水泥固化锌污染土压缩特性影响因素分析

2020-12-28戴元志冯中华范成文

水利水运工程学报 2020年6期

戴元志，冯中华，范成文

(1. 江苏河海工程技术有限公司，江苏南京 210098；2. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029；3. 建华建材科技（淮安）有限公司，江苏淮安 223200)

随着工业水平的飞速发展，土体的重金属污染与水体污染、大气污染以及固体废弃物污染一样变得越发严重。受到污染的土体会使地下结构被重金属离子间接侵蚀，严重影响地下结构的使用寿命、结构安全及耐久性[1]。经研究发现：多种废弃物与水泥材料的兼容性良好，水泥能够与大部分液相废弃物发生化学反应，所产生的水泥固化体渗透性低、力学特性及结构较好，能有效避免污染物扩散[2-3]。目前，针对水泥固化污染土的工程特性已经开展了许多研究，国外相关学者[4]通过人工制备的酸碱污染土，研究了土体在不同浓度酸碱污染前后的压缩性质变化，随着污染浓度的增加，酸碱污染土的压缩系数增大，回弹指数也增大。杜延军等[5]以水泥固化锌污染高岭土为研究对象，通过无侧限抗压试验得到变形模量随锌离子质量分数增大而减小的结论。魏明俐等[6]对水泥固化/稳定锌污染黏土的无侧限抗压强度进行试验研究，认为锌离子质量分数对水泥固化污染黏土变形模量的影响存在“临界质量分数”。廖朱玮[7]在研究镉污染黏土水泥固封机理的同时，通过固结试验得到经水泥固化后的镉污染黏土压缩系数随水泥掺量的增加而逐渐降低的结论。由此可知，目前主要从人工配备重金属污染土对水泥固化污染土压缩特性进行研究，仅仅从定性或单一变量来分析土体性质，未综合考虑水泥掺量、锌离子质量分数和养护温度等因素的影响规律。

本文采用人工配制的锌污染土，通过控制不同锌离子质量分数、水泥掺量及养护温度，以固结试验中压缩系数作为分析指标，研究不同试验条件下水泥固化体的压缩特性，并推导能够综合反映各因素影响规律的经验公式，为今后实际锌污染场地的固化设计提供一定的参考。

1 试验材料与方法

研究采用取自某一施工现场的淤泥质土样。室内试验采用环刀法测得其湿密度为1.69 g/cm3，天然含水率为55.6%。试验把氯化锌作为锌污染源，其锌离子质量为干土质量的1.00%、0.20%和0.04%。氯化锌极易溶于水，是一种粉末状或白色粒状的晶体，在空气中潮解性较强，需密封避光保存。由于氯化锌具有毒性，在整个制样过程中需佩戴手套。本实验采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，掺量为干土质量的7.5%、5.0%和2.5%。养护温度选用5、20和35 ℃。

制样时，将湿土切成薄片状，然后在干燥箱中烘干24 h，取出试样并用粉碎机粉碎后过孔径为1 mm的筛。试样设计含水量为50%，据此配制氯化锌溶液，分别配制3组不同锌离子质量分数的溶液。充分搅拌干土和水泥，配制3组不同水泥掺量的水泥土。把水泥土和溶液混合并进行充分搅拌，再制备固结试样和环刀试样，经标准养护28 d后，进行室内固结试验并测定不同试样的压缩系数。试验方案见表1。

表1 试验方案Tab. 1 Testing programs

图1 养护温度为20 ℃时水泥固化体的压缩系数及拟合Fig. 1 Compression coefficient and fittings of zinc contaminated soil at curing temperature of 20 ℃

2 水泥固化锌污染土压缩特性

2.1 水泥固化体的压缩系数

图1给出了在养护温度为20 ℃时各水泥固化体试样的压缩系数。由图1可见：在锌离子质量分数一定的条件下，水泥固化体的压缩系数随着水泥掺量的增大而减小，且减小速率随水泥掺量的提高而降低。水泥掺量不变时，随着锌离子质量分数的增加，水泥固化体的压缩系数随之增大，且水泥掺量较高时的增大幅度更为显著。这主要是由于水泥水化反应受到了锌离子的阻碍，发生反应后生成一些难溶解的盐及沉淀物，阻碍了水泥的水化反应，甚至降低了对土样的固化效果[8]。此外，当锌离子质量分数达到1.00%时，随着水泥掺量的增加，水泥固化体压缩系数的降低幅度明显小于锌离子质量分数为0.04%和0.20%的情况，此时水泥的水化过程可能因为锌离子质量分数过高而受到抑制，导致无法有效改善污染土的高压缩性。

2.2 锌离子质量分数和水泥掺量对压缩系数的影响

为了研究锌离子质量分数和水泥掺量对水泥固化体压缩系数的影响规律，图1也给出了试验值的拟合结果。水泥掺量对固化体压缩系数的影响规律较好地符合如下的指数函数：

式中：av为水泥固化锌污染土的压缩系数（MPa−1）；x为水泥掺量（%）；A和B为影响参数。当水泥掺量不变时，锌离子质量分数越大，对水泥水化阻碍影响越明显，固化体压缩系数越大，随之A值减小、B值增大。由此可知，锌离子质量分数能够影响A和B的值，故A和B非定值。

由于水泥固化锌污染土体的压缩特性受未污染土体原始压缩特性的影响，针对上式固化体压缩系数的变化规律函数，其影响参数A应当包含土体原始压缩系数av0（无污染素土压缩系数）的影响，且当水泥掺量和锌离子质量分数均为零时，固化体压缩系数等于土体原始压缩系数av0。为了满足上述要求，令A=(1+C)av0，参数C与锌离子质量分数有关。

锌离子质量分数α与参数C的关系如图2所示。在本试验中，无污染对照试样（试验分组N0）的压缩系数av0为1.25 MPa−1。可见，参数C值随着锌离子质量分数的增大而增大，采用图中指数函数能够较好地描述二者之间的关系。综上分析，锌离子质量分数对参数A的影响可用下式表示：

图2 参数B、C与锌离子质量分数的关系Fig. 2 Relationship between parameters B and C and zinc ion concentration

式中：α为锌离子质量分数（%）；av0为无污染素土的压缩系数（MPa−1）。

锌离子质量分数 α与参数B的关系如图2所示。可见随着锌离子质量分数的增大，参数B值随之减小。这两者的关系曲线图可用下列函数来表示：

将式（2）和（3）代入式（1），可以得到在养护温度20 ℃、龄期28 d情况下，水泥掺量x、锌离子质量分数α与水泥固化锌污染土体压缩系数的关系：

图3给出了养护温度20 ℃时水泥固化体各试样的压缩系数预测值与试验值对比情况。由图3可见：在不考虑养护温度情况下，试验得到的压缩系数值与采用式（4）的预测值基本吻合，二者误差很小。值得注意的是，针对无污染对照组试样，压缩系数预测值为 5.7 MPa−1，与实际试验值 1.25 MPa−1的差异较大。可见，本文预测公式具有一定的局限性，对于锌离子质量分数0～0.04%的水泥固化锌污染土，预测值的误差可能会偏大。

图3 水泥固化体压缩系数的试验值与预测值Fig. 3 Testing results and predicted results of compression coefficient

2.3 养护温度对压缩系数的影响

养护温度对水泥固化效果的发挥有着重要的影响，不同养护条件下固化体力学特性的改善程度及速率是不同的。在一般情况下，固化体养护温度越高，水泥水化反应越剧烈，其力学特性改善的幅度也越大。为了研究养护温度对固化体变形特性的影响规律，对试验分组N12、N22和N32进行分析。表2列出了不同养护温度条件下各组试样的压缩系数试验结果。

由表2可知，当水泥掺量和锌离子质量分数不变时，随着养护温度的升高，水泥固化体的压缩系数值会降低，表明高养护温度能够促进水泥固化法有效改善锌污染土的压缩性。以养护温度为20 ℃时的压缩系数av20作为标准值，不同养护温度t条件下固化体的压缩系数与该标准值的比值定义为avt/av20。

图4描述了avt/av20与养护温度之间的关系。可见，水泥掺量和养护温度相同、锌离子质量分数不同时对应的压缩系数比值基本接近，表明锌离子质量分数对该定义值的影响不大。