水泥固化重金屬污染膨脹土力學(xué)性能試驗研究

劉蔡靜 劉 暢 劉佳偉 劉 翔 趙 江

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 前言

膨脹土在我國大陸分布廣泛，江蘇、安徽、湖北、四川、廣西、河南、陜西、云南、貴州等地均有不同范圍的分布，這些地區(qū)膨脹土受到不同程度的污染，導(dǎo)致組成結(jié)構(gòu)受到影響，進(jìn)而改變了地質(zhì)性質(zhì)。在膨脹土地基地區(qū)，若不對膨脹土進(jìn)行加固，可能會造成不可挽救的地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞。膨脹土受到重金屬粒子污染后存在著諸多弊端，如抗剪強(qiáng)度低、抗壓性能弱等問題。經(jīng)過多次試驗研究分析，發(fā)現(xiàn)水泥對受重金屬離子污染的膨脹土的固化效果明顯優(yōu)于其他一些固化材料[1]。通過系統(tǒng)的實驗，分析污染膨脹土的力學(xué)性質(zhì)，討論不同重金屬離子對于固化后膨脹土的影響。

2 試驗材料及基本組成

試驗用土取自安徽合肥市某工地，土為深紅色，對其做基本常規(guī)土工試驗。膨脹土的內(nèi)部組成成分通常是粘土礦物和碎屑礦物。碎屑礦物的主要成分包括石英（SiO2）、云母及長石。

膨脹土可以按照粘土礦物分為兩大類：

一類是以細(xì)粒的蒙脫石為主，另外一類則是以高嶺土和伊利石土為主。一旦膨脹土的含水量有所增加，蒙脫石類的粘土就會出現(xiàn)膨脹。通常情況下，粗粒（碎屑礦物）的含量在膨脹土中是有限的，正因為是這樣，粗粒對膨脹土的脹縮性質(zhì)的影響并不會很大。相反，細(xì)粒部分的蒙脫石礦物才是影響膨脹土工程性質(zhì)的主要因素。

3 膨脹土的物理性質(zhì)

膨脹土的脹縮性相對于其他粘土來說較強(qiáng)。膨脹土常常呈現(xiàn)斑狀，并且絕大多數(shù)的膨脹土內(nèi)部含有鈣質(zhì)或者鐵錳質(zhì)。膨脹土中的裂隙一共有三種形式，分別是水平裂隙、豎向裂隙和斜交裂隙。在距離地表1～2米之處，常常會出現(xiàn)豎向的裂隙。張開裂隙面呈油脂或者蠟狀的光澤，有時則會有擦痕或者水漬，還有鐵錳氧化物薄膜等。

如果按照膨脹性分類的話，膨脹土可以分為三種，包括弱膨脹、中膨脹還有強(qiáng)膨脹。引起膨脹土發(fā)生變化的條件主要是：含水率、干容重。當(dāng)膨脹土中的含水量增加時，它會產(chǎn)生垂直和水平兩個方向上的體積膨脹，土體的抗剪強(qiáng)度會迅速降低，對工程項目有較大隱患。干容重是膨脹土的一項重要指標(biāo)，膨脹土的干容重與它的天然含水量有關(guān)。

總的來說，膨脹土的變化既有它內(nèi)在的因素存在，也有外在的因素。內(nèi)在因素主要就是膨脹土它本身發(fā)生的膨脹和收縮性能，而外力因素則是壓力和含水率的變化。對于建筑工程師來說，他們只有準(zhǔn)確地把握并控制好影響膨脹土變化的因素和條件，才有可能把控在建造房子或地基時發(fā)生的狀況，并提前擬出應(yīng)對措施。

4 膨脹土的力學(xué)性能

4.1 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

影響因素：重金屬離子種類、離子濃度、養(yǎng)護(hù)齡期、養(yǎng)護(hù)期齡。

（1）土壤中的各類的重金屬離子對土壤的潛在抗壓強(qiáng)度有深遠(yuǎn)影響。有實驗結(jié)果顯示，當(dāng)重金屬離子的濃度比較低時，鉛離子污染固化的膨脹土所具有的強(qiáng)度會低于鎘離子污染固化的膨脹土所具有的強(qiáng)度。所以，在不同濃度的重金屬離子種類的影響下，水泥的固化的速率也會有所不同，且影響的程度對于不同的金屬種類也會有所不同。

（2）通常情況下，由于之前的實驗提出猜想，一般膨脹土的抗壓強(qiáng)度也會受到重金屬離子濃度的影響[2]。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果表明膨脹土的抗壓強(qiáng)度會跟隨重金屬離子的數(shù)量的增加而增加，因此可以看出離子的濃度越高，對強(qiáng)度的影響也就會越大。

（3）由于養(yǎng)護(hù)齡期的不同，對于強(qiáng)度也會有一定程度上的影響。根據(jù)實驗研究，在水泥加入后，不同養(yǎng)護(hù)齡期下，發(fā)生過程所用的時間也不同，而且有些離子在非常特殊的情況下如堿性條件，經(jīng)過一段時間以后其中會生成膠狀氧化物沉淀，其強(qiáng)度會有所提高，且不同時期的效果不同。

（4）根據(jù)過往的研究表明，水泥的摻量會對膨脹土抗壓強(qiáng)度有影響，且影響效果與摻量之間成一定比例關(guān)系，在實驗研究之中，大量離子在經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)以后，多部份吸附生成沉淀物，使膨脹土的強(qiáng)度增加。

4.2 抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律

影響因素：重金屬離子濃度、水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期。

（1）為了研究不同濃度的影響，鉛污染擴(kuò)散土壤的內(nèi)部摩擦角隨著鉛離子濃度的增加而降低[3]。結(jié)果表明，鉛離子濃度的增加會降低土壤抗剪強(qiáng)度指數(shù)，產(chǎn)生的化合物將粘結(jié)在水泥表面，從而阻礙水化的進(jìn)程，進(jìn)而降低膨脹土的抗剪強(qiáng)度。

（2）對不同水泥摻雜量下受污染土壤膨脹率進(jìn)行了直接檢測，受污染膨脹土擴(kuò)張的剪切強(qiáng)度指標(biāo)與水泥摻雜量之間有很大關(guān)聯(lián)，水泥加入后，可擴(kuò)張土壤抗剪的強(qiáng)度指標(biāo)得到改善，水泥變化速度有所放緩，但穩(wěn)定增長態(tài)勢仍在繼續(xù)。加入水泥后，其中的鎘離子趨于穩(wěn)定，隨后膨脹土形成了一種叫膠結(jié)的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度性質(zhì)有了很明顯的改善。

（3）隨著時間的推移，鎘離子污染膨脹土細(xì)顆粒在生成的膠凝物[4]下聯(lián)結(jié)成整體，并且隨著樣品支持時間的增加，被鎘污染的土壤小顆粒形成，抗剪強(qiáng)度提升，膨脹土的膠合力和內(nèi)部摩擦的角度加強(qiáng)。

5 膨脹土的耐久性能

5.1 膨脹土的抗凍性能

伴隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，季節(jié)性凍土區(qū)膨脹土存在的問題越來越多。在工程建設(shè)中，季節(jié)性凍土區(qū)膨脹土不僅存在著浸水膨脹、失水收縮等因素誘發(fā)的問題，還存在著在凍融循環(huán)作用下耐久性能的變化。多次凍融作用容易導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞，而膨脹土作為一種特殊性的粘土，其變形性能和強(qiáng)度會隨著季節(jié)性凍融循環(huán)而有所降低。

凍融循環(huán)嚴(yán)重影響土壤的理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)等，膨脹土的凍融破壞程度與凍融循環(huán)有關(guān)。其中可能的影響因素有：凍融循環(huán)的次數(shù)、凍融持續(xù)的時間和凍融的深度等。趙曉東[5]在封閉系統(tǒng)中對起始含水量較好的膨脹土進(jìn)行了凍融循環(huán)的試驗，在研究后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過7 次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度降低了24%，膨脹力也降低了10%。趙曉東等人在凍結(jié)褐色膨脹土指數(shù)地面減壓過程中，發(fā)現(xiàn)隨軸向變形速率的衰減幅度與溫度梯度關(guān)系不大。許雷[6]等人在不同的凍結(jié)和融化時間通過無側(cè)限的壓縮試驗測試了膨脹土的壓縮性，發(fā)現(xiàn)凍融時間與膨脹土的壓縮性存在正相關(guān)關(guān)系。時偉[7]等人研究了人工配置的高含水量指數(shù)膨脹土（26.3%），發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)融化循環(huán)次數(shù)的增加，摩擦角、動剪切模量和結(jié)合力等都有所衰減，而膨脹土阻尼出現(xiàn)增大的情況。膨脹土在不同的初始濕度且所有實驗濕度都低于最佳濕度時的試驗中，朱斯伊[8]等人發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)作用下，膨脹土的粘聚力先增加后減小，而摩擦角卻是不斷減小，剪切過程中應(yīng)變呈現(xiàn)硬化趨勢。

膨脹土土體強(qiáng)度[9]與膨脹土的凍融方案有著密切的關(guān)系，在凍融程度相同時或沒有凍融循環(huán)的條件下，膨脹土的抗壓強(qiáng)度隨著膨脹土含水率的增加而迅速減小，而應(yīng)力應(yīng)變曲線的線性增長在初始階段通常隨著含水率的增加而減??；在中期隨著含水量的提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線也有所提高。由此可見，應(yīng)高度重視在季節(jié)性凍土區(qū)膨脹土地基上的工程建設(shè)，在凍融循環(huán)過程中，膨脹土存在的劣化問題也需得到高度重視。

5.2 膨脹土的抗震性能

我國大陸有很多多山且多地震的地區(qū)，此類地質(zhì)災(zāi)害給我國帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在膨脹土地基地區(qū)，若不對膨脹土邊坡進(jìn)行加固，就會造成不可挽救的地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞。在對膨脹土地基進(jìn)行加固后，會在很大程度上提高其抗震性能。

為了應(yīng)對膨脹土在地震等地質(zhì)作用下造成的結(jié)構(gòu)破壞，人們會對其進(jìn)行加固。目前已有的膨脹土加固系統(tǒng)有以下幾種：BPE 模型、二階段黏滑本構(gòu)模型、三階段軟化型本構(gòu)模型等。然而，在大量的實驗研究下，證實了BPE 模型是不合理的，三階段軟化型本構(gòu)模型大部分用于理論實踐中。所以，在實際應(yīng)用中大多采用二階段黏滑本構(gòu)模型。

在地震作用下，膨脹土加固系統(tǒng)也會失效，主要造成其失效的原因有6 種：砂漿和土體界面間的破壞、桿體和砂漿界面間的破壞、錨固體兩界面的破壞、錨固體被拉斷、錨固體被壓碎、錨固體被拔出。但是通過多項實驗研究，發(fā)現(xiàn)造成膨脹土加固系統(tǒng)破壞的主要原因是界面間的黏性失效。

實際應(yīng)用時，在實際加固模型中的大多是砂漿界面、土體界面和桿件，其三者共同協(xié)調(diào)以提高膨脹土的抗震性能。

6 影響因素

6.1 水泥摻量對膨脹土的影響

為了研究在固化重金屬污染過的膨脹土加入水泥的加入量對膨脹土的影響，本節(jié)對不同的水泥固化量固化的膨脹土進(jìn)行了掃描電鏡試驗[10]。在分析圖像之后，得出結(jié)論：在加入水泥后，會在表面形成絮狀的薄膜再進(jìn)行放大，絮狀物為珊瑚狀的白色物質(zhì)。后期，隨著水泥加入量的增加，絮狀物[11]之間的間隙變得越來越小。對比分析之后，發(fā)現(xiàn)隨著水泥用量的不斷增多，污染過的膨脹土分子間的空隙減少，經(jīng)過長時間的固化，變成一個整體，使分子間的力變大，強(qiáng)度提高。

6.2 養(yǎng)護(hù)時間污染膨脹土的影響

為了探究在固化重金屬污染過的膨脹土養(yǎng)護(hù)時間的長短對膨脹土的影響，對不同養(yǎng)護(hù)時間段的膨脹土進(jìn)行了掃描電鏡實驗，其中保持重金屬離子的濃度和水泥的加入量不變。在分析得到的圖像后發(fā)現(xiàn)：隨著時間的推移，分子間的間隙由最初的無填充物到最后絕大部分都被物質(zhì)填充，膠凝物質(zhì)的增多，強(qiáng)度也得到了提升。得出伴隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，污染膨脹土的強(qiáng)度也有所提高的結(jié)論。

7 結(jié)語

本文針對南京地區(qū)，通過實驗室預(yù)制的重金屬污染膨脹土，用水泥對其進(jìn)行固化，研究分析固化后重金屬污染膨脹土的力學(xué)性質(zhì)，得到的結(jié)論如下：

（1）在進(jìn)行污染膨脹土的固化時，考慮到經(jīng)濟(jì)等因素，采取水泥為固化劑，水泥的摻量會對膨脹土抗壓強(qiáng)度有影響，且影響效果與摻量之間成一定比例關(guān)系。此外，大量離子在經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)以后，多部份吸附后生成沉淀物，使膨脹土的強(qiáng)度增加。

（2）重金屬污染后的膨脹土，伴隨著（Pt+，Cr2+，Cr3+，等）[12]離子濃度的增加，對強(qiáng)度的影響就越大，具體表現(xiàn)為黏粒含量迅速減小，自由膨脹率[13]也隨之減小。

（3）重金屬污染的膨脹土，干密度增加，抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度明顯低于正常值，在定量水泥固化后，污染過的膨脹土分子間的空隙減少，經(jīng)過長時間的固化變成一個整體，使分子間的力變大，污染膨脹土的力學(xué)性能得到提高。