树脂吸附法治理兰州新区灰土次生盐渍化试验研究

杨映东，高 萍，田小朋，孔德政，冯炳超

（甘肃省建筑科学研究院（集团）有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

自 2012 年以来，兰州新区中川机场、兰石厂、兰州新区舟曲中学等场地室内及室外地坪、散水出现了较严重的膨胀鼓起现象，最大膨胀量超过了 20 cm。膨胀造成了很大的经济损失，如舟曲中学治理室外膨胀的费用约 3 600 万，中川机场 T2 航站楼膨胀治理费用超过了 1 200 万，兰州新区某道路灰土路基膨胀造成的损失超过了 3 000 万，类似的病害在兰州新区越来越多。为了找到膨胀机理及治理的方法，课题组于 2017 年 1 月至 2020 年 10 月对兰州新区灰土膨胀病害的机理进行了调查与试验研究，发现了次生盐渍化的机理，并通过研究找到了若干种治理方法，本文重点介绍吸附树脂法治理土壤中硫酸根离子的效果。

1 兰州新区灰土膨胀病害调查简介

根据调查，在兰州新区发生膨胀的灰土有以下特点。

1）兰州新区的原土未发现膨胀病害。

2）出现的膨胀病害均发生在灰土垫层散水、灰土垫层室外地面、灰土垫层室内厂房地面、灰土垫层路基、灰土垫层的设备基础下。对膨胀灰土取样检测易溶盐发现灰土已全部盐渍化，膨胀的灰土中含盐量较原土出现大幅增长，西宁也发现过类似的灰土膨胀病害［1］。

3）兰石厂一厂房室内地坪、兰州中川机场 T2 航站楼内地坪、某厂一室内设备基础（埋深在大气影响深度以下）发生了膨胀，室内地坪不受冻害影响，设备基础在大气影响深度以下也在室内不受冻害，说明兰州新区的灰土在无冻胀环境和大气影响深度以下仍有膨胀发生，故冻胀、大气影响不是主要膨胀因素。

2 吸附树脂治理易溶盐离子试验

2.1 吸附树脂分类及性质简介

吸附树脂是以吸附为特点，具有多孔立体结构的吸附剂，广泛用于净化水及废水处理等。吸附树脂分为阳离子树脂和阴离子树脂，阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性，阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性。各类树脂交换条件及性质如表 1 所示。当树脂中的离子变换时，如阳离子树脂将 H+转为 Na+，阴离子树脂将 Cl-转为 OH-，都会因离子直径增大而发生体积膨胀（见表 1）。

表1 树脂分类及性质

2.2 树脂吸附顺序

离子交换树脂对溶液中不同离子的吸附有选择性。忽略树脂的差异，各离子受树脂交换吸附作用的强弱程度规律如下。

1）树脂对阳离子的吸附与土壤胶体对阳离子的吸附顺序基本相同，高价离子吸附力强，常被优先吸附，而低价离子的吸附较弱，可被高价离子交换。同价离子直径较大的离子与树脂的吸附性较强。阳离子与树脂吸附能力顺序如下［2］：Fe3+＞Al3+＞Pb2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞H+。

针对树脂以上吸附离子的特性，可以选择适宜的树脂来治理土壤中的离子。兰州新区灰土膨胀治理的关键是治理 SO42-，根据树脂的性质判断宜选择强碱性阴离子树脂，这种树脂能优先吸附土壤中的 SO42-；而弱碱性阴离子树脂会优先吸附 OH-且这种树脂在高 PH 值环境下不适宜。

2.3 掺树脂治理土壤中易溶盐试验

交换树脂在水处理中用于各种阴阳离子的去除，目前约 90 % 以上的离子交换树脂用在水处理和火电厂的纯水处理上。根据交换树脂的性质，交换树脂的吸附性极好，故其也能吸附盐渍土中的易溶盐离子。由于离子与树脂的吸附交换作用一般需在溶液状态下发生，试验选取了 3 种工业上常用的树脂，分别掺入灰土样品中进行易溶盐试验，掺入树脂后样品中易溶盐离子对比情况如表 2 所示。

表2 吸附性树脂直接掺入土壤样品中易溶盐变化

试验时将树脂直接掺入土壤并使土壤饱和后送检易溶盐。试验结果证明树脂对土壤中易溶盐离子的吸附力极好，工程应用时可根据需要吸附的离子选择树脂型号。树脂的市场价约 5 000 元/t，治理费用较经济，有较好的应用价值。

由于实际工程应用时要防止树脂对土壤环境的污染，不可将树脂颗粒直接掺入土壤中，需要制作树脂膜等产品，故课题组进行了以下模拟试验：把树脂装入透气性好的纱布袋中，在土样品桶中间掏孔后，把树脂袋放入孔中间，然后浸水饱和 7 d 后再进行易溶盐试验对比，发现加入 1 号吸附树脂后对灰土中 SO42-含量减少最显著，SO42-含量减少了 45.6 %（见表 3），试验结果证明树脂对土壤中易溶盐离子的吸附力极好，可用吸附树脂对土壤中的 SO42-离子进行治理（见图 1～图 4）。

表3 吸附性树脂装袋放入桶中 7 d 后土壤样品中易溶盐变化

图1 树脂装袋吸附灰土中易溶盐试验

图2 现场治理时树脂孔及注水孔布置参考图

图3 加入树脂袋的灰土样品桶

图4 试验所用的树脂颗粒

3 结语

1）在灰土中直接掺入吸附树脂颗粒并将土壤浸水浸泡 7 d 后，土壤中 SO42-离子的含量减小幅度达 98 %，其中放入 1 号吸附树脂的样品 SO42-含量减少最显著，证明 1 号树脂对土壤中易溶盐离子的吸附力最好，故选择适宜的吸附树脂并浸水浸泡后，树脂可吸附土中大部分的 SO42-等离子。由于目前市场上的树脂均为颗粒型，故不宜直接掺入土壤中治理土壤中的离子，需要进一步研究制造树脂膜等特殊产品应用于盐渍土土壤治理。

2）本次研究在土壤中挖孔，然后在孔内放入装袋树脂后，吸附树脂对土壤中离子也有较好的吸附作用，土壤中 SO42-离子的含量减小幅度为 45.6 %，其吸附作用显著低于直接掺入树脂颗粒的效果，这是因为土壤溶液中的液体流动性差，土壤阻碍了离子与树脂的接触，树脂袋只能吸附其附近的土壤溶液中的离子，故吸附作用慢，但也有非常明显的效果。

3）从试验结果发现，用吸附性树脂改良盐渍土中的 SO4

2-等离子具有良好的效果和应用前景，在土壤中钻小孔然后将树脂装袋后放入孔中能防止树脂颗粒直接进入土壤，待土壤中离子被树脂吸附后可去掉树脂袋，不将树脂颗粒留在土壤中，能避免树脂颗粒对土壤的次生影响。

4）吸附树脂能很好地吸附溶液中的离子，对不能挖除换土的既有建筑灰土次生盐渍化膨胀病害，可选择适宜的树脂吸附地基土中的易溶盐离子，树脂将土中引起盐渍化及膨胀病害的 SO42-离子吸附后，一是防止了膨胀盐硫酸钠的生成，二是消除了钙矾石生成所需要的 S离子［3］，故治理了 SO42-离子就能消除硫酸钠吸水膨胀与钙矾石引起的膨胀。SO42-离子引起膨胀原因主要有硫酸钠吸水膨胀，此外，有研究发现 SO42-离子与土壤中其他成分结合会生成钙矾石，钙矾石也能引发膨胀病害，两种膨胀，都与 SO42-离子有关，故树脂吸附法均有效。Q