重金屬元素對工程性質的影響

郭春犁，馬有臣

（甘肅省地質礦產開發局水文地質工程地質勘察院，甘肅 張掖 734000）

隨著科學技術的不斷發展以及實驗儀器靈敏度的增強，市場對土工實驗的要求更高。目前，對于工程建筑安全性的把控不僅僅局限于建筑的邊坡是否穩定、建筑區是否存在地面塌陷等問題，更是深入到了重金屬元素對土工性質的影響。本文依據前人研究成果，結合實際土工實驗研究經歷，簡要的分析了重金屬元素如Cr3+、Zn2+、Cu2+等對土體工程性質的影響。

1 重金屬元素對土體物理性質的影響

土體的物理性質主要表現在酸堿度、界限含水率、黏粒含量、易溶鹽總量、顆粒相對密度、滲透率以及陽離子含量等指標[1，2]，不同性質的土體具有不一致的指標含量。當重金屬陽離子如Cr3+、Zn2+、Cu2+等通過水體污染、淋濾等作用滲入后，污染區域的土體就會發生變化，由于金屬陽離子的過渡滲入，顆粒與水體之間發生化學反應，致使土體中的基本組分發生明顯的改變，導致土工性質也隨之變化。

總的來說，重金屬元素如Cr3+、Zn2+、Cu2+等污染的土體具有土體中顆粒相對密度減小的特征，當重金屬陽離子的滲入量小于0.1%時，土體中顆粒相對密度基本保持不變；弱滲入量大于0.1%，土體中顆粒相對密度逐漸減小。產生這一現象的原因在于，未污染的土體中易溶鹽和陽離子含量達到了化學平衡，隨著重金屬陽離子的滲入，打破了原始的化學平衡，其他金屬陽離子被金屬元素置換出，從而形成更過的易溶鹽類，這些易溶巖類的密度要小于土體中顆粒的密度，因此，隨著重金屬元素污染的增加，土體中易溶巖類含量也越來越多，導致土體的相對密度逐漸減小。

不同的重金屬元素對土體的液塑限及塑性指數的影響程度不同，如Cr3+對土體的塑性指數影響較大，而Cu2+、Zn2+對土體塑性指數影響較小，是由于隨著重金屬元素的污染加劇，土體逐漸由粉質粘土變化為粉土，致使土體中黏粒含量減少，從而引起土體中結合水的變化，最終表現為塑性指數的減小。

2 重金屬元素對土體固結壓縮性質的影響

對不同滲入量的Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土在含水率為14%、18%和22%時進行了側限壓縮實驗，實驗結果顯示：上述三種重金屬元素污染均對土體的孔隙產生了不同程度的影響，總體上隨著Cr3+滲入量的增加，土體的可壓縮量逐漸減小，壓縮模量增大，孔隙比變化量減小；隨著Zn2+和Cu2+滲入量的分別增大，二者對土體的影響相似，均使得土體的可壓縮量逐漸增大，壓縮模量減小，孔隙比變化量增大。

通過土工試驗表明，Cr元素滲入土體后，與土體中的水體發生了化學反應，水解為Cr3+和帶正電的水，且帶正電的水呈酸性，在靜電作用和陽離子交換作用機制下，使得土體中的顆粒結合了大量的Cr3+、水，從而產生較大直接的團聚體，導致土體的可壓縮性減小，并且伴隨著Cr3+的不斷滲入，這種化學反映更加明顯，致使產生更多類似的團聚體，其壓縮量也就越來越小。Zn、Cu元素滲入土體后，也與土體中的水體發生了化學反應，水解為Zn2+、Cu2+，與土體中的碳酸鹽在酸性環境下生成堿式碳酸鹽，在范德華力的作用下結合在一起，導致土體中的孔隙增多，且其有效膠結量不斷減小，從而致使土體的可壓縮性逐漸增大，其壓縮量也隨之增大。

3 重金屬元素對土體強度性質的影響

對Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土在滲入量為0.0%、0.1%、0.5%和1.0%及 圍 壓 為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa條件下分別進行三軸固結不排水試驗，實驗結果表明：Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土與未污染的土體具有相似的抗剪強度曲線變化趨勢，均表現為應變硬化性曲線。隨著Cr3+滲入量從0.0%逐漸增加至0.1%、0.5%和1.0%，Cr3+污染土體的粘聚力逐漸降低，內摩擦角逐漸增大，致使污染土體的抗剪強度逐漸增加，其抗剪強度相應增大。根據實驗表明，Zn2+、Cu2+污染土的抗剪性質與Cr3+污染土的抗剪性質差別較大，主要體現為隨著Zn2+、Cu2+滲入量的增加，污染土的粘聚力逐漸減小，且Zn2+污染土的減小幅度小于Cu2+污染土的減小幅度，二者的內摩擦角略有增加，并具有Zn2+污染土的內摩擦較增加幅度大于Cu2+污染土的特征，總體上均小于Cr3+污染土的增加幅度。

4 重金屬元素對土體微觀結構的影響

土體的微觀結構主要表現為礦物成分、孔隙形狀、顆粒形狀及其顆粒間的接觸方式等方面，宏觀上表現為物理性質的差異[2]。土體中礦物顆粒的排列方式及接觸關系等均可影響土體的孔隙率、含水性以及固結程度、抗壓抗剪強度等性質。因此，微觀結構變化對于解剖土工性質的變化至關重要。本文利用掃描電鏡手段對Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土、未污染土體及其不同程度的污染土進行了比對分析，認為相對于未污染土而言，不同污染程度的污染土體的微觀結構均發生了不同程度的改變，并隨著Cr3+滲入量的增加，土體孔隙中的鈣質成分及黏性膠結物逐漸減小，致使顆粒間孔隙增大增多；隨著Zn2+、Cu2+滲入量的增加，致使顆粒間的連接方式發生改變，其孔隙也明顯增大，孔隙數量也逐漸增多，這是由于Zn2+、Cu2+的侵蝕作用致使顆粒間的填充物布滿細小密集的孔隙，導致顆粒與顆粒之間的接觸逐漸變得松散，進而增大了孔隙直徑。

5 結論

通過上述土工實驗可知，Cr3+、Zn2+、Cu2+污染土與該區未污染土體相比而言，其物理化學性質均發生了不同程度的顯著變化，一般情況化，污染程度加劇，土體中孔隙水的PH值越低，土體中的顆粒相對密度逐漸減小，且具有Cr3+污染土變化幅度大于Zn2+、Cu2+污染土的特征；由于重金屬陽離子的絮凝作用，污染土體中的黏粒含量逐漸減少，粉粒含量卻逐漸增多；隨著污染程度的增加，污染土體的液塑性變化越明顯，其中Zn2+、Cu2+對土體的液塑性變化影響較小；隨著圍巖的變化及其污染程度不同的變化，得出Cr3+污染土的壓縮變形隨污染程度增強而減小，壓縮模量逐漸增大，其抗剪強度增強，而Zn2+、Cu2+污染土的壓縮變形隨污染程度增強而增大，壓縮模量逐漸減小，抗剪強度略有增強。

[1]劉剛．重金屬離子對黃土工程性質的影響[D]．陜西：西北農林科技大學，2016．

[2]夏磊．重金屬污染土的工程性質實驗研究[D]．安徽：合肥工業大學，2014．