重金屬離子污染粉砂土力學性能試驗研究

袁玉卿, 王夏偉, 楊俊鋒, 樊興偉, 周 婧, 張 業(yè)

(1.河南大學土木建筑學院,開封 475004；2.河南大學開封市工程修復(fù)與材料循環(huán)工程技術(shù)研究中心,開封 475004)

重金屬污染的土體，其各項力學性能會產(chǎn)生不同層次的改變。重金屬進入土體后，會使土體的物質(zhì)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土體將會出現(xiàn)顆粒團聚、骨架顆粒松散等現(xiàn)象，進而影響土體的液、塑限和滲透系數(shù)，造成土體強度降低[1-4]。此外，研究發(fā)現(xiàn)[5-9]，隨著金屬離子摻量的降低，土體的各項力學性能，包括無側(cè)限抗壓強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強度等都會出現(xiàn)不同程度的降低。Meegoda等[10]利用實驗發(fā)現(xiàn)，金屬離子含量升高會使細粒土的抗剪強度逐漸降低，且應(yīng)力應(yīng)變隨濃度增加而減小。Turer[11]發(fā)現(xiàn)鉛鹽、鋅鹽和堿可以促進高嶺土體積的膨脹。針對這些特性，Mulligan等[12]分析了重金屬污染土對力學性能的影響方式，并提出使用表面活性劑來修復(fù)污染土。劉剛等[13]、賀瑤瑤等[14]發(fā)現(xiàn)鉻離子通過生成新物質(zhì)及改變土體微觀結(jié)構(gòu)來改變土體力學性能。

粉砂土介于細砂土和粉土之間,毛細作用強烈,使得重金屬離子更容易通過毛細作用隨外界水進入粉砂土體內(nèi),造成粉砂土的污染,引起土體的膨脹加劇,或造成土體強度逐漸減小。為了探究污染粉砂土力學性質(zhì)的變化特征,借助無側(cè)限抗壓強度試驗、直接剪切試驗、X射線衍射分析試驗研究污染土的力學性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,為后續(xù)金屬離子污染土的研究提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 污染土穩(wěn)定性與微觀試驗

為了研究不同重金屬離子含量對粉砂土力學性質(zhì)的作用,利用硝酸銅[Cu(NO3)2·3H2O]和硝酸鉻[Cr(NO3)3·9H2O]配制金屬離子污染土。以土樣的最優(yōu)含水率和最大干密度配制離子含量為0.5%、1%、2%的污染土樣,探索不同重金屬離子摻量下粉砂土最大抗壓強度和抗剪強度變化關(guān)系,研究污染土力學性能變化與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。

1.1 無側(cè)限抗壓試驗

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[15],采用素土及3種離子含量的銅離子和鉻離子污染土共7組土樣,每組制備6個試件,將土樣潤濕后密封并靜置1 d。試件尺寸為φ50 mm×50 mm,壓實度95%。將試件密封并置于養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d。

打開電子萬能試驗機電源,調(diào)整加壓板使其剛好與試件接觸并開始加載,速率控制在1 mm/min。觀測并記錄數(shù)據(jù)變化以及土樣形狀變化。待試件破壞后,停止加載并記錄所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線。清理加壓臺并開始下一組試驗。

對各組試驗結(jié)果進行分析時,需要對每組6個試件試驗結(jié)果分別進行分析。去除誤差較大的數(shù)據(jù)并計算每組試件的最大抗壓強度平均值,繪制離子摻量與最大抗壓強度關(guān)系曲線。

1.2 直剪試驗

粉砂土具有較強的毛細作用。金屬離子經(jīng)毛細作用進入到土體中,從而導致土體的抗剪強度的改變,進而影響到土體承載力的大小。因此通過直剪試驗研究重金屬污染對土體抗剪強度的影響。

對0.5%、1%、2%鉻離子含量土,0.5%、1%、2%銅離子含量土與素土7種工況下的試件進行直剪試驗。將土樣浸潤24 h后制備試件,每種摻量下制備2組,每組4個共56個土樣,將制備好的試樣養(yǎng)護7 d進行試驗。將養(yǎng)護好的試件分組裝入直剪儀內(nèi),取每種摻量下兩組試驗結(jié)果的平均值作為依據(jù)進行直剪試驗分析。

1.3 污染土X射線衍射試驗

土體的抗壓與抗剪強度主要和土體內(nèi)部組分的結(jié)構(gòu)和形態(tài)有關(guān),因此,為更加直觀地解釋重金屬污染粉砂土性能改變的原因,利用污染粉砂土進行X射線衍射分析。依據(jù)鉻離子和銅離子污染后粉砂土體微觀結(jié)構(gòu)的改變情況,來解釋污染粉砂土性能改變的原因。

試驗采用X射線衍射分析儀,得到土樣的衍射光譜,對不同離子摻量下的衍射光譜進行物相檢索,由光譜的不同峰值得出不同離子摻量下土體內(nèi)主要物質(zhì)的各種組成情況,從而說明被重金屬鉻離子和銅離子不同程度污染的粉砂土內(nèi)部組成成分的變動情況。試驗采用素土及鉻離子和銅離子摻量分別為0.5%、1%、2%的7種土樣進行X射線衍射分析。

通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合分析,分辨峰值較強的元素類別。通過對衍射曲線的分析,找出不同工況下主要組成元素含量的變化情況,并得出相應(yīng)結(jié)論。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果分析

對素土和不同離子含量下試件抗壓強度數(shù)據(jù)分析,得到不同摻量下試件最大抗壓強度關(guān)系曲線如圖1、圖2所示。

圖1 最大抗壓強度與鉻離子摻量關(guān)系Fig.1 Relationship between the maximum compressive strength and chromium ion content

圖2 最大抗壓強度與銅離子摻量關(guān)系Fig.2 Relationship between the maximum compressive strength and the content of copper ion

由圖1可知,隨著鉻離子含量的增加,試件的最大抗壓強度整體呈增長態(tài)勢。當離子含量在0～0.5%時,土樣的最大抗壓強度有所下降。當離子含量在0.5%～2%時,土樣的最大抗壓強度從0.053 MPa增加至0.157 MPa,漲幅超過100%。說明鉻離子含量的升高對土體的抗壓強度反而有一定的增強作用。

由圖2可知,當離子含量在0.5%～1%時,最大抗壓強度略微提高,但試件最大抗壓強度整體呈減小趨勢。重金屬銅離子含量在0～2%時,土樣最大抗壓強度由0.071 2 MPa減小至0.04 2 MPa,降幅近100%。說明銅離子含量的提高會導致抗壓強度的減小。

2.2 直剪試驗結(jié)果分析

借助兩種金屬離子污染土的直剪試驗數(shù)據(jù),分析得到兩種金屬離子污染土垂直壓應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系,如圖3、圖4所示。

圖3 鉻污染土剪應(yīng)力與垂直壓應(yīng)力關(guān)系Fig.3 Relationship between shear stress and vertical compressive stress of chromium contaminated soil

圖4 銅污染土剪應(yīng)力與垂直壓應(yīng)力關(guān)系Fig.4 Relationship between shear stress and vertical compressive stress of copper contaminated soil

由圖3、圖4得,鉻離子、銅離子污染土剪應(yīng)力隨著垂直壓應(yīng)力的提高而增大,并且隨著離子摻量的升高,污染土樣的剪應(yīng)力也隨之減小。2%鉻離子污染土比素土剪應(yīng)力減少約7%,2%銅離子污染土比素土剪應(yīng)力減少約9.7%,說明土體抗剪強度隨離子含量的升高而減小。但銅離子土比鉻離子土的剪應(yīng)力變化更明顯。

2.3 X射線衍射結(jié)果分析

對不同含量鉻離子污染土的衍射分析結(jié)果進行擬合得圖5所示曲線。

圖5 不同鉻離子摻量衍射圖Fig.5 Diffractogram of different chromium content

由圖5所示,經(jīng)對比,鉻離子污染土衍射圖中,衍射峰值較強處所對應(yīng)的化合物均為SiO2。在26°和51°處的衍射峰,雖然有一定的變化但整體變化趨勢不大。但在20°處衍射峰值隨著離子摻量增加而減小,37°處衍射峰值隨離子摻量增加而逐漸增加。因此,重金屬鉻離子的摻入,對SiO2化合物的含量影響較小。鉻離子主要通過改變粉砂土內(nèi)部分SiO2化合物的形態(tài),從而導致粉砂土性能的改變。

對不同含量銅離子污染土的衍射分析結(jié)果進行擬合得圖6所示曲線。

圖6 不同銅離子摻量衍射圖Fig.6 Diffractogram of different copper ion content

由圖6可知,經(jīng)與標準PDF(powder diffraction file)卡片比對后,發(fā)現(xiàn)粉砂土中所含SiO2化合物的形態(tài)有所不同但含量較高。經(jīng)對比,在20°、26°、37°處,衍射峰值基本保持不變。但在51°處,衍射峰值隨著離子摻量的增加而不斷降低。因此,銅離子的摻入會導致粉砂土內(nèi)SiO2減小,從而導致力學性能的改變。

由XRD結(jié)果分析可得,鉻離子污染土的SiO2化合物含量幾乎不變,而形態(tài)發(fā)生變化,其抗壓強度隨金屬離子含量增加而逐漸增大。銅離子污染土的SiO2化合物含量變小,其抗壓強度隨金屬含量升高而降低。此外,銅離子土的抗剪強度下降程度也比鉻離子土高。因此,判斷鉻離子、銅離子污染土主要通過改變SiO2的含量來削弱土樣的力學性能。

2.4 機理分析

土的抗壓與抗剪強度取決于土體微觀成分的形態(tài)、數(shù)量,以及土的顆粒構(gòu)成、結(jié)構(gòu)形態(tài)等因素。土體內(nèi)部成分種類和數(shù)量的改變,將導致土的黏聚力、內(nèi)摩擦角等的改變,從而改變土體的力學性能。土體結(jié)構(gòu)的改變,也會使土損失一定的黏聚力,造成土體抗剪強度的減小。由X射線衍射試驗可知,鉻離子和銅離子的摻加,引起土體內(nèi)SiO2形態(tài)和數(shù)量的變化,改變了土體微觀結(jié)構(gòu)；力學實驗也表明,這些離子的摻加,導致了土體抗壓、抗剪強度的明顯變化。

3 結(jié)論

借助無側(cè)限抗壓試驗、直剪試驗、X射線衍射分析,探究重金屬污染對粉砂土力學性質(zhì)的影響,得出以下結(jié)論。

(1)重金屬離子含量的升高會使土體的力學性能出現(xiàn)不同程度的變化,從而改變土體的工程性質(zhì)。在工程建設(shè)中應(yīng)盡量避免使用重金屬污染土,或采取措施整治后使用。

(2)隨著鉻離子含量的升高,粉砂土的無側(cè)限抗壓強度也逐漸升高,最大抗壓強度提高超過一倍；然而銅離子污染后的土無側(cè)限抗壓強度則顯著下降,降幅接近100%。

(3)鉻離子、銅離子污染的粉砂土,抗剪強度都明顯下降。銅離子比鉻離子對土體抗剪強度影響更大,降幅約為9.7%；鉻離子影響較小,降幅約為7%。

(4)鉻離子會部分改變粉砂土中SiO2化合物的形態(tài),從而導致土體性能的改變；銅離子主要通過減少粉砂土內(nèi)SiO2化合物的含量,引起土體性能的改變。