污染環(huán)境對粉質(zhì)粘土物理性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究

劉麗波

(大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引言

污染土的力學(xué)問題屬于環(huán)境工程和巖土工程的交叉問題，該方面研究始于20世紀(jì)70年代，之后發(fā)展較快，第一屆國際污染土?xí)h在荷蘭召開，標(biāo)志著污染土研究引起世界性的關(guān)注[1，3]。近年來，土體污染不僅僅導(dǎo)致水環(huán)境的惡化，造成生態(tài)破壞，從工程建設(shè)的角度，由于污染導(dǎo)致土粒膠體溶蝕，造成工程性質(zhì)發(fā)生變化，例如土顆粒的彈性模量減小，粘聚力和摩擦角降低等。近年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)和工業(yè)發(fā)展迅速，污染土的現(xiàn)象不斷增加，土地污染對工程建設(shè)的侵害問題越來越引起關(guān)注。國內(nèi)對于污染土的勘查和分析試驗(yàn)還不是很多，主要集中在從化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)等方面的測試，例如李琦[4]取粉質(zhì)粘土和粉土作為試樣，研究了某造紙廠廢堿液和清水浸泡30 d后的性質(zhì)變化。李相然[5]在不同的溶液中對土樣進(jìn)行為期7 d的浸泡，分別為硝酸鉀溶液、氫氧化鈣溶液和鹽酸溶液，然后分別測定其物理力學(xué)性質(zhì)。本文主要對大連原狀粘性土的物理性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 腐蝕土的物理性質(zhì)微觀機(jī)理[6]

土是巖石經(jīng)過風(fēng)化作用后在不同條件下自然形成的歷史產(chǎn)物。土中固體可分為原生礦物及次生礦物。原生礦物粒徑較大，具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，不容易被水侵蝕和風(fēng)化。次生礦物是由原生礦物化學(xué)作用而形成的，可分為可溶性和非溶性兩類。土體具有三相性，即固相、液相和氣相，土中水為腐蝕性溶液，必然對土顆粒產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)見圖1。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國土壤的七個(gè)常量元素的豐度排列順序?yàn)?Al＞Fe＞K＞Ca＞Na＞Mg＞Ti。作為兩性元素的鋁在土壤中酸堿環(huán)境中很容易產(chǎn)生反應(yīng)。土壤溶液所包含的典型的幾種形態(tài)鋁的含量，包括Al3+，Al(OH)2+，Al(OH)+2等，都與溶液的酸度正相關(guān)。土壤溶液的pH值小于4.5時(shí)，溶液中主要以Al3+為主;土壤溶液的pH值等于4.5時(shí)，鋁和氫氧根的比例近似(見圖2)。所以，土壤環(huán)境如果呈弱酸或弱堿性，鋁容易發(fā)生固定作用而積累，遷移能力弱。土壤溶液如果堿性或酸性比較強(qiáng)，那么鋁的活性也就強(qiáng)，容易進(jìn)入水溶液并發(fā)生遷移。當(dāng)土體浸泡在酸堿溶液中時(shí)，土中礦物將會發(fā)生以下反應(yīng):

1)堿性氧化物+酸→鹽+水。

2)酸性氧化物+堿→鹽+水，酸+堿→鹽+水。

各種土體中的礦物成分還會與某些無機(jī)鹽溶液中的SO24-，SO23-，Cl-，NO3-，F(xiàn)-產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新成分。而且部分土中復(fù)雜的金屬化合物也可能經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，使溶液中離子的濃度發(fā)生改變。土體的組成和類型是相當(dāng)復(fù)雜的，所以對應(yīng)的腐蝕反應(yīng)也是相當(dāng)復(fù)雜的，需要針對具體的土樣進(jìn)行調(diào)查、試驗(yàn)和總結(jié)分析，從而對于其本質(zhì)進(jìn)行揭示。

2 土的物理性質(zhì)腐蝕試驗(yàn)

2.1 試樣制備

一般來說，室內(nèi)試驗(yàn)的污染土試樣制備分為浸泡試驗(yàn)和淋濾試驗(yàn)，其中浸泡試驗(yàn)更為簡單易行，可以有效地模擬顆粒及其膠結(jié)物被溶蝕的情況。液塑限聯(lián)合測定儀見圖3。首先通過硫酸(H2SO4)溶液和氯化鈉(NaCl)溶液分別對土樣進(jìn)行浸泡，從而使土樣產(chǎn)生腐蝕，然后對土樣進(jìn)行物理性質(zhì)的試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)所采用的土樣是從大連市某住宅區(qū)的地基取來的，屬于粘性土。分別選取20 kg土試樣依次放在10 kg的0.5%，2%，6%濃度的硫酸(H2SO4)溶液中浸泡，硫酸溶液的配制是通過密度為1.84 g/mL，濃度為98%的濃硫酸與計(jì)算獲得的溶劑—清水得到的。氯化鈉(NaCl)溶液則選擇濃度為1%，5%，10%，分別將土樣放在其中浸泡。浸泡后風(fēng)干的土樣見圖4。配制不同濃度溶液所需溶質(zhì)和水量見表1。土樣首先進(jìn)行顆粒級配，根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)定為粉土。將土樣分成7份，分別浸泡在6種溶液中和清水中，浸泡時(shí)間為2個(gè)月，之后將浸泡液倒出，土粒自然晾干，作為試驗(yàn)之前的準(zhǔn)備。

從土樣的表面顏色來看，無論是經(jīng)過氯化鈉溶液還是硫酸溶液浸泡之后都沒有明顯的變化。而從溶液顏色來看，氯化鈉溶液并沒有因?yàn)榻萃翗影l(fā)生顏色明顯的改變，硫酸溶液則因?yàn)榻萃翗宇伾蔁o色透明變?yōu)樽攸S色，從這里可以看出，硫酸和土樣里的特定礦物成分可能產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行了離子交換。

表1 配制不同濃度溶液所需溶質(zhì)和水量

2.2 密度試驗(yàn)

將試驗(yàn)土樣放在圓玻璃片上，直徑和高度都大于環(huán)刀的尺寸，在環(huán)刀內(nèi)壁涂一層凡士林，將環(huán)刀的刀刃向下放在土樣上面，均勻地垂直向下用力將切土刀把環(huán)刀完全壓入土內(nèi)，使土樣填滿環(huán)刀內(nèi)，再用切土刀削去環(huán)刀外側(cè)的土，刮平上下面后，利用專門的擦布擦凈環(huán)刀的外側(cè)，將土和環(huán)刀的總質(zhì)量在天平上稱量出來，通過表2實(shí)驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，土的密度隨硫酸(H2SO4)浸泡溶液濃度的增加逐漸減小;在隨氯化鈉(NaCl)浸泡溶液濃度的增加略有增加。

2.3 界限含水率

取風(fēng)干后的試驗(yàn)土樣，首先利用0.5 mm篩進(jìn)行篩分，篩下土樣分別裝入三個(gè)盛土器皿當(dāng)中，分別加入相應(yīng)數(shù)量的蒸餾水，分別控制土樣的含水率在接近于液限、略微大于塑限和兩者之間的狀態(tài)。通過調(diào)土刀將土樣調(diào)勻，采用光電聯(lián)合液塑限儀進(jìn)行試驗(yàn)，液限對應(yīng)的錐入深度應(yīng)該控制為(20±0.2)mm，塑限對應(yīng)的錐入深度則是5 mm，從而獲得各土樣的液塑限。不同浸泡濃度溶液對應(yīng)的液塑限見圖5。從試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)看，土被化學(xué)溶液腐蝕后，不論是塑限wP，液限wL，還是塑性指數(shù)IP，都隨著溶液濃度的增大而減小。并且當(dāng)溶液濃度增大到一定程度時(shí)，隨著濃度的增大，wP，wL，IP減小速率會減小。

2.4 擊實(shí)試驗(yàn)

分別針對前述不同濃度NaCl和H2SO4溶液浸泡的土試樣，采用小筒的標(biāo)準(zhǔn)的輕型擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得不同土樣的最大干密度和最優(yōu)含水量。不同H2SO4溶液浸泡土樣的最大干密度和最優(yōu)含水量見圖6，1%和10%NaCl溶液土樣的擊實(shí)曲線見圖7。由圖7可見，隨著硫酸濃度增加土樣的最大干密度增加，而最優(yōu)含水量減少。

具體的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如下:對應(yīng)于1%，5%和10%的濃度的鹽酸溶液浸泡土，其最優(yōu)含水率的值分別為19.5%，17.7%和15.6%，其最大干密度的值分別為 2.13 g/cm3，2.10 g/cm3和2.18 g/cm3。對應(yīng)于0.5%硫酸、2%硫酸和6%硫酸的溶液浸泡土樣，其最大干密度分別為2.1 g/cm3，2.11 g/cm3和2.16 g/cm3，最優(yōu)含水率分別為27.9%，21.3%和20.2%。通過以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無論是對于硫酸溶液還是對于氯化鈉溶液浸泡的土樣而言，如果溶液的濃度越高，那么土樣的最優(yōu)含水率就降低，最大干密度也就越大。

3 結(jié)語

本文通過對大連地區(qū)的粉粘土的浸泡和試驗(yàn)工作表明，酸和堿腐蝕環(huán)境對于土的物理力學(xué)性質(zhì)有很大的影響。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，土的密度與硫酸(H2SO4)浸泡溶液的濃度呈負(fù)相關(guān)。

土的密度隨氯化鈉(NaCl)浸泡溶液濃度的增加略有增加，這是土體吸附離子效應(yīng)引起的。無論是鹽酸還是硫酸化學(xué)溶液浸泡的土，塑限wP，液限wL和塑性指數(shù)IP，都與溶液的濃度呈負(fù)相關(guān)。無論是硫酸溶液還是氯化鈉溶液浸泡過的土樣，硫酸溶液的濃度越高，土樣的最優(yōu)含水率降低，而最大干密度增大。

污染土的研究還處于初級探索的階段，沒有成熟的理論方法。本文試驗(yàn)初步揭示了土的物理性質(zhì)與腐蝕效應(yīng)的關(guān)系，為了進(jìn)一步深刻理解污染條件下水土作用機(jī)理，引入相關(guān)先進(jìn)設(shè)備如激光、掃描電鏡、虛擬測試等是必要的，是今后應(yīng)進(jìn)行的內(nèi)容。

[1] 陳先華，唐輝明.污染土的研究現(xiàn)狀及展望[J].地質(zhì)與勘探，2003，39(1):77-80.

[2] Rajput V S，Higgins A J，Single M E.cleaning of excavated soil contaminated with hazardous organic compounds by washing.Water Environ Res.Sept-Oct 1994 Water Environment Federation，Alexandria，VA，USA，1994:819-827.

[3] Sridharan A，Nagaraj T S，Sivapullaiah P V.Heaving of soil due to acid contamination Geotechnique，1980.

[4] 李 琦，施 斌，王有誠.造紙廠廢堿液污染土的環(huán)境巖土工程研究[J].環(huán)境污染與防治，1999，19(5):16-18.

[5] 李相然，姚志祥，曹振斌.濟(jì)南典型地區(qū)地基土污染腐蝕性質(zhì)變異研究[J].巖土力學(xué)，2004，25(8):1229-1233.

[6] 姚彩霞.城市區(qū)域水化學(xué)環(huán)境下土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)變異分析[D].南寧:廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.