探討重金屬污染物侵入對巖石力學性能影響

崔 巍 王 靜 王 瑾

（西安科技大學高新學院 710109）

探討重金屬污染物侵入對巖石力學性能影響

崔 巍 王 靜 王 瑾

（西安科技大學高新學院 710109）

通過相關實驗對重金屬污染物侵入對巖石力學性能的影響進行分析，并根據(jù)實驗所得的結果來繪制關于重金屬含量與巖石抗壓強度兩者關系的曲線圖，而重金屬含量與巖石抗壓強度之間的相關關系通過線性回歸分析法來進行研究。結果發(fā)現(xiàn)，重金屬污染對巖石力學強度產(chǎn)生一定的影響，與重金屬污染物含量呈反比關系，即重金屬含量增加，則巖石的力學強度減小。

重金屬污染物；巖石力學性能；相關關系；影響

根據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)，重金屬污染對巖石的力學性能產(chǎn)生較大的影響，在污染前后，巖石的風化速度、力學強度等有著明顯的差異。但在研究過程中，注重重金屬污染物對巖石物化作用與風化性能研究較為深入，但對于巖石的力學性能研究較少，研究成果不明顯[1]。本文將未受到重金屬污染物污染的巖石與重金屬污染巖石兩者進行對比試驗，觀察在不同含量的重金屬污染物下巖石的風化耐久性能、荷載強度與抗剪強度試驗等，對重金屬污染物侵入對巖石力學性能的影響進行分析。

一、污染巖石的強度試驗

（一）抗剪強度試驗

重金屬污染物的侵入，侵入的巖石表面會出現(xiàn)裂隙，且裂隙化程度會不斷加快，從而使巖石的抗剪強度降低。為了使重金屬污染物在侵入巖石后，巖石的抗剪強度變化情況可以直觀的反映出來，選取2組具有代表性的污染砂巖與污染泥巖對巖石的抗剪強度進行試驗[2]。通過檢測儀檢測發(fā)現(xiàn)，在污染巖石中侵入的重金屬元素主要是銅、鉛、鋅、鎘，污染物的綜合含量約為1.5%-3.5%，抗剪強度試驗的結果發(fā)現(xiàn)，在相同狀態(tài)下，同種巖石會隨著侵入的重金屬含量增加，巖石的抗剪強度會隨之降低，重金屬含水量增加，則巖石的抗剪強度也會隨之降低。

（二）風化耐久性強度試驗

當巖石受到重金屬污染物的侵入后，會使巖層表面的膠結物產(chǎn)生溶蝕，從而降低了巖石的風化耐久性強度，而巖石的抗壓強度則直接反應了巖石的風化耐久性強度。本文選取2組具有代表性的砂巖、泥巖對巖石的風化耐久性強度進行試驗。試驗的過程是先將巖石烘干，再浸水，再烘干的循環(huán)過程，每一個階段耗時3d,在每一個循環(huán)階段下，巖石的抗壓強度變化如下表1所示。經(jīng)過試驗結果發(fā)現(xiàn)，巖石在受到重金屬污染物的侵入后，巖石的單軸抗壓強度較污染物含量高的巖石樣本高[3]。隨著侵入的重金屬污染物含量不斷增加，巖石的抗壓強度會隨之降低，受重金屬污染的巖石在經(jīng)過循環(huán)試驗后，巖石的單軸抗壓強度下降，降低幅度≥45%。

表1：巖石風化耐久性強度試驗結果

（三）點荷載強度試驗

巖石中侵入的重金屬污染物會使巖石裂縫表面的膠體物加速溶蝕，從而導致巖石顆粒之間的膠結力降低，加快了巖石的裂隙化程度，使巖石的完整性造成一定的破壞，因此巖石的力學性能降低。經(jīng)過點荷載強度試驗發(fā)現(xiàn)，受到重金屬污染的巖石，其抗拉強度與點荷載強度會隨著重金屬污染物的含量變化而不斷變化，且會隨著重金屬污染物含量的不同而發(fā)生不同幅度的變化[4]。在相同的環(huán)境下進行試驗操作，發(fā)現(xiàn)當重金屬污染物含量增加時，巖石的抗拉強度與點荷載強度會隨之降低。巖石的風化狀態(tài)對點荷載強度的影響并不十分明顯，但巖石的巖性會對點荷載強度與抗拉前度值降低的幅度會產(chǎn)生明顯的影響。

二、重金屬含量與巖石抗壓強度關系

（一）重金屬污染物含量與薄層狀淺紫色泥巖單軸抗壓強度關系

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，重金屬污染物含量與巖石的強度之間具有密切的相關關系，因此對重金屬污染物含量與薄層狀淺紫色泥巖單軸抗壓強度關系進行試驗。采取紫紅色泥巖侵入不同含量的重金屬污染物共21組，通過烘干、浸水試驗，在巖石含水量相同的情況下進行巖石點荷載試驗，并通過線性回歸分析法將試驗結果進行比較與分析，根據(jù)相關軟件及線性回歸分析法得知，相關系數(shù)R為-0.877，重金屬含量與泥巖強度的關系為負相關關系，可以用冪函數(shù)表示。

（二）重金屬污染物含量與中厚層紫色砂巖單軸抗壓強度關系

對重金屬污染物含量與中厚層紫色砂巖單軸抗壓強度的關系試驗可以通過線性回歸分析法進行分析，根據(jù)線性回歸分析及相關軟件分析得知，相關系數(shù)R為-0.898，即二者呈負相關關系，重金屬含量與中厚層紫色砂巖的強度可以用冪函數(shù)表示[5]。隨著重金屬污染物含量的變化，巖石的強度也會隨之發(fā)生明顯的變化。重金屬污染物含量增加時，巖石的強度會隨之降低，在重金屬污染物含量≥1.5%，重金屬含量增加，則巖石的單軸抗壓強度會出現(xiàn)緩慢下降的趨勢。

結語：

總而言之，本文根據(jù)相關試驗對巖石的風化耐久性強度實驗、點荷載試驗與抗剪強度試驗等的結果發(fā)現(xiàn)，在相同條件下， 重金屬污染物的含量增加時，巖石風化耐久性、抗壓強度與抗剪強度都會隨之減少。根據(jù)重金屬污染物含量與兩種巖石抗壓強度的關系對比發(fā)現(xiàn)，重金屬含量與泥巖的強度呈負相關關系，重金屬含量與砂巖的強度也是呈負相關關系，綜合表面，重金屬污染物的侵入對巖石的力學性能會造成一定的影響。

[1]莫菲蘋,程峰. 重金屬污染物侵入對土體強度影響的試驗研究[J]. 礦產(chǎn)與地質(zhì),2015,(01)：114-118.

[2]程峰,王星華,莫時雄. 重金屬污染對巖石風化性能影響的研究[J]. 有色金屬(礦山部分),2014,(02)：58-62.

[3]劉韻琴,劉云國,胡新將,郭一明. 改性殼聚糖對湘江河水中重金屬污染物Cr(VI)的吸附(英文)[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2013,(10)：3095-3103.

[4]龔慧仙. 玉溪市部分城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場重金屬污染狀況調(diào)查[J]. 環(huán)境科學導刊,2010,(06)：85-87.

[5]穆立薔,孫海燕,祝寧. 東北主要綠化樹種對大氣重金屬污染物吸收能力的研究(英文)[J]. Journal of Forestry Research,2004,(01)：73-76+3-4.

S210

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1007-6344（2017）05-0130-01

崔巍（1989-）女，漢，陜西漢中，碩士，助教，研究方向：巖石力學性能研究，環(huán)境流體力學。

鈦酸鉍鈉系無鉛壓電陶瓷固溶改性研究（編號KJ201704） 基金項目：軸承轉子非線性動力學（編號KJ201705）