水泥固化溫州污染土的力學性質和微觀結構特性

(溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

隨著人類生產力不斷發展，生活水平不斷提高，環境污染變得越來越嚴重，其中，廢水、廢渣已成為土壤的重要污染源。這些污染物質進入土體，改變土體的物理結構和化學性質，破壞土體或地下構筑物結構穩定性，導致地基土工程性質惡化，從而使工程建設活動產生安全隱患。因此，迫切需要對污染場地進行環境評估與工程處理[1]。

以上試驗研究多是對水泥固化單一類型的重金屬或酸堿污染土進行的研究，而實際工程中，污染土的污染物質復雜多樣，特別是在溫州地區，有些工業廢水含有大量的重金屬、堿類、鹽類和油脂。目前，針對這些復雜污染物污染土的研究，尤其是關于溫州軟土被污染后的相關研究還鮮有系統性研究成果的報道。

針對水泥固化幾種不同類型的污染土，進行了無側限抗壓強度和掃描電鏡(SEM)試驗，涉及到重金屬、鹽類、有機物3個方面。采用Pb(NO3)2、NaCl、油脂作為污染物，人工配制摻有相關污染物的溫州軟粘土，研究了在不同污染物濃度、水泥摻量、齡期下的水泥固化后的強度特性和微觀結構的變化規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用的污染土由室內人工制備而成。試驗用土選取溫州地區的軟粘土，試驗用土的主要物理性質指標如表1所示。

表1 試驗土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of experimental soil

試驗中重金屬污染源采用Pb(NO3)2，因為Pb(NO3)2的溶解度較高；鈉鹽污染源采用NaCl分析純，因為NaCl溶解度高且無毒；油脂類污染源采用植物油，因為植物油常溫下為液態且取材方便。

設計污染物在干土中的含量為1 000、10 000、30 000 mg/kg，即分別為干土重量的0.1%、1%、3%。不含污染物的普通水泥土用0%表示。

試驗中所用的水泥為強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，綜合考慮工程實際情況和室內試驗的方便，最終決定水泥摻量分別為干土重量的4%、8%、12%。

說明 選取本例意在突出“所求線段與已知線段間數量關系”的多樣性，其實除了相等關系與倍數關系外，還有可能通過比例和方程等構建相等關系．

1.2 試驗方法

將試驗所用的土樣進行烘干、加工成粉末狀，然后再烘干，最后進行過篩處理(200目)。根據試驗設計的污染物濃度、水泥摻入量，量取一定質量的烘干土并計算出這些烘干土所需的水泥用量、污染物用量。以對溫州土進行人工擊實試驗得出的最優含水率，作為本試驗實際摻水量，量取一定量的去離子水，用磁力攪拌機將污染物充分溶解于去離子水中，得到污染物溶液。將烘干后的土粉和相應配比用量的水泥摻在一起，并且攪拌均勻，然后加入配制好的污染物溶液，再次充分攪拌，達到各組分均勻性良好。

采用人工擊實法制樣，分3層擊實制成高10 cm、直徑5 cm的柱狀試樣，脫模、稱重、放入密封的塑料袋中，在標準養護條件(溫度20±3 ℃，相對濕度95%)，養護至設計齡期(7、14、28 d)。無側限抗壓強度試驗采用YSH-2型，控制軸向應變速度為1 mm/min，掃描電鏡試驗中觀測圖像放大10 000倍。

2 實驗結果與分析

2.1 齡期對強度的影響

圖1為不同污染物含量的污染土，摻入4%、8%、12%的水泥固化穩定后的無側限抗壓強度隨養護齡期的變化曲線。對于未污染的土，經過養護后，水泥固化土的強度逐漸提高，養護前7 d水泥固化土的強度提高較大，之后隨著養護期的增加強度增加緩慢，特別是7～14 d之間，強度幾乎不變。

由圖1(a)可以看出，隨著齡期的變化水泥固化NaCl污染土的強度變化趨勢與未摻入污染的水泥土類似，都是隨著齡期的增長強度提高，并且都是前7 d增長最快，7～14 d增長緩慢，幾乎不變，而14～28 d增速又稍有提高。對比分析前期的增長速率，污染物的濃度越低，前7 d的增長速率越大，當不含污染物，且水泥摻量為12%時，增長速率最大，對應的7天強度最高。對于濃度為3%的NaCl的強度隨著齡期的增加提高較小，特別是水泥含量較低(4%水泥)時，養護齡期的增加強度只有小幅度的提高。

通過圖1(b)可以看出，水泥固化油脂污染土的強度隨齡期的發展規律跟無污染水泥土有較大區別，水泥固化油脂污染土的強度隨著養護齡期的增加提高較為明顯，增長線性較好，增長速率大致相同。相對于無污染的水泥固化土以及NaCl污染的水泥固化土而言，7～14 d的增長速率有較大提高。但是，7～14 d的強度值與NaCl的7～14 d的強度值相差較大。同樣，油脂含量越低，隨著養護期的增加，強度提高越明顯，同樣，增長速率越大，相反油脂含量越大時，強度提高不太明顯，增長速率較小，當油脂含量為3%，水泥摻入量為4%時，養護齡期的增加對水泥固化油脂污染土的強度幾乎沒有影響，只略有提高。

圖1 摻入不同污染物水泥固化土強度隨齡期變化Fig. 1 Variation of strength of cemented soils mixed with different pollutants with curing

由圖1(c)可以看出，隨著齡期的增加水泥固化Pb(NO3)2污染土的強度變化趨勢與無污染水泥土有較大區別，但與水泥固化油脂污染土的強度隨齡期變化規律相似，但對于Pb(NO3)2含量為3%，水泥摻入量為4%時，養護齡期的增加對水泥固化Pb(NO3)2污染土的強度影響較明顯。

2.2 水泥摻量對強度的影響

圖2 摻入不同污染物水泥固化土強度隨水泥摻量變化Fig. 2 Variation of strength of cemented soils mixed with different pollutants with cement

通過圖2(a)可以發現:離子濃度較低時，水泥固化NaCl污染土的強度與水泥固化無污染土接近；離子濃度較高時，對強度有較大影響，特別是NaCl摻量為30 000 mg/kg時，水泥固化NaCl污染土的強度與水泥固化無污染土的強度差別較大，不但變化曲線的趨勢有所不同，強度差別更是較為明顯。可能是少量的NaCl導致水泥固化土產生了結構性強、空隙較少的水化產物，而隨著NaCl摻量的增加，水化產物變得結構疏松，空隙增多、變大，從而導致強度降低。

通過圖2(b)可以發現:無論油脂濃度高低，3個齡期內水泥固化油脂污染土隨著水泥摻入量的增加，強度都逐漸提高，0.1%油脂的變化曲線與水泥固化無污染土接近，但隨著油脂濃度的增大，變化曲線發生較為明顯的差別;3個不同齡期時的變化曲線整體相似，3種油脂含量下的強度在0%、4%、12%水泥時都較為相近，但在8%水泥時相互差別都較大。

通過圖2(c)可以發現:3個齡期內，3種Pb(NO3)2含量下，水泥固化Pb(NO3)2污染土的強度都隨著水泥摻入量的增加而提高；水泥固化Pb(NO3)2污染土的強度變化曲線的斜率隨著水泥摻入量的增加基本不變，這與水泥固化未污染土的強度變化曲線的斜率隨著水泥摻入量的增加先增加后減小不同，可見在Pb(NO3)2的影響下，水泥固化土的強度隨水泥摻入量的增加時的變化更加均勻。

2.3 污染物含量對強度的影響

圖3為摻入不同污染物且污染物摻量不同的土，摻入4%、8%、12%的水泥固化穩定后的無側限抗壓強度隨污染物摻量的變化曲線。對于摻入NaCl的固化土而言，可分為兩種情況：1)當水泥摻量大于等于8%時，水泥固化土的強度隨著NaCl摻量的增加而降低。2)當水泥摻量不大于4%時，NaCl污染土在被水泥固化后其強度隨著NaCl摻量的增加先逐漸增加而后又降低，且都在NaCl摻量為1%時強度達到最大。說明在一定范圍內NaCl對水泥有一定的活性激發和早強作用[15]。

圖3 摻入不同污染物水泥固化土強度隨污染物摻量變化Fig. 3 Variation of strength of cemented soils mixed with different pollutants with pollutant

對于摻入油脂的情況，從圖3(b)可以看出，水泥固化油脂污染土的強度變化曲線較為相似，都表現出了隨油脂摻入量的增加而降低，且各個齡期的規律一致。根據水泥摻量的不同也可以分為兩種情況：當油脂摻量較小時，油脂的摻入對水泥固化土的強度影響尤為明顯，微量的油脂就可使水泥固化土的強度有較大幅度的降低；當油脂摻量大于0.1%時，只有水泥摻量為8%的水泥固化土的無側限抗壓強度隨著油脂摻量的增加繼續大幅度降低，其他水泥摻量下的無側限抗壓強度隨油脂摻量的增加繼續降低，但降低幅度很小。說明了油脂對水泥固化土的強度發展有較大的阻礙作用，使水泥土的膠結作用減弱，最終導致土體強度降低。可能是油脂對水泥固化土有物理的隔離作用，包裹在水泥土顆粒表面，導致水化反應變弱，結構性較差，從而強度明顯降低。油脂的存在使得水泥的水化反應在某一階段受到阻滯，不能充分發揮自身的作用，最終導致水泥的加固效果減弱[16]。

對于摻入Pb(NO3)2的水泥固化土，由圖3(c)可以看出，Pb(NO3)2對水泥固化過程的影響比較復雜，當水泥摻量為12%時，水泥固化Pb(NO3)2污染土的無側限抗壓強度隨著Pb(NO3)2濃度的增加而降低，且降低幅度較大；當水泥摻量為8%時，水泥固化Pb(NO3)2污染土的無側限抗壓強度隨著Pb(NO3)2濃度的增加先降低，再略微增加，而后又降低，總體表現為降低趨勢；在水泥摻量不大于4%時，水泥固化Pb(NO3)2污染土的無側限抗壓強度隨著Pb(NO3)2濃度的增加先增加后降低，并且都在Pb(NO3)2濃度為1%時達到最大強度。分析其原因可能是當Pb(NO3)2濃度較低時，孔隙水中的Pb2+容易在由于水泥產生的堿性環境下，生成的一氧化鉛水合物xPbO ·yH2O，具有一定的膠結作用，從而具有較高的強度；而Pb(NO3)2濃度較高時或有較高的水泥摻入量時，孔隙水中的OH-就會與Pb2+反應,生成少量的亞鉛酸[Pb(OH)4]2-，從而使固化土的膠結作用減弱，強度降低。

2.4 微觀結構研究

圖4是掃描電鏡放大10 000倍下的12%水泥摻量，污染物摻量分別為1%和3%并養護28 d土樣的微觀結構掃描電鏡照片。

比較圖4(a)、(b)可知，摻入3%NaCl的情況下水泥固化土的結構較為松散，空隙較多。而摻量為1%NaCl的情況下，結構性較好，并且有較多的水泥凝膠體與粘土顆粒互相膠結而形成的纖維狀結晶體。其原因可能是Cl-對水泥固化土的水化反應有阻礙作用或者是Cl-腐蝕了水化硅酸鈣膠體，從而在摻入3%NaCl的水泥固化土中看不到C—S—H生成。

比較圖4(c)、(d)可知，摻入油脂的情況下水泥固化土的結構都較為松散，結構性較差，空隙較大、較多。在摻入1%的油脂時，出現了較薄的石針狀的水泥水化產物，但邊緣較為圓滑；油脂摻量達到3%時，石針狀結構消失，變為了較為薄的片狀和塊狀結構，結構更加松散，邊緣更加圓滑。分析其原因，一方面，油脂對水泥固化土進行了物理的包裹，隔離了水泥顆粒之間以及水泥與土顆粒之間的接觸，使其水化反應受阻。另一方面，油脂的摻入改變了水泥固化土中的pH值，不利于水泥土中水泥的水化反應，從而結構性相對NaCl的影響下更差。

通過圖4(e)、(f)可以發現，在1%Pb(NO3)2時，水泥固化土體的塊狀較大，且相互接觸較為緊密，但在3%Pb(NO3)2時，水泥固化土體變得扁平且如同碎屑，孔隙較多，結構性很差。原因可能是Pb2+在水泥土顆粒間產生了化學抑制作用，影響了水化產物的形成，并且減弱了原本土顆粒間的相互粘結，從而使水泥土的結構變得薄而零碎。

3 結論

對受NaCl、油脂、Pb(NO3)2污染的溫州軟粘土進行了水泥固化后的無側限抗壓強度試驗和掃描電鏡(SEM)試驗，分析了其在不同影響因素下的力學特性和微觀結構特性，得出以下主要結論：

1)在NaCl的影響下，水泥固化污染土的無側限抗壓強度隨養護齡期的變化與無污染水泥土的相似；無側限抗壓強度隨水泥摻量的變化在NaCl摻量為0.1%、1%時與無污染物時相似，但NaCl摻量為3%時差別較大；當水泥摻量不大于4%時，固化水泥土的無側限抗壓強度隨NaCl摻量的增加先提高后降低，體現出了一定范圍內的早強作用。

2)在油脂的影響下，水泥固化污染土的無側限抗壓強度隨養護齡期的變化與無污染水泥固化土的差別較大，增長速率較為均勻，但在3%油脂的影響下，其強度隨齡期的增加幾乎沒有提高；當水泥摻入量增加時，其無側限抗壓強度提高情況較為復雜，與無污染物時差別較大；其無側限抗壓強度隨油脂摻量的增加而降低，微量的油脂摻入就可以使水泥固化土的強度有很大的降低。

3)在Pb(NO3)2的影響下，水泥固化污染土的無側限抗壓強度變化較為均勻，在低水泥摻量(小于4%)時也表現出早強作用，高水泥摻量時則降低了固化土的強度。

4)SEM結果表明，在3種污染物的影響下，水泥固化土的結構都變得疏松多孔，且污染物濃度越大，結構性越差；污染物濃度較低時，有C—S—H纖維狀結構出現，較高時則無纖維狀晶體出現，反而變為較為疏松的薄片狀結構；油脂對水泥固化土的影響最大，結構改變最為明顯，NaCl和Pb(NO3)2都會對水泥水化產物的形成起抑制作用。

5)綜合分析水泥固化3種污染物污染土的強度，可以發現：油脂對水泥固化土的影響最大，油脂影響下水泥固化土的強度最低，與無污染情況下相差最大；Pb(NO3)2影響下水泥固化土的早期強度比NaCl影響下水泥固化土的早期強度低，但28 d強度二者相差不大。

參考文獻：

[1] 余闖, 徐江偉, 陳樟龍, 等. 成層土中考慮衰變作用的污染物遷移規律分析[J]. 自然災害學報, 2013, 22(1): 45-51.

YU C, XU J W, CHEN Z L, et al. Pollutant migration in layered soil with consideration of decay[J]. Journal of Natural Disasters, 2013, 22(1): 45-51. (in Chinese)

[2] 蔣寧俊, 杜延軍, 劉松玉, 等. 酸雨入滲對水泥固化鉛污染土淋濾特性的影響研究[J]. 巖土工程學報, 2013, 35(4): 739-744

JIANG N J, DU Y J, LIU S Y, et al. Leaching behaviors of cement-based solidification stabilization treated lead contaminated soils under effects of acid rain[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(4): 739-744. (in Chinese)

[3] 張華杰, 韓尚宇, 蔣敏敏, 等. NaCl侵蝕環境下水泥土的宏微觀特性分析[J]. 水利水運工程學報, 2012(2): 49-54.

ZHANG H J, HAN S Y, JIANG M M, et al. An analysis of the macro-and-micro properties of cement-soil under NaCl erosion environment [J]. Hydro-Science and Engineering, 2012(2): 49-54. (in Chinese)

[4] PANDEY B, KINRADE S D, CATALAN L J. Effects of carbonation on the leachability and compressive strength of cement-solidified and geopolymer-solidified synthetic metal wastes[J]. Journal of Environmental Management, 2012, 101: 59-67.

[5] ZHANG M H, CHEN J K, LU Y F, et al. Study on the expansion of concrete under attack of sulfate and sulfate-chloride ions[J]. Construction and Building Materials, 2013, 39(2): 26-32.

[6] HORPIBULSUK S, PHOJAN W, SUDDEEPONG A, et al. Strength development in blended cement admixed saline clay [J]. Applied Clay Science, 2012, 55: 44-55.

[7] CUISINIER O, BORGNE T L, DENEELE D, et al. Quantification of the effects of nitrates, phosphates and chlorides on soil stabilization with lime and cement [J]. Engineering Geology, 2011, 117(3/4): 229-235.

[8] 陳四利, 楊雨林, 張精禹. 污水環境對水泥土力學性能的影響試驗研究[J]. 土木建筑與環境工程, 2015, 37(4): 112-117.

CHEN S L, YANG Y L, ZHANG J Y, et al. Experimental analysis of effects of polluted water environment on mechanical properties of cemented soil [J]. Journal of Civil, Architectural and Environmental Engineering, 2015, 37(4): 112-117. (in Chinese)

[9] CHEN S L, DONG K H, YU T, et al. Experimental study on infiltration time effects of mechanical behaviors of cement soil[J]. International Journal of Applied Mathematics and Statistics, 2013, 50(20): 302-309.

[10] 陳四利, 史建軍, 于濤, 等. 凍融循環對水泥土力學特性的影響[J]. 應用基礎與工程科學學報, 2014, 22(2): 343-349.

CHEN S L, SHI J J, YU T, et al. Influence of freezing and thawing cycles on mechanical properties of cemented soil [J]. Journal of Basic Science and Engineering Applications, 2014, 22(2): 343-349. (in Chinese)

[11] 杜延軍, 蔣寧俊, 王樂, 等. 水泥固化鋅污染高嶺土強度及微觀特性研究[J]. 巖土工程學報, 2012, 34(11): 2114-2120.

DU Y J, JIANG N J, WANG L, et al. Strength and microstructure characteristics of cement-based solidified/stabilized zinc-contaminated kaolin[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(11): 2114-2120. (in Chinese)

[12] 董曉強, 蘇楠楠, 黃新恩, 等. 污水浸泡對水泥土強度和電阻率特性影響的試驗研究[J]. 巖土力學, 2014, 35 (7): 1855-1870.

DONG X Q, SU N N, HUANG X E, et al. Effect of sewage on electrical resistivity and strength of cemented soil [J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(7): 1855-1870. (in Chinese)

[13] 查甫生, 許龍, 崔可銳. 水泥固化重金屬污染土的強度特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2012, 33(3): 652-664.

ZHA F S, XU L, CUI K R. Strength characteristics of heavy metal contaminated soils stabilized/solidified by cement [J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(3): 652- 664. (in Chinese)

[14] 邵俐, 劉佳, 丁勇, 等. 水泥固化鎳污染土的強度和微觀結構特性研究[J]. 水資源與水工程學報, 2014, 25(2): 75-80.

SHAO L, LIU J, DING Y, et al. Research on strength and microstructure characteristics of cement solidified nickel contaminated soil [J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2014, 25(2): 75-80. (in Chinese)

[15] 王復生, 朱元娜, 張磊. 氯化鈉對粉煤灰硅酸鹽混合水泥活性激發能力和結合方式的試驗研究[J]. 硅酸鹽通報, 2009, 28(1): 31-37.

WANG F S, ZHU Y N, ZHANG L. Experimental research of sodium chloride on activity excited ability and binding mode of fly ash Portland blend cement [J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2009, 28(1): 31-37. (in Chinese)

[16] Al-RAWAS A, HASSAN H F, TAHA R, et al. Stabilization of oil-contaminated soils using cement and cement by-pass dust [J]. Management of Environmental Quality, 2005, 16(6): 670-680.