铅离子对黄土基本工程性质的影响研究

2022-11-29李明泽杨秀娟

陕西水利 2022年11期

李明泽，周鑫，杨秀娟

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌 712100）

1 前言

近年来随着中国经济的快速发展,国家工业化进程加快,由于企业内部监管不力和企业生产技术落后等因素,大量工业生产过程中的含重金属离子的废水被肆意排放到土壤中,给土壤带来了严重的污染,我国也因土壤污染问题每年遭受巨大经济损失。我国每年因重金属污染的耕地粮食产量多达1200 万t,直接经济损失超过200 亿元人民币[1]。重金属离子不仅会改变土壤结构,造成土壤性质的变化,也会造成粮食减产,甚至威胁人类的生命安全。

现阶段,我国存在重金属污染土壤总面积约为2000万hm2,占总耕地面积的1/60,我国土壤重金属污染问题已经十分严峻[2]。姚万程、刘庚等人通过对550 个样点8中重金属Pb、Cr、Cd、As、Hg、Cu、Zn、Ni含量的研究,发现8 种重金属含量分别为山西省土壤环境背景值的2.98、0.99、4.45、1.43、13.61、1.35、1.75、1.16倍[3]。王守沛、王文庆通过在宁国市远景规划区进行土壤采样分析及测试分析发现其表层土壤中Pb、Cr、Cd、As、Hg、Cu、Zn七种重金属离子均不同程度超过安徽省土壤背景值[4]。林傲然、滕楠等人通过对重金属Pb污染固化土的研究,发现相同种类固化剂、相同龄期下土的无侧限抗压强度会随着铅离子浓度的增大而逐渐减小[5]。李雄威、刘正明等人通过对江苏省常州市某电镀厂遗址处的污染土为样本,进行无侧限抗压试验后发现,电镀废水会大幅度降低土壤的无侧限抗压强度值[6]。由此可见,我国重金属土壤污染问题日益严峻,对工程建设造成一定威胁。

本项目以不同Pb2+污染程度的杨凌黄土为研究对象,通过酸碱度试验和无侧限抗压强度试验探求不同质量分数的Pb2+影响下,黄土基本工程性质的变化规律。

2 材料与方法

2.1 试验材料

该项目所采用的黄土为杨凌黄土,取自陕西杨凌示范区杨凌大道东侧土坡,基本物性指标见表1。杨凌黄土中易溶盐含量为0.76 g/kg,pH值为8.19,偏碱性,其基本化学指标见

表1 杨凌黄土的基本物性指标

表2。本试验所采用的铅离子为化学分析纯硝酸铅,购自天津市大茂化学试剂厂。

表2 杨凌黄土的化学指标

2.2 试验方法

试验所采用的土样为铅离子污染土。首先将杨凌黄土去除其中的石子、树根等杂物,风干研磨,然后将其通过孔径为2 mm的土壤筛；按重金属离子/干土质量比为0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%分别称取过筛的杨凌黄土和硝酸铅,将不同质量的重金属盐溶于蒸馏水中,然后均匀分层喷洒在黄土中,搅拌均匀,用保鲜膜密封24 h,然后风干重金属离子污染土样,并过2 mm土壤筛,即刻用作试验土样。

酸碱度试验使用酸度计测量不同铅离子掺量的污染土悬浊液pH值。试样包括由质量分数为0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%的风干污染黄土所制成的土悬液。试验按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行。

界限含水率试验中使用液塑限联合测定仪测定污染土的液限及塑限含水率。试样包括由质量分数为0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%的风干污染黄土所制成的粒径≤0.5 mm的研磨土。试验按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行。

无侧限抗压强度试验使用无侧限压缩仪测定无侧向压力下污染土抵抗轴向压力的极限强度。试验中控制土体的含水率为20%,以压实度0.80、0.85、0.90和0.95压制土样,每组试样采用3个平行样,结果取平均值。

3 试验结果

3.1 铅离子对土体酸碱度的影响

图1是不同铅离子污染黄土后黄土的酸碱度变化关系曲线。从图中可以看到,随着铅离子浓度的逐渐增大,污染土的pH逐渐减小,土样酸性增强。由于硝酸铅溶于水后会产生铅离子,而铅离子会与水发生水解反应（反应方程式Pb2++2H2O=Pb（OH）2+2H+）,产生氢离子。另外黄土中富含碳酸盐,水解产生的氢离子会进一步与碳酸盐反应,降低土壤的pH,因此土壤的酸性会随着铅离子浓度的增大而增强。

图1 铅离子浓度—酸碱度曲线

3.2 铅离子对黄土界限含水率的影响

表3是试验所测得的不同铅离子质量分数污染土的界限含水率。在铅离子的影响下,黄土的液限及塑限含水率会在某一小范围内波动,塑限范围在17.6%～19.4%之间,均低于素土的20.6%,液限在30.6%～31.7%之间,均低于素土的32.6%。由此可见,铅离子浓度在0.1%～1.0%范围时对黄土的界限含水率基本没有影响。

表3 不同铅离子质量分数的污染土界限含水率

3.3 铅离子对黄土无侧限抗压强度的影响

3.3.1 铅离子污染黄土应力- 应变关系

图2～图5是不同压实度下铅离子污染黄土的应力-应变曲线,可以看出,当压实度为0.8 时,铅离子质量分数为0.5%的污染土的抗压强度最高,铅离子质量分数为1%时抗压强度最小；当压实度为0.85 时,铅离子质量分数为0.2%的污染土抗压强度最高,无污染黄土抗压强度最小；当压实度为0.9 时,铅离子质量分数为0.1%的污染土抗压强度最高,铅离子质量分数为0.2%的污染土抗压强度最小；当压实度为0.95时铅离子质量分数为1%的污染土抗压强度最高,铅离子质量分数为0.1%的污染土抗压强度最小。

图2 压实度0.8时的应力-应变曲线

图3 压实度0.85时的应力-应变曲线

图4 压实度0.9时的应力-应变曲线

图5 压实度0.95时的应力-应变曲线

3.3.2 铅离子浓度对黄土无侧限抗压强度的影响

图6是不同压实度下铅离子浓度对黄土无侧限抗压强度的影响关系曲线。由图6可知,当压实度为0.8时,抗压强度随着铅离子浓度的增大而减小；当压实度为0.85和0.9时随着铅离子浓度的增大,污染土的抗压强度先增大后减小；当压实度为0.95时,随着铅离子浓度的增大,污染土的抗压强度先减小后增大。

图6 铅离子污染黄土无侧限抗压强度变化曲线

在无侧限抗压强度试验中,铅离子为二价阳离子,水解后的呈酸性。二价铅离子的盐溶液在遇到黄土时,会与黄土中的碳酸盐如碳酸钙、碳酸镁等发生反应,造成黄土中主要胶结形式发生分解,同时释放出镁离子和钙离子造成土颗粒间的胶结物减少,使得土颗粒间的黏聚力减小。同时二价铅离子带正电荷,土颗粒表面带负电荷,会使铅离子吸附在土颗粒表面,土颗粒之间产生絮凝作用,导致土颗粒表面变得粗糙,造成土颗粒间的摩擦强度增大。