重金屬污染土強度特性試驗研究

陳日高，馬福榮，龐迎波

（廣西經(jīng)濟管理干部學院 土木建筑系，南寧 530007）

隨著重金屬資源開發(fā)和加工的不斷發(fā)展，近年來中國重金屬污染事件頻發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計，已出現(xiàn)30多起重金屬污染事件［1］。中國1.2億hm2農(nóng)田中，至少10%受到重金屬污染。國土資源部曾公開表示，中國每年有1200萬t糧食遭到重金屬污染，直接經(jīng)濟損失超過200億元［2］。為了遏制重金屬污染的繼續(xù)，環(huán)保部近期出臺了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，列出了湖北、江蘇等14個重金屬污染綜合防治重點省區(qū)和138個重點防治區(qū)域，將鎘、鉛、砷、汞和鉻這5種有毒金屬列為治理重點。廣西也是14個重金屬污染防治重點省區(qū)之一。廣西作為中國重點有色金屬產(chǎn)區(qū)，錫、銻、鎢、鋁、鉛鋅等有色金屬的探明儲量在全國居前列，在發(fā)展資源優(yōu)勢的同時也面臨著重金屬污染的嚴峻考驗。

重金屬污染事件的不斷發(fā)生，已經(jīng)引起學者們的高度注意，相當多學者在重金屬污染方面對農(nóng)業(yè)、環(huán)境、健康與食品安全等方面做了大量研究，取得了可喜的成果；但鮮有學者涉及到巖土與工程方面，從工程應(yīng)用角度去研究重金屬污染土的影響問題［3］。其他國家于20世紀70年代開始注意到污染土環(huán)境與工程問題，集中于污染土的強度特性、固結(jié)特性，受污染后土體性質(zhì)發(fā)生明顯改變［4－9］。而中國對于污染土的研究主要集中于酸、堿溶液對地基土物理力學特性的影響［10－16］，對于重金屬污染土體的研究主要涉及到污染土體的固化處理方面［17］與污染物的運移對土體性質(zhì)的影響［18－19］。重金屬尾礦和加工廢物的棄置與處理成了令全社會頭疼的迫切問題，特別是一些歷史遺留礦區(qū)，重金屬污染相當嚴重，也給尾礦庫區(qū)、廢料堆填區(qū)以及周邊居民區(qū)造成較為嚴重的環(huán)境巖土工程問題［20］。因此，從巖土工程的角度分析重金屬污染土的力學特性，對于重金屬資源開采和加工區(qū)域的工程建設(shè)與安全、歷史遺留礦區(qū)處置和利用具有極大的現(xiàn)實意義。本文通過現(xiàn)場取樣，進行物化分析、直接剪切試驗與無側(cè)限抗壓強度試驗，分析和研究不同重金屬污染土的力學特性與工程應(yīng)用性。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣均來自尾礦庫、廢料堆填區(qū)，取自地表以下0.2m及以下的污染土。共采取3種污染土樣，①、②號污染土樣來源于錳礦加工與堆填區(qū)；③號土樣取自鉛鋅礦加工的尾礦庫。

1.2 物化分析試驗

①、②號污染土樣廠區(qū)均為加工錳產(chǎn)品企業(yè)，礦物主要為MnO2、MnCO3、MnSO4礦；③號污染土樣廠區(qū)均為加工Pb、Zn礦。利用原子吸收分光光度法測定了尾礦中重金屬含量，測試結(jié)果如表1所示。

表1 污染土重金屬含量分析表 mg／kg

1.3 抗剪強度試驗

為探討隨著重金屬含量的變化對土體強度的影響，特進行不同重金屬含量下的直接剪切試驗。分別對①、②、③試樣進行處理，先對試樣在105℃烘干，并碾成粉末過5mm篩備用。以污染土與無污染凈土按照質(zhì)量比進行混合制作試樣，將準備好的重金屬污染土分別按為凈土的10%、30%、50%、80%的量摻入到凈土中，按同一密度進行制作直接剪切試驗試樣。

1.4 無側(cè)限抗壓強度試驗

為探討重金屬污染土的承載性能，分析重金屬污染物是否對土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一定的破壞作用，以及觀察重金屬污染土的破壞形態(tài)，進行無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗用樣與抗剪強度試驗用樣一致，以污染土與無污染凈土按照質(zhì)量比進行混合制作試樣，將準備好的重金屬污染土分別按為凈土的10%、30%、50%的量摻入到凈土中，在不同含水量的情況下進行無側(cè)限抗壓強度試驗。試樣直徑為100mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗剪強度試驗

將備好的凈土與污染物按質(zhì)量比為10%、30%、50%、80%的比例摻合，含水量為20%，濕密度為1.9g／cm3，并靜置3d后試驗。試驗結(jié)果如表2所示，強度指標與摻入比關(guān)系曲線如圖1。從圖1可以看出，隨著污染物濃度的增加，其粘聚力c增大，則內(nèi)摩擦角φ呈降低趨勢。①號土樣隨污染物含量的增加，粘聚力c也隨之增大，增幅約為36.5%，內(nèi)摩擦角φ隨之降低，降幅約為53.5%；②號污染土的粘聚力c值增幅較大，約為1倍，內(nèi)摩擦角φ降幅則為23%左右；③號污染土的粘聚力c增幅約為85%，內(nèi)摩擦角φ降幅約為31%。當重金屬污染物含量較低時，其強度與凈土相當，略有變化，當重金屬污染物含量由低變高時，其強度變化存在一個急速變化到緩慢變化的過程，最終趨于一穩(wěn)定態(tài)勢。

表2 不同摻入比的抗剪強度指標

圖1 強度指標與摻入比關(guān)系

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

將備好的凈土與污染物按質(zhì)量比為10%、30%、50%的比例摻合，隨著含水量的變化制作污染土試樣，含水量從17%變化到27%，濕密度為1.9g／cm3。測試土樣隨著不同重金屬污染物含量與含水量的變化，其強度變化規(guī)律。試驗結(jié)果見表3，隨著含水量變化，不同重金屬污染土強度變化曲線如圖2所示。從表3可以看出在同一含水量的情況下，隨著重金屬含量的增加，其強度總體上有減小的趨勢。隨著含水量的增加，強度降低比較明顯，強度隨著摻入比的增加，其降低量也逐漸增加，降低量約為35%～60%。圖2（a）、（b）、（c）分別為重金屬污染物含量為10%、30%、50%的強度隨含水量變化曲線。隨著含水量的增加，不同摻入比試樣的抗壓強度呈減小趨勢，比較各摻入比下的3種土樣，受Pb、Zn重金屬離子污染土體強度隨含水量增加強度降低率大于受Mn離子污染土體，當土體含水量增加8%時，③號土樣強度降低60%～75%，①、②土樣強度降低20%～45%。試驗中分別觀察了不同含水量下試樣的破壞形態(tài)，最具代表性的破壞圖片如圖3所示。圖（a）試樣破壞形式明顯不同于其它兩試樣，圖（a）試樣受力后，出現(xiàn)豎向裂紋，表現(xiàn)為劈裂破壞，這與其含水量、重金屬含量相關(guān)。圖（b）、（c）試樣受壓后均產(chǎn)生了斜裂縫，傾角約（45°＋），明顯發(fā)生了剪切破壞。從圖3可以看出，隨著含水量的增大，試樣發(fā)生鼓脹破壞。從表3可見，當含水量的增長超過一定值時應(yīng)力明顯跌落，強度大幅度降低。

表3 不同摻入比下的抗壓強度變化表 kPa

2.3 重金屬污染物影響土體強度特性的演化機制

天然粘性土體遭受含重金屬離子廢液、選礦水浸泡，導致重金屬離子入侵，改變土體性質(zhì)。土體在遭受重金屬污染物污染的同時，重金屬污染物也破壞土體，改變土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，打破土體內(nèi)部平衡關(guān)系，改變土顆粒表面電場，弱化顆粒間的相互連接，從而引起土體工程性質(zhì)的改變。

1）重金屬離子改變了土顆粒表面的擴散雙電層與水膜厚度

重金屬污染物進入土體后改變了顆粒－顆粒－水界面性質(zhì)，從而影響土體性質(zhì)。當重金屬離子及附帶產(chǎn)物進入土體后，陽離子總量增加，吸附層中陰離子被 Mn2＋、Pb2＋、Zn2＋、Cd2＋、Cr3＋中和的電量變多，土顆粒表面吸附的正電荷增多，增強了對陰離子的吸附作用，使得擴散雙電層及粘土表面水化膜變薄，土顆粒間接觸距離變小，聯(lián)結(jié)能力增強，從而使得土體的粘聚力c值隨污染物含量的升高而增大。不同價位的離子所帶電荷多少是有區(qū)別的，同時電荷多少直接影響雙電層與水膜厚度，當入侵陽離子屬低價時，土顆粒表面所吸附的電量將少于高價位離子入侵時的情況，從而擴散雙電層厚度變化小于高價位陽離子引起的。而廢渣與廢液常含有一定量的酸性物質(zhì)，并共同作用于土體，土體在不同pH值環(huán)境中表現(xiàn)出的強度性質(zhì)是有區(qū)別的。根據(jù)測試資料知重金屬污染物中多含酸性物質(zhì)，在酸性作用下，土體強度總體上是趨于降低的。

圖2 不同摻入比下的強度變化曲線

圖3 試樣受壓破壞圖

2）重金屬離子改變了土顆粒表面電場特性及顆粒間的相互連接

土顆粒間的相互聯(lián)結(jié)、相互約束是離不開顆粒間的電場作用，土顆粒表面電場特性隨其液態(tài)溶液pH值的變化而變化。凈土為粘土，其礦物基本結(jié)構(gòu)為鋁氧八面體，八面體中的Al－OH鍵在重金屬污染物的環(huán)境下將會電離出OH鍵，打破土顆粒表面電場平衡，土顆粒表面正電荷增多，增強對陰離子的吸附作用，粒間作用力由原來的引力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌饬?。雙電層厚度因之而變薄，顆粒間連接增強，土體結(jié)構(gòu)形式也會隨之改變，趨于變?yōu)槟劢Y(jié)構(gòu)，從而污染土體的粘聚力有增長。而當重金屬污染土體的強度會隨著含水量與重金屬離子含量而變化，在同一重金屬含量下，隨土體含水量增加，顆粒間水膜變厚，重金屬離子的影響將會大大降低。

綜上，重金屬污染物改變土體表面性質(zhì)，從而改變土體強度。

3 結(jié)論

通過采取不同重金屬污染物實際土樣，以不同摻入比與凈土混合形成試樣所需的污染土樣，進行物化分析、直接剪切試驗與無側(cè)限抗壓強度試驗，研究重金屬污染土的力學特性，得出以下結(jié)論：

1）隨著污染物濃度的增加，重金屬污染土的c值增大，φ值呈降低趨勢。3種類型重金屬污染土的c值、φ值變化趨勢一致。

2）隨著含水量的增加，重金屬污染土的強度下降，3種類型重金屬污染土的強度下降趨勢相似。

3）重金屬污染土的強度隨著含水量的增加而下降，并且隨著重金屬污染物摻入比的增加，其強度下降幅度加大。

4）重金屬污染物通過改變土顆粒間雙電層與水膜厚度與性質(zhì)，打破顆粒間的電離平衡，從而改變土體的強度性質(zhì)。

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