好的9组试样在养护3，7，14，28 d时分别进行无侧限抗压强度试验。试验采用WDW-500微机控制电子万能试验机。试验依照《土工试验方法标准》（GB／T 50123—1999）执行。试验误差控制：试验中每一组有6个试样，强度取该组试件的无侧限抗压强度平均值，精确至0.001 MPa，如果6个试样所测强度的最大或最小值与该组无侧限抗压强度平均值之差超过20%，则取中间4个试件强度的平均值作为该组试件无侧限抗压强度。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

无侧限抗压强度试验结果见表4。

表4 无侧限抗压强度结果Table 4 Results of unconfined compressive strength

3.2 结果分析

采用正交试验方法设计无侧限抗压强度试验，研究分析龄期、铅离子浓度、CFG掺量对试样无侧限抗压强度的影响。

3.2.1 直观分析

由表4可得无侧限抗压强度与龄期的关系，如图1所示。由图1可知：

（1）试样强度随着养护龄期的增加而提高，前期强度提高较快，后期强度提升较缓慢，这是由于水泥、粉煤灰、脱硫石膏等材料在养护前期会发生较激烈的水化反应，试样强度会有较大的提升，养护中后期材料水化反应趋于平缓。

（2）试样强度随着铅离子浓度增加而降低，可见铅离子会阻碍水化反应，影响土体强度的提高。

（3）试样强度随CFG掺量的增加而提高。

图1 无侧限抗压强度与龄期的关系Fig．1 Relationship between unconfined compressive strength and age

3.2.2 极差分析

根据表4试验结果进行极差分析，得到试样不同龄期抗压强度在不同因素影响下的极差R值，见表5，表中k1，k2，k3为极差分析中的统计量。对表5分析可知：

（1）Pb2+浓度与CFG掺量的极差R随龄期增加而增加，说明其对土体强度的影响一直在提高。

（2）在龄期为3 d和7 d时 Pb2+浓度影响比CFG掺量影响作用大，Pb2+浓度为主要影响因素，但在14 d和28 d时CFG掺量对土体强度的影响比Pb2+浓度大，CFG掺量为主要因素。

试验前期，Pb2+浓度对土体强度的影响较CFG掺量大，是由于前期Pb2+使CFG固化污染土的水化反应受阻，对土体强度的提高影响很大，但随着养护时间的增加CFG掺量成主要影响因素。产生这种现象的原因为：①土体强度主要控制因素是土的基本物质组成、颗粒间的胶结作用与土体的微结构特征；②试验土样是粉土，黏粒含量较低，土颗粒与Pb2+之间的物理化学反应程度不高，Pb2+对土体强度的作用相较于CFG掺量的影响十分有限［14］。

3.2.3 方差分析

对试验结果进行方差分析，得到试样抗压强度在不同龄期和不同因素影响下F值，判断其显著性，见表6。

由表6分析可知，Pb2+浓度与CFG掺量对土体强度的影响的显著性随龄期增加而上升，3 d和7 d为显著，到14 d和28 d为特别显著，早期显著性不高是由于早期土体强度的提高很大程度上会受龄期的影响；从显著性等级来看，Pb2+浓度与CFG掺量对土体强度的影响都很大，尤其是养护后期影响特别显著，这与上文的极差分析结果具有一致性。

表5 极差分析结果Table 5 Result of range analysis

表6 方差分析结果Table 6 Result of variance analysis

试验前期（3 d和7 d），Pb2+浓度对土体强度影响的显著性比 CFG掺量大，但随着龄期的增加（14 d和28 d），CFG掺量对土体强度影响的显著性比Pb2+浓度大，与上文的极差分析结果具有一致性，原因也一样。

CFG掺量对土体强度影响的显著性随龄期变化，F值分别为 7.465，11.78，80.949，137.696。可看出，CFG掺量的显著性在前期不是很高，但中后期（14 d和28 d）土体强度受CFG掺量影响的显著性快速提高。

由上面分析可知，方差分析与极差分析结果具有一致性。

4 强度预测

4.1 基于龄期的强度预测

在其他条件相同时，水泥土无侧限抗压强度与龄期大致呈线性关系［15］，用某一养护龄期 t0（3，7，14，28 d）时9组试验的已知试样强度qu，t0来预测未知养护龄期t时9组试验试样的强度qu，t，其预测公式为

式中：qu，t为待预测的 t龄期时土的无侧限抗压强度；qu，t0为已知的 t0龄期土的无侧限抗压强度；At为预测系数，A3，A7，A14，A28分别表示龄期为 3，7，14，28 d的预测系数。

本文进行类似分析，拟合结果见表7。

由表7可以看出，对于不同的龄期t0，At与时间t相关，现对某一龄期t0下不同龄期t的预测系数进行分析，如图2。

图2 预测系数At与龄期t的关系Fig．2 Relation between prediction coefficient At and age t

根据图2，At随龄期t的变化规律可以用幂函数拟合，即

式中a，b为拟合参数。

由图2的散点图拟合得到表8。

表8 采用幂函数拟合的At的拟合参数Table 8 Fitting parameters of a，b to At by power function

表7 按式（1）所得的At拟合结果Table 7 Fitted values of At by equation（1）

由表8可以看出，b值的变化很小，取平均值为0.558；a变化很大且主要与龄期t0有关，参数a与t0的关系用幂函数拟合，得到 a＝1．008t0-0．567，R2＝0.998。此时式（2）中参数 a，b都已得到，将 a，b值直接代入式（2），可得 At为

把式（3）代入式（1）得到CFG固化铅污染土的强度预测公式为

式（4）适用于CFG固化剂掺量为10%，15%，20%且Pb2+浓度为0.1%，0.5%，1.5%的土体强度预测，适用龄期为3～28 d。

实际工程中更倾向使用龄期为7 d和28 d的强度来预测其他任意龄期强度，根据7 d强度和28 d强度预测龄期为t的强度公式分别为：

式中 qu，7，qu，28分别为 7，28 d养护龄期时试样的无侧限抗压强度。

4.2 基于CFG掺量的强度预测

已有研究表明，在其他条件相同的前提下，2个不同水泥掺入比水泥土的无侧限抗压强度比值与水泥掺入比呈幂函数关系［15］。本文进行类似分析，考虑铅离子浓度WPb、CFG掺量、养护龄期变化的情况。CFG掺入比与强度比的关系如图3所示。图3中，横坐标aw／a15表示CFG掺量（10%，15%，20%）与某一确定 CFG掺量（15%）的比值，纵坐标qu，aw／qu，a15表示对应的无侧限抗压强度比。

图3 CFG掺量比与水泥土的无侧限抗压强度比的关系Fig．3 Relationship between CFG mixing ratio and cement strength ratio

由图3可知，在不同铅离子浓度WPb下，aw／a15与 qu，aw／qu，a15关系可用幂函数拟合，即

式中：aw／ak为CFG掺量aw与某一特定CFG掺量ak的比值；qu，aw／qu，ak为 CFG掺量 aw下的无侧限抗压强度与某一特定CFG掺量ak下的无侧限抗压强度的比值；c与d为拟合参数。

CFG掺量为10%和20%情况下，存在类似规律。使用式（7）进行拟合，结果见表9。

表9 不同Pb2+浓度下CFG掺量比与强度比拟合公式的参数Table 9 Parameters of fitting formula of CFG dosage ratio and strength ratio in the presence of different lead ion concentrations

由表9可知，拟合参数c近似为一个常数，基本不会随Pb2+浓度与CFG掺量而变化，近似取c为1。

由表9还可以看出，当 Pb2+浓度 WPb相同且CFG掺量不同时，d变化较小；当CFG掺量相同且Pb2+浓度WPb不同时，d会发生较大变化。这说明WPb对试样的强度确有影响，且d可反映出这种影响。分析d与WPb的变化趋势，不同CFG掺量下，d与WPb存在指数关系。可求得WPb与d的关系为

将式（8）代入式（7）得

式（9）适用于28 d龄期内任意龄期的水泥-粉煤灰-脱硫石膏固化铅污染土的强度预测。

在实际工程中铅离子浓度一般不会＞1%、固化剂掺量不高，鉴于此，取ak＝10%，得到强度预测公式为

5 结 论

本试验采用水泥、粉煤灰、脱硫石膏混合形成的固化剂（CFG）对铅污染土进行固化处理，基于正交试验分析方法与无侧限抗压强度试验，研究养护龄期、铅离子浓度、CFG掺量对土体强度特性的影响规律，得到以下主要结论：

（1）土体强度随着养护龄期的增加而提高，前期强度提高较快，后期强度提升较缓慢。

（2）Pb2+浓度与CFG掺量对土体强度的影响在前期（3 d和7 d）为显著，在中后期（14 d和28 d）为特别显著。前期（3 d和7 d）Pb2+浓度对土体强度影响的显著性比CFG掺量大，但随着龄期的增加（14 d和28 d），CFG掺量对土体强度影响的显著性比Pb2+浓度大。

（3）给出2种土体强度预测公式，一是基于龄期的强度预测，公式为 qu，t＝ 1．008t-0．5670t0．558qu，t0，适用于CFG掺量为10%，15%，20%与Pb2+浓度为0.1%，0.5%，1.5%的土体强度预测，适用龄期为3～28 d；一是基于CFG掺量的强度预测，公式为，适用于28 d龄期内任意相同龄期固化铅污染土的强度预测。