酸污染土水泥固化的強(qiáng)度與耐久性研究

江文林 劉 暢

(蘇州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司,江蘇 蘇州 215000)

酸污染土壤主要是由于工業(yè)廢料中酸污染物不合理排放而污染土壤。當(dāng)污染物滲入土壤就會(huì)產(chǎn)生沉淀、累積、遷移，從而使土壤物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，土壤的力學(xué)性能降低，從而發(fā)生土壤地基災(zāi)害如破裂、塌陷等，嚴(yán)重威脅了人們的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全。另一方面，現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)耕作方式，施加肥料與農(nóng)藥也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入土壤的H+含量增加，從而使土壤環(huán)境趨于酸化[1]。

水泥固化土就是按照一定的配比將水泥、水和土體一起攪拌，經(jīng)過養(yǎng)護(hù)形成整體的、穩(wěn)定的、滿足一定強(qiáng)度要求的拌合物[2]。固化是在污染土中摻入固化劑如泥、石灰等，降低土壤中有害物質(zhì)的活性，減少土壤中有害物質(zhì)的泄漏[3]。固化治理污染土壤機(jī)理主要有兩個(gè)方面。通過固化劑(如水泥等)將污染物包裹固化，從而使有害物質(zhì)的活性降低，性質(zhì)變得相對(duì)穩(wěn)定。另一方面是通過固化劑將被固化的污染物固定在某個(gè)相對(duì)封閉的空間中，或通過降低污染物的溶解度，從而減少污染物在環(huán)境中的擴(kuò)散流動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)以受酸污染的粘土為研究對(duì)象，水泥為固化劑，主要考察不同水泥摻量下，研究水泥固化酸性粘土的強(qiáng)度變化規(guī)律，以期找出適合固化酸土壤的配比，并為其常溫固化酸污染軟土機(jī)理提供依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)資源化及無害化處理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取蘇州市本地粘土，土壤經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)處理后備用，土壤物理性質(zhì)塑限22.1%、液限53.2%、塑性指數(shù)30.3%、含水率24%。將濃硫酸與土混合，制備出含酸量分別為0.2%,0.4%,0.8%和1.6%的酸性污染土。實(shí)驗(yàn)中固化劑水泥取值南京海螺公司生產(chǎn)的32.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗(yàn)方法

1)固化土攪拌：在NJ-160A型水泥凈漿攪拌機(jī)內(nèi)低速攬拌酸性污染土和水泥，攪拌時(shí)間為90 s，攪拌4次從而使酸性污染土與水泥攪拌均勻。水泥摻量分別為干土重的7%,10%,15%。

2)振搗養(yǎng)護(hù)：在50.0 mm×50.0 mm×50.0 mm的塑料模具中放入步驟1中的攪拌土，置于振動(dòng)臺(tái)中振動(dòng)3 min，然后覆蓋塑料薄膜于在(20±5)℃的環(huán)境條件下靜置48 h以后脫模后放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。設(shè)置養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d,14 d,28 d。每種樣品設(shè)3組平行試驗(yàn)。

3)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：對(duì)試驗(yàn)步驟2固化土試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。記錄其抗壓強(qiáng)度值，數(shù)據(jù)為三個(gè)試樣結(jié)果的平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同水泥摻量下對(duì)酸性土壤固化強(qiáng)度的影響

試樣養(yǎng)護(hù)28 d后，水泥摻量為15%時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨著土壤中硫酸含量的增大而沒有明顯的變化，曲線趨于平坦。在酸含量為0.2%時(shí)強(qiáng)度為1.65 MPa，酸含量為1.6%時(shí)，強(qiáng)度為1.81 MPa。水泥摻量為10%時(shí)，整條曲線隨硫酸含量的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，固化土強(qiáng)度在硫酸含量為0.4%的時(shí)候達(dá)到最大值為1.39 MPa。酸含量為1.6%時(shí)強(qiáng)度最小為0.84 MPa。水泥摻量為7%時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨硫酸含量的變大而逐漸減小。在酸含量為0.2%時(shí)，固化土強(qiáng)度為1.14 MPa酸含量為0.8%時(shí)，固化土強(qiáng)度為0.62 MPa，酸含量在1.6%時(shí)，固化土強(qiáng)度最低為0.32 MPa。

另一方面，當(dāng)土壤中酸含量一定時(shí)，固化水泥的摻量越大，固化土強(qiáng)度越大。當(dāng)土壤中酸含量為0.2%，水泥含量為7%,10%,15%時(shí)，固化土強(qiáng)度分別為1.14 MPa,1.21 MPa,1.65 MPa；當(dāng)土壤中酸含量為1.6%，水泥含量為7%,10%,15%時(shí)，固化土強(qiáng)度分別為0.32 MPa,0.84 MPa,1.81 MPa，見圖1。

影響水泥加固酸污染土抗壓強(qiáng)度兩個(gè)最重要的因素是氫氧化鈣和水化硅酸鈣。固化土中水泥含量較小時(shí)(7%)，由于Ca(OH)2與H+發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，固化土中CSH含量降低，從而致使固化土密實(shí)性降低，力學(xué)強(qiáng)度減弱；當(dāng)固化土中水泥含量較高時(shí)(15%)，固化土中Ca(OH)2去除與土壤中酸發(fā)生中和反應(yīng)時(shí)，還能剩余大量的CSH，從而使固化土產(chǎn)生較強(qiáng)的復(fù)合膠凝效應(yīng)，因此固化土的強(qiáng)度得到提升。

2.2 水泥酸性固化土在不同環(huán)境下耐久性研究

2.2.1固化土破裂過程研究

固化土在形成過程中其內(nèi)部不可避免存在微裂紋和小微空洞等，同時(shí)組成固化土材質(zhì)剛度各不相同，因此在固化土形成過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互制約相互影響。本試驗(yàn)中以酸污染0.4%水泥含量為10%的固化土在酸環(huán)境(硫酸4 g/L)下養(yǎng)護(hù)28 d為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究水泥固化酸性污染土破裂過程。結(jié)果如圖2所示。

第一個(gè)階段曲線較為平緩，在應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)，應(yīng)力為0.02 MPa；在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，應(yīng)力為0.04 MPa。隨著應(yīng)變變化，應(yīng)力值幾乎為0，這說明固化土試樣應(yīng)力值沒有發(fā)生變化。這主要可能是在初始階段固化土中微小空隙和孔洞在加載荷載的作用下閉合，從而使固化土試樣變得密實(shí)，固化土抗壓強(qiáng)度增加。

第二個(gè)階段曲線急速上升，固化土試樣隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力直線上升。在應(yīng)變?yōu)?.6%時(shí)，應(yīng)力為0.21 MPa；在應(yīng)變?yōu)?.0%時(shí)，應(yīng)力為0.9 MPa。在此階段主要發(fā)生彈性變形和彈塑性變形。在這階段，固化土試件會(huì)在荷載的作用下，形成新的裂縫，如荷載繼續(xù)增大，固化土內(nèi)部會(huì)形成裂紋，從而強(qiáng)度會(huì)降低。

第三個(gè)階段曲線降低，應(yīng)力由高峰值開始下降。在應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)，應(yīng)力為1.3 MPa；在應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)，應(yīng)力為0.7 MPa。這說明固化土此階段試樣主裂縫紋寬度變大，次裂紋寬度隨之變大，最后試樣發(fā)生破壞。

2.2.2不同養(yǎng)護(hù)條件下水泥固化酸性土強(qiáng)度研究

以水泥摻量為10%固化含酸量為0.4%的粘土為研究對(duì)象，研究不同養(yǎng)護(hù)條件下固化土的強(qiáng)度，具體結(jié)果如圖3所示。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，清水養(yǎng)護(hù)條件下10%水泥固化酸污染粘土的強(qiáng)度只有0.95 MPa，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下其強(qiáng)度為0.71 MPa；在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，清水養(yǎng)護(hù)、酸養(yǎng)護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下固化土的強(qiáng)度分別為1.07 MPa,1.15 MPa和1.35 MPa。

從圖3中可以看出，在三種不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，固化土強(qiáng)度隨齡期的增長而逐漸增大，齡期、強(qiáng)度曲線近似為一條直線。另一方面，在相同齡期條件下，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下固化土強(qiáng)度最高，在硫酸溶液浸泡養(yǎng)護(hù)時(shí)固化土強(qiáng)度次之，在清水浸泡條件下固化土強(qiáng)度最低。這表明養(yǎng)護(hù)環(huán)境是固化土強(qiáng)度的重要因素之一。

2.2.3固化土強(qiáng)度特性

圖4是酸污染濃度為0.4%的粘土在不同水泥摻量下28 d齡期固化土酸浸泡后強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，固化土的強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)水泥摻度7%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨浸泡硫酸濃度的增大而減小。在酸濃度為2 g/L時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.72 MPa，酸濃度為8 g/L時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.65 MPa。當(dāng)水泥摻度10%時(shí)，曲線隨硫酸濃度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在硫酸濃度為4 g/L時(shí)達(dá)到最大值1.20 MPa，當(dāng)酸含量為8 g/L時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小為1.0 MPa。當(dāng)水泥摻度為15%時(shí)，曲線隨硫酸濃度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在硫酸濃度為4 g/L時(shí)達(dá)到最小值2.37 MPa，當(dāng)酸濃度為8 g/L時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大為2.62 MPa。

另一方面，當(dāng)環(huán)境浸泡酸濃度一定時(shí)，水泥摻量越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。當(dāng)硫酸濃度為2 g/L時(shí)，水泥含量為7%,10%,15%，固化土強(qiáng)度分別為0.72 MPa,1.15 MPa,2.38 MPa；當(dāng)硫酸濃度為4 g/L時(shí)，水泥含量為7%,10%,15%，固化土強(qiáng)度分別為0.70 MPa,1.20 MPa,2.37 MPa。

固化土在酸環(huán)境由于受到酸的長時(shí)間腐蝕，固化土內(nèi)部結(jié)構(gòu)將受到破壞，固化土性質(zhì)劣化，其滲透性變大，硬度將會(huì)降低，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，因此固化土必須能抵抗酸環(huán)境的侵蝕，在同樣的酸環(huán)境下，固化土中水泥含量越高，固化土的強(qiáng)度越高，其抵抗環(huán)境中酸腐蝕的能力越強(qiáng)。

3 結(jié)論

1)水泥摻量、硫酸含量與水泥固化酸污染土的強(qiáng)度存在密切關(guān)系。隨著土受到酸污染程度增加，如水泥含量較高時(shí)(15%)，水泥固化酸污染土的抗壓強(qiáng)度上升趨勢(shì)緩慢；當(dāng)水泥摻量較低時(shí)，固化土抗壓強(qiáng)度較低。

2)在酸性環(huán)境侵蝕下，水泥固化土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線分為緩慢發(fā)展階段，急劇增強(qiáng)階段，快速下降階段。水泥固化酸污染土的強(qiáng)度受水泥含量、試件所在環(huán)境中酸的濃度、養(yǎng)護(hù)條件等因素影響。固化土強(qiáng)度隨水泥摻量的提高而升高，固化土的空隙比和滲透系數(shù)隨著硫酸溶液濃度的升高而增大，因此合適的水泥摻量能夠有效增強(qiáng)固化土的強(qiáng)度。

3)被酸污染(含量為0.4%)的水泥固化土在低酸環(huán)境中，水泥固化土強(qiáng)度較大，其抵抗侵蝕的效果良好；在高酸環(huán)境下(大于8 g/L)水泥固化土強(qiáng)度降低，其抵抗侵蝕的效果顯著降低。提高水泥摻量可以顯著提高固化土抵抗環(huán)境中酸溶液對(duì)固化土的侵蝕。