污染環境對粉質粘土物理性質影響的試驗研究

劉麗波

(大連海事大學環境科學與工程學院，遼寧 大連 116026)

0 引言

污染土的力學問題屬于環境工程和巖土工程的交叉問題，該方面研究始于20世紀70年代，之后發展較快，第一屆國際污染土會議在荷蘭召開，標志著污染土研究引起世界性的關注[1，3]。近年來，土體污染不僅僅導致水環境的惡化，造成生態破壞，從工程建設的角度，由于污染導致土粒膠體溶蝕，造成工程性質發生變化，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，我國基礎建設和工業發展迅速，污染土的現象不斷增加，土地污染對工程建設的侵害問題越來越引起關注。國內對于污染土的勘查和分析試驗還不是很多，主要集中在從化學成分、微觀結構和力學性質等方面的測試，例如李琦[4]取粉質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后的性質變化。李相然[5]在不同的溶液中對土樣進行為期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性質。本文主要對大連原狀粘性土的物理性質進行試驗研究。

1 腐蝕土的物理性質微觀機理[6]

土是巖石經過風化作用后在不同條件下自然形成的歷史產物。土中固體可分為原生礦物及次生礦物。原生礦物粒徑較大，具有穩定的化學特性，不容易被水侵蝕和風化。次生礦物是由原生礦物化學作用而形成的，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，必然對土顆粒產生化學腐蝕作用。土體細觀結構見圖1。

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

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鹽溶液中的SO24-，SO23-，Cl-，NO3-，F-產生化學反應，產生新成分。而且部分土中復雜的金屬化合物也可能經過化學反應，使溶液中離子的濃度發生改變。土體的組成和類型是相當復雜的，所以對應的腐蝕反應也是相當復雜的，需要針對具體的土樣進行調查、試驗和總結分析，從而對于其本質進行揭示。

2 土的物理性質腐蝕試驗

2.1 試樣制備

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

本次試驗所采用的土樣是從大連市某住宅區的地基取來的，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。浸泡后風干的土樣見圖4。配制不同濃度溶液所需溶質和水量見表1。土樣首先進行顆粒級配，根據土的分類標準定為粉土。將土樣分成7份，分別浸泡在6種溶液中和清水中，浸泡時間為2個月，之后將浸泡液倒出，土粒自然晾干，作為試驗之前的準備。

從土樣的表面顏色來看，無論是經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為浸泡土樣發生顏色明顯的改變，硫酸溶液則因為浸泡土樣顏色由無色透明變為棕黃色，從這里可以看出，硫酸和土樣里的特定礦物成分可能產生了化學反應，進行了離子交換。

表1 配制不同濃度溶液所需溶質和水量

2.2 密度試驗

將試驗土樣放在圓玻璃片上，直徑和高度都大于環刀的尺寸，在環刀內壁涂一層凡士林，將環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刀完全壓入土內，使土樣填滿環刀內，再用切土刀削去環刀外側的土，刮平上下面后，利用專門的擦布擦凈環刀的外側，將土和環刀的總質量在天平上稱量出來，通過表2實驗的結果數據可以看出，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

取風干后的試驗土樣，首先利用0.5 mm篩進行篩分，篩下土樣分別裝入三個盛土器皿當中，分別加入相應數量的蒸餾水，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。通過調土刀將土樣調勻，采用光電聯合液塑限儀進行試驗，液限對應的錐入深度應該控制為(20±0.2)mm，塑限對應的錐入深度則是5 mm，從而獲得各土樣的液塑限。不同浸泡濃度溶液對應的液塑限見圖5。從試驗所得數據看，土被化學溶液腐蝕后，不論是塑限wP，液限wL，還是塑性指數IP，都隨著溶液濃度的增大而減小。并且當溶液濃度增大到一定程度時，隨著濃度的增大，wP，wL，IP減小速率會減小。

2.4 擊實試驗

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

具體的試驗結果數據如下:對應于1%，5%和10%的濃度的鹽酸溶液浸泡土，其最優含水率的值分別為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，最優含水率分別為27.9%，21.3%和20.2%。通過以上的試驗結果可以看出，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，那么土樣的最優含水率就降低，最大干密度也就越大。

3 結語

本文通過對大連地區的粉粘土的浸泡和試驗工作表明，酸和堿腐蝕環境對于土的物理力學性質有很大的影響。從試驗數據中可以看出，土的密度與硫酸(H2SO4)浸泡溶液的濃度呈負相關。

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引起的。無論是鹽酸還是硫酸化學溶液浸泡的土，塑限wP，液限wL和塑性指數IP，都與溶液的濃度呈負相關。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。本文試驗初步揭示了土的物理性質與腐蝕效應的關系，為了進一步深刻理解污染條件下水土作用機理，引入相關先進設備如激光、掃描電鏡、虛擬測試等是必要的，是今后應進行的內容。

[1] 陳先華，唐輝明.污染土的研究現狀及展望[J].地質與勘探，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境巖土工程研究[J].環境污染與防治，1999，19(5):16-18.

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

[6] 姚彩霞.城市區域水化學環境下土體細觀結構變異分析[D].南寧:廣西大學碩士學位論文，2005.