重金屬污染土強度特性試驗研究

陳日高，馬福榮，龐迎波

（廣西經(jīng)濟管理干部學院 土木建筑系，南寧 530007）

隨著重金屬資源開發(fā)和加工的不斷發(fā)展，近年來中國重金屬污染事件頻發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計，已出現(xiàn)30多起重金屬污染事件［1］。中國1.2億hm2農(nóng)田中，至少10%受到重金屬污染。國土資源部曾公開表示，中國每年有1200萬t糧食遭到重金屬污染，直接經(jīng)濟損失超過200億元［2］。為了遏制重金屬污染的繼續(xù)，環(huán)保部近期出臺了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，列出了湖北、江蘇等14個重金屬污染綜合防治重點省區(qū)和138個重點防治區(qū)域，將鎘、鉛、砷、汞和鉻這5種有毒金屬列為治理重點。廣西也是14個重金屬污染防治重點省區(qū)之一。廣西作為中國重點有色金屬產(chǎn)區(qū)，錫、銻、鎢、鋁、鉛鋅等有色金屬的探明儲量在全國居前列，在發(fā)展資源優(yōu)勢的同時也面臨著重金屬污染的嚴峻考驗。

重金屬污染事件的不斷發(fā)生，已經(jīng)引起學者們的高度注意，相當多學者在重金屬污染方面對農(nóng)業(yè)、環(huán)境、健康與食品安全等方面做了大量研究，取得了可喜的成果；但鮮有學者涉及到巖土與工程方面，從工程應用角度去研究重金屬污染土的影響問題［3］。其他國家于20世紀70年代開始注意到污染土環(huán)境與工程問題，集中于污染土的強度特性、固結特性，受污染后土體性質發(fā)生明顯改變［4－9］。而中國對于污染土的研究主要集中于酸、堿溶液對地基土物理力學特性的影響［10－16］，對于重金屬污染土體的研究主要涉及到污染土體的固化處理方面［17］與污染物的運移對土體性質的影響［18－19］。重金屬尾礦和加工廢物的棄置與處理成了令全社會頭疼的迫切問題，特別是一些歷史遺留礦區(qū)，重金屬污染相當嚴重，也給尾礦庫區(qū)、廢料堆填區(qū)以及周邊居民區(qū)造成較為嚴重的環(huán)境巖土工程問題［20］。因此，從巖土工程的角度分析重金屬污染土的力學特性，對于重金屬資源開采和加工區(qū)域的工程建設與安全、歷史遺留礦區(qū)處置和利用具有極大的現(xiàn)實意義。本文通過現(xiàn)場取樣，進行物化分析、直接剪切試驗與無側限抗壓強度試驗，分析和研究不同重金屬污染土的力學特性與工程應用性。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣均來自尾礦庫、廢料堆填區(qū)，取自地表以下0.2m及以下的污染土。共采取3種污染土樣，①、②號污染土樣來源于錳礦加工與堆填區(qū)；③號土樣取自鉛鋅礦加工的尾礦庫。

1.2 物化分析試驗

①、②號污染土樣廠區(qū)均為加工錳產(chǎn)品企業(yè)，礦物主要為MnO2、MnCO3、MnSO4礦；③號污染土樣廠區(qū)均為加工Pb、Zn礦。利用原子吸收分光光度法測定了尾礦中重金屬含量，測試結果如表1所示。

表1 污染土重金屬含量分析表 mg／kg

1.3 抗剪強度試驗

為探討隨著重金屬含量的變化對土體強度的影響，特進行不同重金屬含量下的直接剪切試驗。分別對①、②、③試樣進行處理，先對試樣在105℃烘干，并碾成粉末過5mm篩備用。以污染土與無污染凈土按照質量比進行混合制作試樣，將準備好的重金屬污染土分別按為凈土的10%、30%、50%、80%的量摻入到凈土中，按同一密度進行制作直接剪切試驗試樣。

1.4 無側限抗壓強度試驗

為探討重金屬污染土的承載性能，分析重金屬污染物是否對土體的內部結構具有一定的破壞作用，以及觀察重金屬污染土的破壞形態(tài)，進行無側限抗壓強度試驗。試驗用樣與抗剪強度試驗用樣一致，以污染土與無污染凈土按照質量比進行混合制作試樣，將準備好的重金屬污染土分別按為凈土的10%、30%、50%的量摻入到凈土中，在不同含水量的情況下進行無側限抗壓強度試驗。試樣直徑為100mm。

2 試驗結果與分析

2.1 抗剪強度試驗

將備好的凈土與污染物按質量比為10%、30%、50%、80%的比例摻合，含水量為20%，濕密度為1.9g／cm3，并靜置3d后試驗。試驗結果如表2所示，強度指標與摻入比關系曲線如圖1。從圖1可以看出，隨著污染物濃度的增加，其粘聚力c增大，則內摩擦角φ呈降低趨勢。①號土樣隨污染物含量的增加，粘聚力c也隨之增大，增幅約為36.5%，內摩擦角φ隨之降低，降幅約為53.5%；②號污染土的粘聚力c值增幅較大，約為1倍，內摩擦角φ降幅則為23%左右；③號污染土的粘聚力c增幅約為85%，內摩擦角φ降幅約為31%。當重金屬污染物含量較低時，其強度與凈土相當，略有變化，當重金屬污染物含量由低變高時，其強度變化存在一個急速變化到緩慢變化的過程，最終趨于一穩(wěn)定態(tài)勢。

表2 不同摻入比的抗剪強度指標

圖1 強度指標與摻入比關系

2.2 無側限抗壓強度試驗

將備好的凈土與污染物按質量比為10%、30%、50%的比例摻合，隨著含水量的變化制作污染土試樣，含水量從17%變化到27%，濕密度為1.9g／cm3。測試土樣隨著不同重金屬污染物含量與含水量的變化，其強度變化規(guī)律。試驗結果見表3，隨著含水量變化，不同重金屬污染土強度變化曲線如圖2所示。從表3可以看出在同一含水量的情況下，隨著重金屬含量的增加，其強度總體上有減小的趨勢。隨著含水量的增加，強度降低比較明顯，強度隨著摻入比的增加，其降低量也逐漸增加，降低量約為35%～60%。圖2（a）、（b）、（c）分別為重金屬污染物含量為10%、30%、50%的強度隨含水量變化曲線。隨著含水量的增加，不同摻入比試樣的抗壓強度呈減小趨勢，比較各摻入比下的3種土樣，受Pb、Zn重金屬離子污染土體強度隨含水量增加強度降低率大于受Mn離子污染土體，當土體含水量增加8%時，③號土樣強度降低60%～75%，①、②土樣強度降低20%～45%。試驗中分別觀察了不同含水量下試樣的破壞形態(tài)，最具代表性的破壞圖片如圖3所示。圖（a）試樣破壞形式明顯不同于其它兩試樣，圖（a）試樣受力后，出現(xiàn)豎向裂紋，表現(xiàn)為劈裂破壞，這與其含水量、重金屬含量相關。圖（b）、（c）試樣受壓后均產(chǎn)生了斜裂縫，傾角約（45°＋），明顯發(fā)生了剪切破壞。從圖3可以看出，隨著含水量的增大，試樣發(fā)生鼓脹破壞。從表3可見，當含水量的增長超過一定值時應力明顯跌落，強度大幅度降低。

表3 不同摻入比下的抗壓強度變化表 kPa

2.3 重金屬污染物影響土體強度特性的演化機制

天然粘性土體遭受含重金屬離子廢液、選礦水浸泡，導致重金屬離子入侵，改變土體性質。土體在遭受重金屬污染物污染的同時，重金屬污染物也破壞土體，改變土體內部結構，打破土體內部平衡關系，改變土顆粒表面電場，弱化顆粒間的相互連接，從而引起土體工程性質的改變。

1）重金屬離子改變了土顆粒表面的擴散雙電層與水膜厚度

重金屬污染物進入土體后改變了顆粒－顆粒－水界面性質，從而影響土體性質。當重金屬離子及附帶產(chǎn)物進入土體后，陽離子總量增加，吸附層中陰離子被 Mn2＋、Pb2＋、Zn2＋、Cd2＋、Cr3＋中和的電量變多，土顆粒表面吸附的正電荷增多，增強了對陰離子的吸附作用，使得擴散雙電層及粘土表面水化膜變薄，土顆粒間接觸距離變小，聯(lián)結能力增強，從而使得土體的粘聚力c值隨污染物含量的升高而增大。不同價位的離子所帶電荷多少是有區(qū)別的，同時電荷多少直接影響雙電層與水膜厚度，當入侵陽離子屬低價時，土顆粒表面所吸附的電量將少于高價位離子入侵時的情況，從而擴散雙電層厚度變化小于高價位陽離子引起的。而廢渣與廢液常含有一定量的酸性物質，并共同作用于土體，土體在不同pH值環(huán)境中表現(xiàn)出的強度性質是有區(qū)別的。根據(jù)測試資料知重金屬污染物中多含酸性物質，在酸性作用下，土體強度總體上是趨于降低的。

圖2 不同摻入比下的強度變化曲線

圖3 試樣受壓破壞圖

2）重金屬離子改變了土顆粒表面電場特性及顆粒間的相互連接

土顆粒間的相互聯(lián)結、相互約束是離不開顆粒間的電場作用，土顆粒表面電場特性隨其液態(tài)溶液pH值的變化而變化。凈土為粘土，其礦物基本結構為鋁氧八面體，八面體中的Al－OH鍵在重金屬污染物的環(huán)境下將會電離出OH鍵，打破土顆粒表面電場平衡，土顆粒表面正電荷增多，增強對陰離子的吸附作用，粒間作用力由原來的引力逐漸轉變?yōu)槌饬?。雙電層厚度因之而變薄，顆粒間連接增強，土體結構形式也會隨之改變，趨于變?yōu)槟劢Y構，從而污染土體的粘聚力有增長。而當重金屬污染土體的強度會隨著含水量與重金屬離子含量而變化，在同一重金屬含量下，隨土體含水量增加，顆粒間水膜變厚，重金屬離子的影響將會大大降低。

綜上，重金屬污染物改變土體表面性質，從而改變土體強度。

3 結論

通過采取不同重金屬污染物實際土樣，以不同摻入比與凈土混合形成試樣所需的污染土樣，進行物化分析、直接剪切試驗與無側限抗壓強度試驗，研究重金屬污染土的力學特性，得出以下結論：

1）隨著污染物濃度的增加，重金屬污染土的c值增大，φ值呈降低趨勢。3種類型重金屬污染土的c值、φ值變化趨勢一致。

2）隨著含水量的增加，重金屬污染土的強度下降，3種類型重金屬污染土的強度下降趨勢相似。

3）重金屬污染土的強度隨著含水量的增加而下降，并且隨著重金屬污染物摻入比的增加，其強度下降幅度加大。

4）重金屬污染物通過改變土顆粒間雙電層與水膜厚度與性質，打破顆粒間的電離平衡，從而改變土體的強度性質。

［1］史江濤.重金屬污染成環(huán)保治理重點［N］.參考消息，2011－02－28（16）.

［2］李妍.農(nóng)田重金屬污染觸目驚心每年污染1200萬噸糧食［N］.中國經(jīng)濟周刊，2011－02－22.

［3］饒為國，馬福榮，陳日高，等.重金屬污染對土壓實性及抗剪強度影響的試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2013，43（4）：92－97.Rao W G，Ma F R，Chen R G.Research on the mechanism of the heavy pollution and its effect on soil compaction and shear strength［J］.Industrial Construction，2013，43（4）：92－97.

［4］Prasanna1R，Meegoda J N.Shear strength and stressstrain behavior of contaminated soils［J］.Geotechnical Testing Journal，2006，29（2）：133－140.

［5］Silva E，Pacheco D，Rogério E E.Copper chloride contamination influence on the shear strength of soils used as liners ［J］.Solos e Rochas，2005，28（3）：283－294.

［6］Maaitah O N，Tarawneh S A.Effect of treated and raw wastewater on the behavior of unsaturated soil［J］.Journal of Applied Sciences，2003，3：360－369.

［7］Singh S K，Srivastava R K.Settlement characteristics of clayey soils contaminated with petroleum hydrocarbons［J］.Soil and Sediment Contamination，2008，17（3）：290－300.

［8］Sedman A，Talviste P.Geotechnical characterization of Estonian oil shale semi－coke deposits with prime emphasis on their shear strength ［J］.Engineering Geology，2012，131／132：37－44.

［9］Du Y J，Jiang N J.Experimental investigation of influence of acid rain on leaching and hydraulic characteristics of cement－based solidified／stabilized lead contaminated clay［J］.Journal of Hazardous Materials，2012，225－226：195－201.

［10］朱春鵬，劉漢龍.污染土的工程性質研究進展［J］.巖土力學，2007，28（3）：625－630.Zhu C P，Liu H L.Study on engineering properties of polluted soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28（3）：625－630.

［11］朱春鵬，劉漢龍，沈揚.酸堿污染土強度特性的室內試驗研究［J］.巖土工程學報，2011，33（7）：1146－1152.Zhu C P，Liu H L，Shen Y.Laboratory tests on sheat strength properties of soil polluted by acid and alkali［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33（7）：1146－1152.

［12］朱春鵬，劉漢龍，張曉璐.酸堿污染土壓縮特性的室內試驗研究［J］.巖土工程學報，2008，30（10）：1477－1483.Zhu C P，Liu H L，Zhang X L.Laboratory tests on compression characteristics of soil polluted by acid and alkali［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30（10）：1477－1483.

［13］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.Li Q，Shi B，Wang Y C.Environmental－geotechnical properties of soils contaminated by waste alkaline liquor from paper mills ［J］.Environmental Pollution and Control，1999，19（5）：16－18.

［14］李相然，姚志祥，曹振斌.濟南典型地區(qū)地基土污染腐蝕性質變異研究［J］.巖土力學，2004，25（8）：1229－1233.Li X R，Yao Z X，Cao Z B.Study on physical and mechanical property variation of polluted erosive foundation soils in typical district of Jinan［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25（8）：1229－1233.

［15］曹海榮.酸性污染土物理力學性質的室內試驗研究［J］.湖南科技大學學報：自然科學版，2012，27（2）：60－65.Cao H R.Research on physical－mechanical property of soil contaminated by acid in laboratory ［J］.Journal of Hunan University of Science ＆ Technology：Natural Science Edition，2012，27（2）：60－65.

［16］王勇，曹麗文，溫文富，等.生活鈉銨鹽污染對黏性土水理力學性質的影響［J］.工業(yè)建筑，2013，43（9）：83－87.Wang Y，Cao L W，Wen W F，et al.Effect of domestic sodium and ammonium salt pollution on hydrophysical and mechanical properties of cohesive soils ［J］.Industrial Construction，2013，43（9）：83－87.

［17］查甫生，劉晶晶，崔可銳，等.水泥固化穩(wěn)定重金屬污染土的工程性質試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2012，42（11）：74－77.Zha F S，Liu J J，Cui K R，et al.Engineering properties of solidified and stabilized heavy metal contaminated soils with cement［J］.Industrial Construction，2012，42（11）：74－77.

［18］饒為國，張志紅，許照剛.基于污染源濃度隨時間衰減的土壤污染物運移模型［J］.北京交通大學學報，2011，35（6）：102－106.Rao W G，Zhang Z H，Xu Z G.Contamination transport model of soil considering contaminated source concentration attenuation with time ［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2011，35（6）：102－106.

［19］張志紅，許照剛，杜修力.吸附模式及固結變形對溶質運移規(guī)律的影響研究［J］.土木工程學報，2013，46（1）：104－111.Zhang Z H，Xu Z G，Du X L.Study on the effects of adsorption modes and consolidation deformation on solute transport［J］.China Civil Engineering Journal，2013，46（1）：104－111.

［20］張新英，趙才流，吳浩東，等.廣西一個典型礦業(yè)鎮(zhèn)環(huán)境中重金屬污染分析［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2008，24（4）：79－83 Zhang X Y，Zhao C L，Wu H D，et al.Situation of heavymetal contamination in a typical mining town of Guangxi，South China［J］.Environmental Monitoring in China，2008，24（4）：79－83.