水泥固化鎳污染土的壓縮特性試驗研究★

黃 惠 邵 俐 劉 佳

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

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水泥固化鎳污染土的壓縮特性試驗研究★

黃 惠 邵 俐 劉 佳

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

通過壓縮試驗，探討了不同鎳離子濃度、不同水泥摻量的水泥固化鎳污染土的壓縮特性，分析了水泥固化鎳污染土的壓縮指數Cc、壓縮模量Es1-2與鎳離子濃度和水泥摻量的關系，結果表明,污染土中鎳離子濃度越高，固化土的結構性越差，壓縮指數Cc、壓縮模量Es1-2越低；隨水泥摻量增大，鎳離子含量較高的水泥固化污染土的壓縮指數Cc和壓縮模量Es1-2增長幅度明顯。

水泥，鎳離子，重金屬，壓縮指數

0 引言

近年來，隨著我國城市化發展，產業布局不斷調整，在很多大城市中心區以及周邊區域的大型工廠逐步搬離遷出，其中就有殘留污染風險較大的化工廠、鋼鐵廠、煉油廠等。由于這些企業設備陳舊，工業廢料排放技術欠缺等原因，大量有毒有害重金屬、有機污染物等滲入土壤中，致使企業原場地成為“毒地”。污染場地上建設商用或民用建筑，將嚴重影響居民的身體健康。

水泥系材料固化技術在治理重金屬污染方面應用廣泛，在污染場地修復中占有極高的分量，是一種非常具有市場前景的資源化地基處理技術。在固化土方面，以前多考慮固化后土體的強度特性，很多研究僅僅停留在強度這一特定指標，而忽略了其壓縮性。壓縮性過大將會引起建筑物較大的沉降變形，限制了固化土的使用范圍。國外發達國家研究了重金屬對水泥水化反應及強度影響的相關工程實例[1]，與國外相比，國內有關重金屬污染土特性的研究起步較晚，研究較多的重金屬主要有Zn，Cu，Pb等。魏明俐等[2,3]對鋅污染土進行了水泥固化，分析了鋅污染固化土的壓縮指數Cc、壓縮模量Es1-2與水泥摻量以及鋅離子濃度的關系。張亞梅[4]對多種重金屬影響水泥水化反應的具體情況做了研究，結果表明，重金屬離子濃度達到一定量時，水泥的初凝和終凝的時間全部會延遲，不同種離子對水泥水化反應的影響大小有差異；而對于鎳離子，同樣作為主要的重金屬污染元素，對其固化土壓縮特性影響的研究較少。

本文針對鎳污染土的固化，進行了壓縮試驗，探討鎳離子濃度、水泥摻入量，以及齡期對固化鎳污染土的壓縮指數Cc、壓縮模量Es1-2的影響。

1 試驗材料

試驗所用的鎳污染土在室內人工制備而成。試驗用土取自上海地區某基坑的粘土，其物理力學指標見表1。化學試劑為六水合硝酸鎳 (Ni(NO3)2·6H2O)，潮解性、溶解性較強(有較強的陽離子活性)，同時硝酸根對固化劑的化學反應干擾很小。本試驗所用的水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥，摻入量是烘干土重量的12%，16%，20%，用C12，C16，C20表示。

表1 試驗土的基本物理力學指標

2 試驗方法

將烘干的土樣粉碎并過1 mm篩，摻入試驗設計的水泥，并用機械方式攪拌均勻，摻入重金屬以試驗方案稱量相應的硝酸鹽重量，并加入相應體積(底泥的含水量)的水中充分攪拌5 min以上。制樣時將土分成3層裝入直徑為5 cm,高為10 cm的柱形模具，制樣之前將模具的內壁及封蓋均勻地涂一層凡士林便于脫模。將攪拌器中強制攪拌后的土每層振動2 min以排除試樣的氣泡，再裝入下一層直至填滿。成型1 d后，將試樣脫模并用塑料袋密封放置在標準養護箱內，養護溫度(20±3)℃，相對濕度95%。試樣養護至設計齡期后，進行壓縮固結試驗。加荷等級一般為5級，每級加載后，隔30 min記錄一次百分表讀數(精確至0.01 mm)。若相鄰兩次讀數變化量小于0.01 mm時，認為沉降穩定，然后加次級荷載。將試驗成果整理匯總。

3 結果與分析

3.1 鎳離子濃度對水泥土壓縮特性的影響

隨著污染土中離子濃度的增大，水泥固化土的壓縮曲線在屈服后均變陡峭，壓縮性陡增，且壓縮指數Cc都伴隨著鎳離子含量的增加而降低，具體變化規律如圖1所示。

Hopribulsuk等[5]研究發現：當污染土中的含水率不變時，固化土的壓縮指數Cc隨著水泥摻量的增加而增大。污染土中重金屬鎳離子的量越高，水泥的水化反應就會滯后甚至停滯，固化效果越差。因此土中鎳離子濃度對水泥固化鎳污染土的壓縮指數Cc的影響顯著。

工程上，一般取用壓縮應力P在100 kPa～200 kPa范圍內的壓縮模量值，即Es1-2。在不同齡期(7 d，14 d，28 d)時，壓縮模量Es1-2隨鎳離子濃度的變化規律如圖2所示。

由圖2可以看出，在各個齡期(7 d，14 d，28 d)時，壓縮模量Es1-2都隨鎳離子濃度的增大而減小。如在28 d齡期、水泥摻入量為12%時，未污染的水泥固化土的壓縮模量Es1-2值為8.45 MPa，鎳離子濃度較低的水泥固化污染土(Ni 0.1)的壓縮模量Es1-2值為7.12 MPa，鎳離子濃度較高的水泥固化污染土(Ni 1)的壓縮模量Es1-2值為5.02 MPa。可見，鎳離子濃度對土體的壓縮性能有較大影響。

3.2 水泥摻量對壓縮特性的影響

隨著水泥摻入量的增加，水泥固化鎳污染土的壓縮指數Cc也有所增加，壓縮指數的變化規律如圖3所示。由圖3可見，水泥摻入量較高、鎳離子濃度較低的水泥固化污染土屈服后的壓縮指數Cc較大，會產生較大變形，易造成工程隱患，設計中應加以注意。

產生上述現象的原因歸結于水泥水化反應產生的膠結物可以有效地改善水泥固化土的壓縮性。由于鎳離子與水泥顆粒結合形成的不溶物質覆蓋在水泥顆粒上，猶如一層保護膜，隔開了水泥顆粒與水，從而抑制了水泥水化反應。因此，隨著水泥摻量的提高，必然有更多的水泥顆粒參與反應，水泥水化反應相應得到增強。

壓縮模量Es1-2隨水泥摻量的變化規律如圖4所示。

由圖4可以看出，在各個齡期(7 d，14 d，28 d)時，壓縮模量Es1-2都隨水泥摻量的增大而增大。如在28 d齡期、鎳離子濃度為1%時，水泥摻量較低(12%)固化土的壓縮模量Es1-2值為5 MPa，水泥摻量為16%固化污染土的壓縮模量Es1-2值為7.3 MPa，水泥摻量較高(20%)固化污染土的壓縮模量Es1-2值為13 MPa。可見，水泥摻量對土體的壓縮性能有較大影響。

4 結語

1)鎳離子濃度對水泥固化土的壓縮特性具有很大的影響。隨著鎳離子濃度的增大，水泥固化污染土的壓縮指數Cc和壓縮模

量Es1-2都變小，土體的結構性減弱。

2)水泥摻入量對于水泥固化鎳污染土的壓縮特性具有明顯影響。隨著水泥摻入量的增加，水泥固化鎳污染土的壓縮指數Cc和壓縮模量Es1-2均有所增加，且鎳離子含量較高的水泥固化污染土的增長幅度較明顯。

[1] Yin Chunyang,Shaaban M G,Mahmud H B.Chemical stabilization of scrap metal yard contaminated soil using ordinary Portland cement[J].Building And Environment,2007，42(2):794-802.

[2] 魏明俐,杜延軍,張 帆.水泥固化鋅污染黏土的壓縮特性試驗研究[J].土木工程學報,2011,44(Z2):165-168.

[3] 魏明俐,杜延軍,張 帆.水泥固化/穩定鋅污染土的強度 和變形特性試驗研究[J].巖土力學,2011，32(Z2):306-312.

[4] 張亞梅,孫 偉,施 展.摻重金屬氧化物水泥漿體的性能和結構[J].建筑材料學報,2002(3):274-278.

[5] Horpibulsuk S,Bergado D T.Lorenzo G A.Compressibility of cement-admixed clays at high water content[J].Geotechnique,2004，54(2):151-154.

Compressibility of cement solidified/stabilized nickel contaminated soil★

Huang Hui Shao Li Liu Jia

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai200093,China)

To investigate the compressibility of cement solidified/stabilized nickel contaminated soil, a series of oedometer tests were performed. The effects of nickel concentration and cement content on yield stress and compression index were investigated. It is found that nickel concentration and cement content have considerable influence on the structure of cement solidified nickel contaminated soil. The structure of the soil degraded with increasing nickel concentration. With the increase of cement content, the compression index and compression modulus of the cement solidified soil with high nickel content were significantly increased.

cement, nickel, heavy metal, compression index

1009-6825(2016)32-0073-03

2016-09-07★:上海市科學技術委員會(項目編號：13230502300)資助

黃 惠(1990- )，男，在讀碩士； 邵 俐(1969- )，女，副教授； 劉 佳(1987- )，女，在讀碩士

TU432

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