受铅污染的塑性混凝土强度和渗透性试验研究

嵇 其 伟，闻 一 江，王 升 位

(1.江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330000； 2.建华建材科技(江苏)有限公司，江苏 扬州 225009； 3.扬州大学 建筑科技与工程学院，江苏 扬州 225127)

0 引 言

塑性混凝土由于具有弹性模量小、抗压强度高和防渗性能好等特点，常作为一种垂直防渗墙被广泛应用于垃圾填埋场工程和污染场地管控工程[1-3]。强度和渗透性是评价塑性混凝土防渗墙的重要参数，一般要求28 d龄期强度不低于2 MPa，28 d渗透系数不低于1×10-7cm/s[4]。

目前，大量学者开展了塑性混凝土墙强度和渗透性方面的研究，发现强度和渗透性均与塑性混凝土内部孔隙结构密切相关[5-7]。同时，有些学者发现随着塑性混凝土孔隙的变化，其pH值和电导率也会随之发生改变[8-10]。为此，学者们常采用电导率和pH 表征塑性混凝土强度和渗透性，进而作为一种快速获取塑性混凝土墙工程参数的方法。刘松玉等[11]对连云港水泥混合土进行电阻率(电导率的倒数)和强度测试，发现水泥混合土强度与电阻率之间存在一定关联。车冬日等[12]开展了混凝土强度和理化性质指标(pH和电导率)的测定，并提出了利用混凝土前期pH和电导率表征其后期强度的方法。Chrisp[13]针对普通水泥土开展了渗透试验和电导率试验，发现渗透系数随着电导率的增加而增大，两者呈现较好的正相关性。填埋场和污染场地中重金属铅离子污染普遍存在，铅离子会对塑性混凝土水化碳化反应产生一定的影响，进而影响塑性混凝土工程性质。Cao等[14]开展了铅离子对磷酸镁水泥土抗压强度和微观结构的影响研究，发现重金属铅离子会参与水泥土水化和碳化反应，进一步对水泥土后期强度产生影响。杜延军等[15]对铅污染固化土的强度进行了测定，提出铅离子会参与水泥水化反应，生成难溶解的水化硅酸铅，进而延缓固化土中胶结物的水化反应。通过以上研究可以发现塑性混凝土的工程性质与pH、电导率均存在一定关联，但受重金属铅离子污染的塑性混凝土工程性质与理化性质指标(pH和电导率)存在何种关系尚不清楚，有待进一步研究。

为了解决以上问题，本文以福建标准砂、河北膨润土、42.5级普通硅酸盐水泥和铅离子溶液组成的铅污染塑性混凝土为研究对象，开展了4种铅离子浓度和3个养护龄期条件下塑性混凝土无侧限抗压强度试验和渗透试验，同时测定了强度试验后塑性混凝土的pH和电导率，进一步分析并建立了塑性混凝土强度、渗透系数与pH、电导率的定量关系。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本文试验材料选用砂、膨润土、水泥和含铅离子水。其中，水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥，其初凝时间为155 min，终凝时间为190 min，28 d抗压强度为50.3 MPa；砂选用产自福建省的标准砂；膨润土选用产自河北省的膨润土。福建标准砂粒径分布通过筛分法测定，河北膨润土粒径分布采用马尔文激光粒度仪(马尔文公司，英国)测定，试验结果见图1。按土工试验方法标准测定了河北膨润土基本指标[16]，测定的指标有比重、液限、塑限、膨胀性和阳离子交换量，其结果见表1。塑性混凝土配合比设计时，其配合比参数应控制在如下范围：① 用水量可控制在250～330 kg/m3；② 砂率都在60%～95%；③ 胶材用量应在210～300 kg/m3，其中膨润土和土的掺量应在70～130 kg/m3；④ 水胶比一般在0.7～1.0[17]。因此，塑性混凝土配合比中水胶比(水掺量/水泥+膨润土掺量)控制为0.9，砂掺量为1 600 kg/m3，水泥掺量为220 kg/m3，膨润土掺量为90 kg/m3。重金属铅离子选用氯化铅进行配置，文献[18]采用氯化铅质量为膨润土质量的0.1%，1%和3%进行试验，为此，本文选用氯化铅质量为膨润土质量的0%，0.1%，1%和3%进行制样，各试样材料用量如下：水胶比0.9，水为279 kg/m3，砂1 600 kg/m3，水泥220 kg/m3，膨润土90 kg/m3，氯化铅0，0.09，0.90，2.70 kg/m3。

表1 膨润土物理性质指标

图1 砂和膨润土颗粒级配曲线

1.2 制 样

将4种铅离子浓度配置的塑性混凝土分别搅拌均匀后压入环刀中。每种铅离子浓度试样制备6个试样，共计24个试样，为保证试样均匀密实，将塑性混凝土分3层装入，每层试样压入后进行充分振捣。每个试样制备好养护1 d后脱模，脱模后的试样放入标准YH-40B型恒温恒湿养护箱进行养护(腾义达建筑器材有限公司，河北)。该标准恒温恒湿养护箱温度可控制在(20±1) ℃，相对湿度可控制在95%以上，养护龄期分别为7，14 d和28 d。

1.3 无侧限抗压强度试验

塑性混凝土强度采用YYW-Ⅱ应变式无侧限压力仪(沧州科兴仪器设备有限公司，河北)进行测定，其加载速率为2 mm/min，分别对龄期7，14 d和28 d塑性混凝土进行无侧限抗压强度试验。

1.4 渗透试验

塑性混凝土渗透试验采用RST-1型柔性壁渗透仪(南京土壤仪器厂，南京)进行测定，分别对龄期7，14 d和28 d塑性混凝土进行渗透试验。渗透试验前先将试样进行抽真空饱和，饱和后的试样放入渗透仪中进行固结，固结压力选择为200 kPa。在固结压力作用下，观察排水管液面水位不再变化，即为固结稳定。此时，对试样施加渗透压力，渗透压力选择为180 kPa。在渗透压力作用下，每间隔2 h读取排水管液面水位，待渗透流速稳定结束渗透试验。

1.5 pH和电导率测定试验

氢离子浓度指数(pH)采用上海越平PHS-3CU型pH计(上海越平科学仪器有限公司，上海)进行测定，物体传导电流的能力(电导率)采用雷磁DDS-307A型电导率仪(上海仪电科学仪器股份有限公司，上海)进行测定。分别对养护7，14 d和28 d无侧限抗压强度试验后的试样取样5 g，将其碾压后放入50 mL离心管中，同时按土水质量比为1∶5取去离子水50 mL放入离心管中，充分振荡30 min使两者混合均匀，待静止后分别测定塑性混凝土的pH和电导率。其中，pH和电导率均每隔4 min测定一次，直至测量结果稳定，测定时的温度均为室温25 ℃。

2 结果与分析

2.1 铅离子浓度对塑性混凝土强度的影响

开展了不同铅离子浓度和养护龄期塑性混凝土的无侧限抗压强度试验，结果如图2所示。可以发现在相同养护龄期时，随着铅离子浓度的增加，塑性混凝土强度均逐渐减小；而在相同铅离子浓度作用下，随着养护龄期的增加，塑性混凝土强度逐渐增大，所有塑性混凝土强度均在5～10 MPa之间，其均满足工程强度要求(即28 d龄期强度不低于2 MPa)。铅离子一方面会抑制水泥水化反应[19]，随着铅离子浓度的增加，碳酸钙等碳化产物的生成量会降低，进而塑性混凝土强度会降低；另一方面重金属离子会影响塑性混凝土中膨润土的土水相互作用，降低结合水膜的含量[20]。在综合影响下，随着铅离子浓度的增加，塑性混凝土强度逐渐减小。而塑性混凝土养护龄期越长，水泥水化和碳化反应生成的碳酸钙(CaCO3)含量越高，从而其内部孔隙越小，塑性混凝土越密实，强度也就越大[18]。

图2 混凝土强度随铅离子浓度的变化

2.2 铅离子浓渡对塑性混凝土渗透性的影响

开展了不同铅离子浓度和养护龄期的塑性混凝土的渗透试验，结果如图3所示。可以发现在相同养护龄期时，随着铅离子浓度的增加，塑性混凝土渗透系数均逐渐增大；而在相同铅离子浓度作用下，随着养护龄期的增加，塑性混凝土渗透系数逐渐减小，所有塑性混凝土渗透系数均小于1.0×10-7cm/s，均满足工程防渗要求。塑性混凝土渗透系数随铅离子浓度和龄期的变化规律与强度正好相反，同样，铅离子加入一方面会影响碳化后的生成物[19]，另一方面影响膨润土周围的结合水含量[20]，进而导致塑性混凝土孔隙增大。因此，随着铅离子浓度的增加，塑性混凝土渗透系数逐渐增大。而随着龄期的增加，碳化后的生成物越多，塑性混凝土越致密，孔隙越小，进而塑性混凝土的渗透系数越小。

图3 渗透系数随铅离子浓度的变化

2.3 铅离子浓度对不同龄期塑性混凝土理化性质指标的影响

2.3.1对pH的影响

开展了不同铅离子浓度和养护龄期塑性混凝土的pH测定试验，结果如图4所示。可以发现在相同养护龄期时，随着铅离子浓度的增加，pH不断减小；在相同铅离子浓度作用下，随着养护龄期的增加，pH也不断减小。这是由于铅离子会与孔隙溶液中的氢氧根离子(OH-)反应，使得孔隙溶液中OH-减少，从而导致土体pH降低。铅离子的存在会抑制氢氧化钙(Ca(OH)2)和水化硅酸钙(C-S-H凝胶)的生成，铅离子主要生成的产物为碳酸铅(PbCO3)和硅酸铅(PbSiO3)，有少量的铅离子依附于CaCO3表面[15]。同理，随着养护龄期的增加，水化和碳化反应更充分，生成了更多碳酸铅和碳酸钙，使得塑性混凝土孔隙中OH-减少，pH降低。

图4 pH随铅离子浓度的变化

2.3.2对电导率的影响

开展了不同铅离子浓度和养护龄期塑性混凝土的电导率测定试验，结果如图5所示。可以发现，在相同养护龄期时，随着铅离子浓度的增加，电导率逐渐增大，电导率增加速率逐渐减小；在相同铅离子浓度作用下，随着养护龄期的增加，电导率逐渐减小。通过图4和图5的对比可以发现，pH和电导率与铅离子浓度、养护龄期的变化规律正好相反。一方面随着铅离子浓度的增加，塑性混凝土内可导电离子就越多；另一方面铅离子会抑制碳化后的生成物[19]和降低膨润土周围的结合水含量[20]，导致塑性混凝土有效孔隙之间的连接增大，所以塑性混凝土导电率会增加。而随着养护龄期的增加，塑性混凝土的水化和碳化更为充分，大量的离子不断生成产物，使得可连接的孔隙减小，导电性变差，从而导致塑性混凝土电导率降低[21]。

图5 电导率随铅离子浓度的变化

2.4 pH与电导率之比与塑性混凝土工程性质的关系

从图2、图4和图5中可以发现，混凝土强度和pH随Pb2+浓度、龄期变化的规律类似，即随着Pb2+浓度和养护龄期的增加，混凝土强度和pH均减小，电导率随着Pb2+浓度和龄期的增加却增大，说明塑性混凝土强度与pH成正比，与电导率成反比。为此，本文以pH与电导率之比作为参数，建立pH/电导率与塑性混凝土7，14 d和28 d强度的关系如图6所示。从图6可以发现，在不同铅离子浓度和养护龄期条件下，随着pH/电导率的增加，塑性混凝土强度不断增大，两者存在较好的指数函数关系(相关系数R2=0.89)，两者关系为

图6 pH/σ与强度的关系

qu=11.49-4.64×exp[(1.98-p/σ)/1.50]

(1)

式中：qu为塑性混凝土无侧限抗压强度，MPa；p为塑性混凝土pH；σ为塑性混凝土电导率，ms/cm。

同理，建立了pH/电导率与塑性混凝土7，14 d和28 d渗透系数的关系，如图7所示。从图7可以发现，不同铅离子浓度和养护龄期条件下，随着pH/电导率的增加，塑性混凝土渗透系数不断减小，两者存在较好的指数函数关系(相关系数R2=0.98)，两者关系为

图7 pH/σ与渗透系数的关系

k=0.31+2.24×exp(-1.09p/σ)

(2)

通过以上研究可以发现，pH和电导率可以综合反映受污染塑性混凝土生成产物种类和水化反应程度，进一步可表征不同铅离子浓度塑性混凝土在不同龄期下孔隙大小。为此，采用pH/电导率综合描述受铅污染塑性混凝土7，14 d和28 d的强度和渗透系数具有一定合理性。

3 结 论

(1) 在塑性混凝土的强度试验和渗透试验中，在相同龄期时，塑性混凝土强度随铅离子浓度的增加而减小，渗透系数随铅离子浓度增加而增大；在铅离子相同时，塑性混凝土强度随龄期的增加而增大，渗透系数随龄期的增加而减小。这主要是由于铅离子会抑制塑性混凝土碳化后的产物，并降低膨润土周围的结合水含量，从而导致塑性混凝土孔隙增大，故塑性混凝土强度降低、渗透系数增加。而龄期越大，水泥水化和碳化越充分，塑性混凝土越致密，孔隙越小，故其强度越大，渗透系数越小。

(2) 对于塑性混凝土pH和电导率的测定，在相同龄期作用下，塑性混凝土pH随着铅离子浓度的增加而减小，电导率随铅离子浓度的增加而增大；在相同铅离子浓度作用下，pH和电导率随着龄期的增大均减小。这主要是由于铅离子浓度的增加，改变了水泥水化和碳化的产物，消耗更多OH-，pH即越小，同时铅离子浓度越大，可导电离子和塑性混凝土连通孔隙越大，故电导率也就越大。而龄期越大，水化和碳化程度越充分，孔隙中的离子生成的稳定的产物越多，消耗更多的OH-和离子，故pH和电导率越小。

(3) pH和电导率可以综合反映塑性混凝土产物种类和水化反应程度，进而可反映塑性混凝土的孔隙大小。为此，对于不同铅离子浓度条件下龄期分别为7，14 d和28 d的塑性混凝土，用pH与电导率之比来描述塑性混凝土强度和渗透性，它们之间呈现较好的指数函数关系。