水泥固化鎘污染土的電阻率及強度試驗研究

張少華，高宜濤，寇曉輝，董曉強

(太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024)

水泥固化鎘污染土的電阻率及強度試驗研究

張少華，高宜濤，寇曉輝，董曉強

(太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024)

通過對水泥固化鎘污染土進行電阻率和無側限抗壓強度試驗,揭示了交流電頻率對水泥固化鎘污染土電阻率的影響，齡期和鎘離子含量對水泥土電阻率和強度的影響規律以及電阻率與無側限抗壓強度的關系。結果表明:電阻率隨電流頻率的增加而明顯降低,建議采用50 kHz～1 MHz的電流測試頻率范圍;水泥土的強度及電阻率均隨齡期的增加呈對數增加;當鎘離子質量分數為50 mg/kg時,水泥土的強度和電阻率都達到最大值,隨著鎘離子質量分數的繼續增加,強度和電阻率基本保持不變,且普遍高于無鎘離子時的水泥土;水泥土強度同電阻率呈現出很好的線性關系。

水泥固化土;鎘污染土;電阻率;無側限抗壓強度

水泥固化重金屬離子是利用水泥與污染土中的水分發生水化反應生成穩定結合物這一特性,將重金屬離子進行物理包裹、化學吸附并逐步硬化形成穩定性好的水泥固化體。水泥作為固化劑,在水化反應過程中所創造的堿性環境,可以改變重金屬離子的形態,形成穩定的沉淀物填充在水泥土孔隙中。目前,水泥固化技術已經發展成為一種較為成熟的修復污染土的技術手段。但研究偏重于水泥固化重金屬離子土的強度特性。Bobrowski等[1]發現,鉛離子的存在會對水泥土產生劣化效應,降低水泥土的強度;杜延軍等[2]概括了近幾年固化重金屬離子污染土的研究成果;陳蕾等[3]研究了水泥固化鉛污染土在不同水泥摻量、鉛離子含量的強度的變化。以上研究通常采用無側限抗壓強度試驗,此方法可以精確測量水泥土的強度值,但取樣耗時費力,在工程上做不到實時監測。由于水泥土受污染時顯著的電化學特性,故電阻率法已被眾多學者廣泛關注。國外學者Gil等[4]研究了工業廢棄物對不同砂土的電阻率影響;Delaney等[5]在研究石油污染時,考慮土體含水率和溫度對電阻率的影響;在國內劉松玉等[6]首先將電阻率法應用在不同水泥摻量水泥土強度的研究上;近幾年許多學者將電阻率法應用在被污染了的水泥土上,章定文等[9]提出能有效反映水泥摻入量、鉛含量和孔隙率對水泥固化鉛污染土電阻率影響的表征參數;董曉強等[7]得出了不同污染水下水泥土在不同齡期下,水泥土電阻率隨抗壓強度變化規律。在研究過程中,國內外學者在采用交流法時,沒有統一的電流頻率,如Fukue等[8]選用1 kHz頻率測量黏土的電阻率。劉松玉、查甫生等[9-11]采用頻率為50 Hz的交流電進行電阻率在水泥土及土體微結構的研究,這就使不同的研究難于對比和參照。

本文著重研究采用水泥固化不同質量分數鎘離子污染土,經過不同齡期的標準養護后,測試不同交流電頻率下水泥土的電阻率以及無側限抗壓強度。得出在研究水泥土電阻率時的交流電頻率值范圍,并以此為基礎揭示了電阻率同齡期、鎘離子質量分數、強度之間的關系,最后得出了強度隨電阻率變化的定量關系。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次含鎘污染土的制備采用的是ISO標準砂,考慮到實際工程中的土樣可能含有一些有機雜質、重金屬離子以及生活垃圾等,易對試驗的測試造成干擾,故本次試驗中采用ISO標準砂代替土樣來制作水泥土試塊,分析時可忽略其它因素而只需考慮鎘離子含量的影響。標準砂中Cu=8.33,Cc=1.25;水泥采用太原獅子頭水泥公司生產的普通硅酸鹽42.5號水泥;考慮到硝酸根對水泥水化反應干擾較小[12],污染物采用四水硝酸鎘(Cd(NO3)2·4H2O)。

1.2 試驗方法

水泥土試塊按照質量比m(砂)∶m(水泥)∶m(水)=1∶0.15∶0.173制備;硝酸鎘離子含量采用7個梯度:0，50，100，250，500，1 000，2 500m g/kg;水泥土養護齡期分5個:3，7，14，28，60 d。每個齡期制備三塊平行試樣。

將以上混合材料放入60 kg的小型攪拌機充分攪拌后,放入涂有潤滑劑、且規格為邊長70.7 mm的鋼制立方體試模,采用手工壓注成型,振搗密實,在室內靜置48 h后脫模編號,在標準養護箱中進行養護。

將試塊在上述條件下分別養護3，7，14，28，60 d后,取出并在自然狀況下晾置表面無水膜,將試塊表面油質去除并打磨平整;在試塊上下表面涂抹一層石墨,然后放在兩銅電極板之間夾緊,保證試塊表面與電極片接觸良好；然后采用型號TH2828A的數字電橋,電流頻率設定為0.05，0.1，0.5，1，5，10，50，100，500 kHz;1 MHz,依次測試每個試塊在此電流頻率范圍內的電阻率值;接著進行無側限抗壓強度試驗,加載速率設為0.5 kN/s,測量其無側限抗壓強度值(抗壓強度取值方法:若三個試件測值較接近則按三試塊的算術平均值來取;若三個試件強度值的最大值或最小值有一個比中間值差值大于15%,則取中間值的強度值;若最大值或最小值與中間值均超過15%,則該組試塊舍去,需補充試塊)。

注:下文采用t表示齡期,d;ρs表示電阻率,Ω·m;pu表示強度,MPa

2 試驗結果及分析

2.1 交流電頻率對水泥固化鎘污染土電阻率的影響

由于在每個齡期下，固化不同質量分數的鎘污染土的電阻率隨交流電頻率的變化趨勢都相似,為了節省篇幅,以不同鎘離子質量分數齡期為3 d、不同齡期下鎘離子質量分數為100 mg/kg的水泥土試塊的電阻率為例,將電阻率與電流頻率的關系示于圖1，圖2中。由圖1，圖2可以看出,交流電頻率對水泥土電阻率影響顯著。電阻率隨交流電頻率的增大先迅速減小,然后趨于平緩。文獻[13]認為水泥土是一種特殊的電化學系統,具有電阻性和電容性雙重特性。由于電容器具有通高頻限低頻的性質,若加在水泥土兩個銅極板上的交流電頻率較高時,由于水基材料中電極/電解質界面組成的電容作用[13],會使電極板上充放電次數增多,充放電電流增大,表現出水泥土電阻率減小,反之電阻率變大。因此,水泥土電阻率隨電流頻率增加而減小。

圖1 不同鎘離子質量分數下電阻率與電流頻率的變化情況(3 d)

圖2 不同齡期下電阻率與電流頻率的變化情況(100 mg/kg)

由圖進一步可得,在整個變化趨勢下,電阻率的變化明顯分成兩個區域Ⅰ區、Ⅱ區。當電流頻率在50 Hz～50 kHz之間時,電阻率隨電流頻率的增加而急劇降低;當電流頻率在50 kHz～1 MHz之間時,電阻率隨電流頻率的增加降幅明顯放緩,并逐步趨于平穩。劉松玉等[14]表明:在用交流電測試地區性膨脹土、水泥土、海相軟土時,頻率過高時會造成測試結果極其不穩定,不易反映土體的結構特征;頻率過低時,電信號較弱,會造成測試誤差較大。因而,應用電阻率法對水泥土強度測量和評價時應選取適當頻率。此外,從電阻率急劇減小區到電阻率緩慢減小區之間有個界限頻率為50 kHz。本文采用交流電頻率為50 kHz作為研究電阻率特性的頻率值。

2.2 齡期對水泥固化鎘污染土電阻率及強度的影響

圖3為不同鎘離子質量分數下,水泥固化鎘污染土強度與齡期之間的關系,回歸方程見表1。圖4為不同鎘離子質量分數下,水泥固化鎘污染土電阻率與齡期之間的關系,回歸方程見表2。

圖3 養護齡期與水泥土強度的關系

圖4 養護齡期與水泥土電阻率的關系

由圖3以及表1回歸分析可得水泥土齡期t與無側限抗壓強度qu有較好的相關性:

1) 當水泥土鎘離子質量分數不變時,pu隨著t的增加呈對數增大。

2) 土體是否受到污染,并不影響pu隨著t的變化規律。被鎘離子污染的土體,在用水泥固化時,水泥水化反應產物的主要組成與普通硅酸鹽水泥的水化產物基本相同[17]。

3) 被鎘離子污染的水泥土強度略高于無污染的水泥土。

由圖4以及表2的回歸分析可得水泥土齡期t與水泥土的電阻率ρs有很好的相關性:

1) 當水泥土鎘離子質量分數不變時ρs隨著t的增加呈對數增大。在齡期逐漸增大的過程中,水泥顆粒在水化反應過程產生較多的水化產物,這些水化產物相互交織、穿插,填充在土粒之間以及形成的水泥石骨架中,最終使得水泥土孔隙率減小,孔隙通透性變差,結構密實,電導率減小,電阻率逐漸增大。

2) 無論土體是否被鎘離子污染,ρs隨著t的增加依然呈對數增大。

3) 被鎘離子污染的水泥土電阻率與無污染的水泥土電阻率相差不大。文獻[15]認為鎘離子在C-S-H凝膠中固化,通過離子交換,可取代水化產物中的鈣離子。另外文獻[16]得出,水泥水化反應生成的飽和Ca(OH)2溶液中,溶液仍顯強堿性,此時的鎘離子能夠較好的形成Cd(OH)2沉淀物,這樣較多含量的鎘離子被固化消耗,使得溶液中鎘離子減少。因此被鎘離子污染的水泥土孔隙水中的導電性和無污染的導電性相差不大。宏觀上表現為兩者的電阻率較接近。

表1 水泥土抗壓強度與齡期的回歸方程

表2 水泥土電阻率與齡期的回歸方程

2.3 鎘離子質量分數對水泥土強度及電阻率的影響

圖5為不同齡期水泥土無側限抗壓強度隨鎘離子質量分數的變化關系;圖6為不同齡期水泥土電阻率隨鎘離子質量分數的變化關系。由圖5可知，

圖5 鎘離子質量分數與無側限抗壓強度的關系

1) 在t不變時,當w=50 mg/kg時,水泥土強度出現異常達到極大值;

2) 隨著w繼續增加,pu，ρs基本保持不變,且pu略高于無鎘離子污染時的水泥土。水泥主要的水化產物C-S-H對游離狀態鎘的固化主要依靠物理包裹以及化學吸附形式進行,有研究表明對鎘離子的物理包裹主要是漫散射雙電層作用,靠電荷吸引力來完成;對鎘離子化學吸附,主要是C-S-H的化學結合,包括離子交換、置換以及生成某些共沉淀水化體來完成。鎘離子和鈣離子電負性相近,金屬活動性較強,且直徑相差不超過15%,在水泥水化反應產生的堿性環境溶解度較低,鎘離子會產生難溶的氫氧化物。

圖6 鎘離子質量分數與電阻率無側限抗壓強度的關系

文獻[15]通過擴展X射線對水泥土的精細結構分析得出,C-S-H可以通過化學交換吸附固化較多的鎘離子,且在C-S-H中存在著固化鎘和游離鎘兩種形態。也有研究證實,鎘離子被C-S-H吸附形式不僅以共沉淀方式,還有可能生成某種新的水化產物。蘭明章等[17]認為鎘離子置換鈣離子后在水化過程中產生的Cd(OH)2及鎘的硅酸鹽物質在水泥石中是均勻分布的,對水泥水化后的結構并沒產生較大改變。通過以上分析,當w=50 mg/kg時,水泥土強度達到最大值可能原因是水泥水化過程中所產生堿性環境將所有的鎘離子生成了Cd(OH)2,這種物質逐漸填充水泥土的孔隙,使水泥土結構密實,通透性變差,從而使強度變大;當w繼續增加時,一些鎘離子生成Cd(OH)2,多余的鎘離子一方面通過電荷引力的作用被C-S-H物理包裹,這種作用雖然起到較好的固化效果,但可能對水泥土強度增長貢獻有限。另一方面,鎘離子通過化學反應結合成穩定的水化產物。因此在w>50 mg/kg,水泥土強度較w=50 mg/kg時的低,但卻比w=0時的強度高。

由圖6可知，在t不變時,水泥土質量分數ρs隨w的變化規律表現出和水泥土強度隨鎘離子質量分數的變化規律一致。當w=50 mg/kg時,生成的Cd(OH)2消耗了導電陽離子,使電導性降低,電阻率升高;當w>50 mg/kg時,由于多余導電陽離子被C-S-H通過物理、化學作用捕獲,使得導電陽離子急劇減少,電導性變差,電阻率升高。因此表現為比無鎘離子污染時的水泥土電阻率略高。

2.4 水泥固化鎘污染土電阻率與強度的關系

通過對比圖3、圖4、圖5、圖6可知，在相同鎘離子質量分數的條件下,水泥土強度和電阻率隨齡期變化而呈相似的變化規律;在齡期不變的條件下,水泥土強度和電阻率隨鎘離子質量分數變化也呈相似的變化規律。因此可以得出電阻率和強度存在必然聯系。

為了進一步探究電阻率與強度之間的聯系,統計水泥土所有鎘離子質量分數下不同齡期的電阻率和強度值,并將其示于圖7中,通過回歸分析可得直線關系為:pu=0.285ρs-0.348,R2=0.892。

圖7 電阻率與無側限抗壓強度的關系

3 結論

1) 隨交流電頻率的增大,水泥土的電阻率先急劇減少后趨于平緩。在此變化過程中交界處交流電頻率值為50 kHz。建議采用50 kHz～1 MHz范圍頻率來研究水泥土的電阻率。

2) 無論土體是否被鎘離子污染,水泥土的強度和電阻率隨著養護齡期的增加都呈對數增大。

3) 在養護齡期不變的情況下,當鎘離子質量分數為50 mg/kg時,水泥土強度和電阻率都達到最大值,隨著鎘離子質量分數逐漸增大,強度和電阻率基本保持不變,且略高于無鎘離子污染時的水泥土強度和電阻率。

4) 水泥固化鎘污染土強度與電阻率有較好的線性相關性。

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(編輯：賈麗紅)

Study on Electrical Resistivity and Strength Characteristics ofCadmium Contaminated Soil Solidified by Cement

ZHANG Shaohua,GAO Yitao,KOU Xiaohui,DONG Xiaoqiang

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The electrical resistivity and unconfined compressive strength of cadmium contaminated soil solidified by cement were measured,to reveal the influence of AC frequency on electrical resistivity of the cadmium contaminated soil solidified by cement; the influence law of age and cadmium ion content on resistivity and strength of cement soil,and the relationship between the resistivity and unconfined compressive strength.The results show that,the electrical resistivity decreases significantly with the increase of current frequency,and the range of 50 kHz～1 MHz is recommended as the current testing frequency range.The compress strength and electrical resistivity of cemented soil increase logarithmically with age.When cadmium content is 50 mg/kg,strength and resistivity reach the maximum;As cadmium ion content continues to increase,the resistivity and strength remain unchanged,and generally higher than those of cemented soil without cadmium.Electrical resistivity and strength show a good linear relationship.

cement stabilized soil;cadmium contaminated soil;electrical resistivity;unconfined compressive strength

1007-9432(2015)06-0702-05

2015-05-07

新世紀優秀人才支持計劃基金資助:水泥固化重金屬污染土的強度和交流阻抗特征(NCET-12-1039);山西省回國留學人員科研資助項目(2013-045)

張少華(1988-)，男，山西大同人，碩士生，主要從事環境巖土方面研究，(Tel)13754804179,(E-mail)zhangshaohua_211@163.com

董曉強，男，博士生導師，(Tel)13333515050

TU 443

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.013