水泥固化鎘污染土的電阻率及強度試驗研究

張少華，高宜濤，寇曉輝，董曉強

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

水泥固化鎘污染土的電阻率及強度試驗研究

張少華，高宜濤，寇曉輝，董曉強

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

通過對水泥固化鎘污染土進行電阻率和無側(cè)限抗壓強度試驗,揭示了交流電頻率對水泥固化鎘污染土電阻率的影響，齡期和鎘離子含量對水泥土電阻率和強度的影響規(guī)律以及電阻率與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系。結(jié)果表明:電阻率隨電流頻率的增加而明顯降低,建議采用50 kHz～1 MHz的電流測試頻率范圍;水泥土的強度及電阻率均隨齡期的增加呈對數(shù)增加;當(dāng)鎘離子質(zhì)量分數(shù)為50 mg/kg時,水泥土的強度和電阻率都達到最大值,隨著鎘離子質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)增加,強度和電阻率基本保持不變,且普遍高于無鎘離子時的水泥土;水泥土強度同電阻率呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。

水泥固化土;鎘污染土;電阻率;無側(cè)限抗壓強度

水泥固化重金屬離子是利用水泥與污染土中的水分發(fā)生水化反應(yīng)生成穩(wěn)定結(jié)合物這一特性,將重金屬離子進行物理包裹、化學(xué)吸附并逐步硬化形成穩(wěn)定性好的水泥固化體。水泥作為固化劑,在水化反應(yīng)過程中所創(chuàng)造的堿性環(huán)境,可以改變重金屬離子的形態(tài),形成穩(wěn)定的沉淀物填充在水泥土孔隙中。目前,水泥固化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種較為成熟的修復(fù)污染土的技術(shù)手段。但研究偏重于水泥固化重金屬離子土的強度特性。Bobrowski等[1]發(fā)現(xiàn),鉛離子的存在會對水泥土產(chǎn)生劣化效應(yīng),降低水泥土的強度;杜延軍等[2]概括了近幾年固化重金屬離子污染土的研究成果;陳蕾等[3]研究了水泥固化鉛污染土在不同水泥摻量、鉛離子含量的強度的變化。以上研究通常采用無側(cè)限抗壓強度試驗,此方法可以精確測量水泥土的強度值,但取樣耗時費力,在工程上做不到實時監(jiān)測。由于水泥土受污染時顯著的電化學(xué)特性,故電阻率法已被眾多學(xué)者廣泛關(guān)注。國外學(xué)者Gil等[4]研究了工業(yè)廢棄物對不同砂土的電阻率影響;Delaney等[5]在研究石油污染時,考慮土體含水率和溫度對電阻率的影響;在國內(nèi)劉松玉等[6]首先將電阻率法應(yīng)用在不同水泥摻量水泥土強度的研究上;近幾年許多學(xué)者將電阻率法應(yīng)用在被污染了的水泥土上,章定文等[9]提出能有效反映水泥摻入量、鉛含量和孔隙率對水泥固化鉛污染土電阻率影響的表征參數(shù);董曉強等[7]得出了不同污染水下水泥土在不同齡期下,水泥土電阻率隨抗壓強度變化規(guī)律。在研究過程中,國內(nèi)外學(xué)者在采用交流法時,沒有統(tǒng)一的電流頻率,如Fukue等[8]選用1 kHz頻率測量黏土的電阻率。劉松玉、查甫生等[9-11]采用頻率為50 Hz的交流電進行電阻率在水泥土及土體微結(jié)構(gòu)的研究,這就使不同的研究難于對比和參照。

本文著重研究采用水泥固化不同質(zhì)量分數(shù)鎘離子污染土,經(jīng)過不同齡期的標準養(yǎng)護后,測試不同交流電頻率下水泥土的電阻率以及無側(cè)限抗壓強度。得出在研究水泥土電阻率時的交流電頻率值范圍,并以此為基礎(chǔ)揭示了電阻率同齡期、鎘離子質(zhì)量分數(shù)、強度之間的關(guān)系,最后得出了強度隨電阻率變化的定量關(guān)系。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次含鎘污染土的制備采用的是ISO標準砂,考慮到實際工程中的土樣可能含有一些有機雜質(zhì)、重金屬離子以及生活垃圾等,易對試驗的測試造成干擾,故本次試驗中采用ISO標準砂代替土樣來制作水泥土試塊,分析時可忽略其它因素而只需考慮鎘離子含量的影響。標準砂中Cu=8.33,Cc=1.25;水泥采用太原獅子頭水泥公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5號水泥;考慮到硝酸根對水泥水化反應(yīng)干擾較小[12],污染物采用四水硝酸鎘(Cd(NO3)2·4H2O)。

1.2 試驗方法

水泥土試塊按照質(zhì)量比m(砂)∶m(水泥)∶m(水)=1∶0.15∶0.173制備;硝酸鎘離子含量采用7個梯度:0，50，100，250，500，1 000，2 500m g/kg;水泥土養(yǎng)護齡期分5個:3，7，14，28，60 d。每個齡期制備三塊平行試樣。

將以上混合材料放入60 kg的小型攪拌機充分攪拌后,放入涂有潤滑劑、且規(guī)格為邊長70.7 mm的鋼制立方體試模,采用手工壓注成型,振搗密實,在室內(nèi)靜置48 h后脫模編號,在標準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護。

將試塊在上述條件下分別養(yǎng)護3，7，14，28，60 d后,取出并在自然狀況下晾置表面無水膜,將試塊表面油質(zhì)去除并打磨平整;在試塊上下表面涂抹一層石墨,然后放在兩銅電極板之間夾緊,保證試塊表面與電極片接觸良好；然后采用型號TH2828A的數(shù)字電橋,電流頻率設(shè)定為0.05，0.1，0.5，1，5，10，50，100，500 kHz;1 MHz,依次測試每個試塊在此電流頻率范圍內(nèi)的電阻率值;接著進行無側(cè)限抗壓強度試驗,加載速率設(shè)為0.5 kN/s,測量其無側(cè)限抗壓強度值(抗壓強度取值方法:若三個試件測值較接近則按三試塊的算術(shù)平均值來取;若三個試件強度值的最大值或最小值有一個比中間值差值大于15%,則取中間值的強度值;若最大值或最小值與中間值均超過15%,則該組試塊舍去,需補充試塊)。

注:下文采用t表示齡期,d;ρs表示電阻率,Ω·m;pu表示強度,MPa

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 交流電頻率對水泥固化鎘污染土電阻率的影響

由于在每個齡期下，固化不同質(zhì)量分數(shù)的鎘污染土的電阻率隨交流電頻率的變化趨勢都相似,為了節(jié)省篇幅,以不同鎘離子質(zhì)量分數(shù)齡期為3 d、不同齡期下鎘離子質(zhì)量分數(shù)為100 mg/kg的水泥土試塊的電阻率為例,將電阻率與電流頻率的關(guān)系示于圖1，圖2中。由圖1，圖2可以看出,交流電頻率對水泥土電阻率影響顯著。電阻率隨交流電頻率的增大先迅速減小,然后趨于平緩。文獻[13]認為水泥土是一種特殊的電化學(xué)系統(tǒng),具有電阻性和電容性雙重特性。由于電容器具有通高頻限低頻的性質(zhì),若加在水泥土兩個銅極板上的交流電頻率較高時,由于水基材料中電極/電解質(zhì)界面組成的電容作用[13],會使電極板上充放電次數(shù)增多,充放電電流增大,表現(xiàn)出水泥土電阻率減小,反之電阻率變大。因此,水泥土電阻率隨電流頻率增加而減小。

圖1 不同鎘離子質(zhì)量分數(shù)下電阻率與電流頻率的變化情況(3 d)

圖2 不同齡期下電阻率與電流頻率的變化情況(100 mg/kg)

由圖進一步可得,在整個變化趨勢下,電阻率的變化明顯分成兩個區(qū)域Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)。當(dāng)電流頻率在50 Hz～50 kHz之間時,電阻率隨電流頻率的增加而急劇降低;當(dāng)電流頻率在50 kHz～1 MHz之間時,電阻率隨電流頻率的增加降幅明顯放緩,并逐步趨于平穩(wěn)。劉松玉等[14]表明:在用交流電測試地區(qū)性膨脹土、水泥土、海相軟土?xí)r,頻率過高時會造成測試結(jié)果極其不穩(wěn)定,不易反映土體的結(jié)構(gòu)特征;頻率過低時,電信號較弱,會造成測試誤差較大。因而,應(yīng)用電阻率法對水泥土強度測量和評價時應(yīng)選取適當(dāng)頻率。此外,從電阻率急劇減小區(qū)到電阻率緩慢減小區(qū)之間有個界限頻率為50 kHz。本文采用交流電頻率為50 kHz作為研究電阻率特性的頻率值。

2.2 齡期對水泥固化鎘污染土電阻率及強度的影響

圖3為不同鎘離子質(zhì)量分數(shù)下,水泥固化鎘污染土強度與齡期之間的關(guān)系,回歸方程見表1。圖4為不同鎘離子質(zhì)量分數(shù)下,水泥固化鎘污染土電阻率與齡期之間的關(guān)系,回歸方程見表2。

圖3 養(yǎng)護齡期與水泥土強度的關(guān)系

圖4 養(yǎng)護齡期與水泥土電阻率的關(guān)系

由圖3以及表1回歸分析可得水泥土齡期t與無側(cè)限抗壓強度qu有較好的相關(guān)性:

1) 當(dāng)水泥土鎘離子質(zhì)量分數(shù)不變時,pu隨著t的增加呈對數(shù)增大。

2) 土體是否受到污染,并不影響pu隨著t的變化規(guī)律。被鎘離子污染的土體,在用水泥固化時,水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物的主要組成與普通硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物基本相同[17]。

3) 被鎘離子污染的水泥土強度略高于無污染的水泥土。

由圖4以及表2的回歸分析可得水泥土齡期t與水泥土的電阻率ρs有很好的相關(guān)性:

1) 當(dāng)水泥土鎘離子質(zhì)量分數(shù)不變時ρs隨著t的增加呈對數(shù)增大。在齡期逐漸增大的過程中,水泥顆粒在水化反應(yīng)過程產(chǎn)生較多的水化產(chǎn)物,這些水化產(chǎn)物相互交織、穿插,填充在土粒之間以及形成的水泥石骨架中,最終使得水泥土孔隙率減小,孔隙通透性變差,結(jié)構(gòu)密實,電導(dǎo)率減小,電阻率逐漸增大。

2) 無論土體是否被鎘離子污染,ρs隨著t的增加依然呈對數(shù)增大。

3) 被鎘離子污染的水泥土電阻率與無污染的水泥土電阻率相差不大。文獻[15]認為鎘離子在C-S-H凝膠中固化,通過離子交換,可取代水化產(chǎn)物中的鈣離子。另外文獻[16]得出,水泥水化反應(yīng)生成的飽和Ca(OH)2溶液中,溶液仍顯強堿性,此時的鎘離子能夠較好的形成Cd(OH)2沉淀物,這樣較多含量的鎘離子被固化消耗,使得溶液中鎘離子減少。因此被鎘離子污染的水泥土孔隙水中的導(dǎo)電性和無污染的導(dǎo)電性相差不大。宏觀上表現(xiàn)為兩者的電阻率較接近。

表1 水泥土抗壓強度與齡期的回歸方程

表2 水泥土電阻率與齡期的回歸方程

2.3 鎘離子質(zhì)量分數(shù)對水泥土強度及電阻率的影響

圖5為不同齡期水泥土無側(cè)限抗壓強度隨鎘離子質(zhì)量分數(shù)的變化關(guān)系;圖6為不同齡期水泥土電阻率隨鎘離子質(zhì)量分數(shù)的變化關(guān)系。由圖5可知，

圖5 鎘離子質(zhì)量分數(shù)與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

1) 在t不變時,當(dāng)w=50 mg/kg時,水泥土強度出現(xiàn)異常達到極大值;

2) 隨著w繼續(xù)增加,pu，ρs基本保持不變,且pu略高于無鎘離子污染時的水泥土。水泥主要的水化產(chǎn)物C-S-H對游離狀態(tài)鎘的固化主要依靠物理包裹以及化學(xué)吸附形式進行,有研究表明對鎘離子的物理包裹主要是漫散射雙電層作用,靠電荷吸引力來完成;對鎘離子化學(xué)吸附,主要是C-S-H的化學(xué)結(jié)合,包括離子交換、置換以及生成某些共沉淀水化體來完成。鎘離子和鈣離子電負性相近,金屬活動性較強,且直徑相差不超過15%,在水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的堿性環(huán)境溶解度較低,鎘離子會產(chǎn)生難溶的氫氧化物。

圖6 鎘離子質(zhì)量分數(shù)與電阻率無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

文獻[15]通過擴展X射線對水泥土的精細結(jié)構(gòu)分析得出,C-S-H可以通過化學(xué)交換吸附固化較多的鎘離子,且在C-S-H中存在著固化鎘和游離鎘兩種形態(tài)。也有研究證實,鎘離子被C-S-H吸附形式不僅以共沉淀方式,還有可能生成某種新的水化產(chǎn)物。蘭明章等[17]認為鎘離子置換鈣離子后在水化過程中產(chǎn)生的Cd(OH)2及鎘的硅酸鹽物質(zhì)在水泥石中是均勻分布的,對水泥水化后的結(jié)構(gòu)并沒產(chǎn)生較大改變。通過以上分析,當(dāng)w=50 mg/kg時,水泥土強度達到最大值可能原因是水泥水化過程中所產(chǎn)生堿性環(huán)境將所有的鎘離子生成了Cd(OH)2,這種物質(zhì)逐漸填充水泥土的孔隙,使水泥土結(jié)構(gòu)密實,通透性變差,從而使強度變大;當(dāng)w繼續(xù)增加時,一些鎘離子生成Cd(OH)2,多余的鎘離子一方面通過電荷引力的作用被C-S-H物理包裹,這種作用雖然起到較好的固化效果,但可能對水泥土強度增長貢獻有限。另一方面,鎘離子通過化學(xué)反應(yīng)結(jié)合成穩(wěn)定的水化產(chǎn)物。因此在w>50 mg/kg,水泥土強度較w=50 mg/kg時的低,但卻比w=0時的強度高。

由圖6可知，在t不變時,水泥土質(zhì)量分數(shù)ρs隨w的變化規(guī)律表現(xiàn)出和水泥土強度隨鎘離子質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律一致。當(dāng)w=50 mg/kg時,生成的Cd(OH)2消耗了導(dǎo)電陽離子,使電導(dǎo)性降低,電阻率升高;當(dāng)w>50 mg/kg時,由于多余導(dǎo)電陽離子被C-S-H通過物理、化學(xué)作用捕獲,使得導(dǎo)電陽離子急劇減少,電導(dǎo)性變差,電阻率升高。因此表現(xiàn)為比無鎘離子污染時的水泥土電阻率略高。

2.4 水泥固化鎘污染土電阻率與強度的關(guān)系

通過對比圖3、圖4、圖5、圖6可知，在相同鎘離子質(zhì)量分數(shù)的條件下,水泥土強度和電阻率隨齡期變化而呈相似的變化規(guī)律;在齡期不變的條件下,水泥土強度和電阻率隨鎘離子質(zhì)量分數(shù)變化也呈相似的變化規(guī)律。因此可以得出電阻率和強度存在必然聯(lián)系。

為了進一步探究電阻率與強度之間的聯(lián)系,統(tǒng)計水泥土所有鎘離子質(zhì)量分數(shù)下不同齡期的電阻率和強度值,并將其示于圖7中,通過回歸分析可得直線關(guān)系為:pu=0.285ρs-0.348,R2=0.892。

圖7 電阻率與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 隨交流電頻率的增大,水泥土的電阻率先急劇減少后趨于平緩。在此變化過程中交界處交流電頻率值為50 kHz。建議采用50 kHz～1 MHz范圍頻率來研究水泥土的電阻率。

2) 無論土體是否被鎘離子污染,水泥土的強度和電阻率隨著養(yǎng)護齡期的增加都呈對數(shù)增大。

3) 在養(yǎng)護齡期不變的情況下,當(dāng)鎘離子質(zhì)量分數(shù)為50 mg/kg時,水泥土強度和電阻率都達到最大值,隨著鎘離子質(zhì)量分數(shù)逐漸增大,強度和電阻率基本保持不變,且略高于無鎘離子污染時的水泥土強度和電阻率。

4) 水泥固化鎘污染土強度與電阻率有較好的線性相關(guān)性。

[1] Bobrowski A,Gawlicki M,Malolepszy J.Analytical evaluation of immobilization of heavy metals in cement matrices[J].Environ Sci Technol,1997,31(3):745-749.

[2] 杜延軍,金飛,劉松玉,等.重金屬工業(yè)污染場地固化/穩(wěn)定處理進展[J].巖土力學(xué),2011,32(1):116-124.

[3] 陳蕾,劉松玉,杜延軍.水泥固化重金屬鉛污染土的強度特性研究[J].巖土工程學(xué)報,2010,32(12):1898-1903.

[4] Gil LY,Jun BP.Sensitivity of leachate and fine contents on electrical resistivity variations of sandy soils[J].Journal of Hazardous Materials,2001(B84):147-161.

[5] Delaney AJ,Peapples P R,Arcone SA.Electrical resistivity of frozen and petroleum-contaminated fine-grained soil[J].Cold Regions Science and Technology,2001,32:107-119.

[6] Liu SY,Yu X J.The electrical resistivity characteristics of the cement soil[C]∥Proceedings of the International Symposium on Lowland Technology，Saga:Saga University Press,2000:185-190.

[7] 章定文,曹智國,張濤，等.碳化對水泥固化鉛污染土的電阻率特性影響規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014,33(12):2563-2571.

[8] 董曉強,蘇楠楠,黃新恩，等.污水浸泡對水泥土強度和電阻率特性影響的試驗研究[J].巖土力學(xué),2014,35(7):1855-1870.

[9] Fuke M,Minato T,Horibe H,et al.The micro-structures of clay given by resistivity measurements[J].Engineering Geology,1999,54(1-2):43-53.

[10] 劉松玉,韓立華,杜延軍.水泥土的電阻率特性與應(yīng)用探討[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(11):1921-1926.

[11] 查甫生,劉松玉,杜延軍,等.黃土濕陷過程中微結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的電阻率法定量分析[J].巖土力學(xué),2010,31(6):1692-1698.

[12] Boardman D J.Lime stabilization:clay-metal-lime interactions[D].United Kingdom:Civil and Building Engineering,Loughborough University,1999.

[13] 史美倫.混凝土阻抗譜[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[14] 劉松玉,查甫生,于小軍.土的電阻率室內(nèi)測試技術(shù)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2006,14(2):216-222.

[15] 姚燕,王昕,顏碧蘭，等.水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及其對重金屬離子固化研究進展[J].硅酸鹽通報,2012,31(5):1138-1143.

[16] 王曉鈞,守屋政彥,岡田能彥,等.用電子自旋探針研究水泥固化土壤中鎘離子的反應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2000,20(5):528-532.

[17] 蘭明章,王彩云,崔素萍.Cd2+對熟料礦物及水泥水化產(chǎn)物影響的研究[J].水泥,2008(11):8-10.

(編輯：賈麗紅)

Study on Electrical Resistivity and Strength Characteristics ofCadmium Contaminated Soil Solidified by Cement

ZHANG Shaohua,GAO Yitao,KOU Xiaohui,DONG Xiaoqiang

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The electrical resistivity and unconfined compressive strength of cadmium contaminated soil solidified by cement were measured,to reveal the influence of AC frequency on electrical resistivity of the cadmium contaminated soil solidified by cement; the influence law of age and cadmium ion content on resistivity and strength of cement soil,and the relationship between the resistivity and unconfined compressive strength.The results show that,the electrical resistivity decreases significantly with the increase of current frequency,and the range of 50 kHz～1 MHz is recommended as the current testing frequency range.The compress strength and electrical resistivity of cemented soil increase logarithmically with age.When cadmium content is 50 mg/kg,strength and resistivity reach the maximum;As cadmium ion content continues to increase,the resistivity and strength remain unchanged,and generally higher than those of cemented soil without cadmium.Electrical resistivity and strength show a good linear relationship.

cement stabilized soil;cadmium contaminated soil;electrical resistivity;unconfined compressive strength

1007-9432(2015)06-0702-05

2015-05-07

新世紀優(yōu)秀人才支持計劃基金資助:水泥固化重金屬污染土的強度和交流阻抗特征(NCET-12-1039);山西省回國留學(xué)人員科研資助項目(2013-045)

張少華(1988-)，男，山西大同人，碩士生，主要從事環(huán)境巖土方面研究，(Tel)13754804179,(E-mail)zhangshaohua_211@163.com

董曉強，男，博士生導(dǎo)師，(Tel)13333515050

TU 443

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.013