酸污染土水泥固化的強度與耐久性研究

江文林 劉 暢

(蘇州市建設工程質量檢測中心有限公司,江蘇 蘇州 215000)

酸污染土壤主要是由于工業廢料中酸污染物不合理排放而污染土壤。當污染物滲入土壤就會產生沉淀、累積、遷移，從而使土壤物理化學性質發生變化，土壤的力學性能降低，從而發生土壤地基災害如破裂、塌陷等，嚴重威脅了人們的生命健康和財產安全。另一方面，現階段農業耕作方式，施加肥料與農藥也會導致進入土壤的H+含量增加，從而使土壤環境趨于酸化[1]。

水泥固化土就是按照一定的配比將水泥、水和土體一起攪拌，經過養護形成整體的、穩定的、滿足一定強度要求的拌合物[2]。固化是在污染土中摻入固化劑如泥、石灰等，降低土壤中有害物質的活性，減少土壤中有害物質的泄漏[3]。固化治理污染土壤機理主要有兩個方面。通過固化劑(如水泥等)將污染物包裹固化，從而使有害物質的活性降低，性質變得相對穩定。另一方面是通過固化劑將被固化的污染物固定在某個相對封閉的空間中，或通過降低污染物的溶解度，從而減少污染物在環境中的擴散流動。

實驗以受酸污染的粘土為研究對象，水泥為固化劑，主要考察不同水泥摻量下，研究水泥固化酸性粘土的強度變化規律，以期找出適合固化酸土壤的配比，并為其常溫固化酸污染軟土機理提供依據，從而實現資源化及無害化處理。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

選取蘇州市本地粘土，土壤經過標準擊實試驗處理后備用，土壤物理性質塑限22.1%、液限53.2%、塑性指數30.3%、含水率24%。將濃硫酸與土混合，制備出含酸量分別為0.2%,0.4%,0.8%和1.6%的酸性污染土。實驗中固化劑水泥取值南京海螺公司生產的32.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗方法

1)固化土攪拌：在NJ-160A型水泥凈漿攪拌機內低速攬拌酸性污染土和水泥，攪拌時間為90 s，攪拌4次從而使酸性污染土與水泥攪拌均勻。水泥摻量分別為干土重的7%,10%,15%。

2)振搗養護：在50.0 mm×50.0 mm×50.0 mm的塑料模具中放入步驟1中的攪拌土，置于振動臺中振動3 min，然后覆蓋塑料薄膜于在(20±5)℃的環境條件下靜置48 h以后脫模后放入恒溫恒濕標準養護箱內養護。設置養護時間為7 d,14 d,28 d。每種樣品設3組平行試驗。

3)無側限抗壓強度試驗：對試驗步驟2固化土試樣進行無側限抗壓強度試驗。記錄其抗壓強度值，數據為三個試樣結果的平均值。

2 實驗結果與討論

2.1 不同水泥摻量下對酸性土壤固化強度的影響

試樣養護28 d后，水泥摻量為15%時，固化土的強度隨著土壤中硫酸含量的增大而沒有明顯的變化，曲線趨于平坦。在酸含量為0.2%時強度為1.65 MPa，酸含量為1.6%時，強度為1.81 MPa。水泥摻量為10%時，整條曲線隨硫酸含量的升高呈現先增大后減小的趨勢，固化土強度在硫酸含量為0.4%的時候達到最大值為1.39 MPa。酸含量為1.6%時強度最小為0.84 MPa。水泥摻量為7%時，固化土的強度隨硫酸含量的變大而逐漸減小。在酸含量為0.2%時，固化土強度為1.14 MPa酸含量為0.8%時，固化土強度為0.62 MPa，酸含量在1.6%時，固化土強度最低為0.32 MPa。

另一方面，當土壤中酸含量一定時，固化水泥的摻量越大，固化土強度越大。當土壤中酸含量為0.2%，水泥含量為7%,10%,15%時，固化土強度分別為1.14 MPa,1.21 MPa,1.65 MPa；當土壤中酸含量為1.6%，水泥含量為7%,10%,15%時，固化土強度分別為0.32 MPa,0.84 MPa,1.81 MPa，見圖1。

影響水泥加固酸污染土抗壓強度兩個最重要的因素是氫氧化鈣和水化硅酸鈣。固化土中水泥含量較小時(7%)，由于Ca(OH)2與H+發生酸堿中和反應，固化土中CSH含量降低，從而致使固化土密實性降低，力學強度減弱；當固化土中水泥含量較高時(15%)，固化土中Ca(OH)2去除與土壤中酸發生中和反應時，還能剩余大量的CSH，從而使固化土產生較強的復合膠凝效應，因此固化土的強度得到提升。

2.2 水泥酸性固化土在不同環境下耐久性研究

2.2.1固化土破裂過程研究

固化土在形成過程中其內部不可避免存在微裂紋和小微空洞等，同時組成固化土材質剛度各不相同，因此在固化土形成過程中內部結構產生相互制約相互影響。本試驗中以酸污染0.4%水泥含量為10%的固化土在酸環境(硫酸4 g/L)下養護28 d為實驗對象，研究水泥固化酸性污染土破裂過程。結果如圖2所示。

第一個階段曲線較為平緩，在應變為0.5%時，應力為0.02 MPa；在應變為1%時，應力為0.04 MPa。隨著應變變化，應力值幾乎為0，這說明固化土試樣應力值沒有發生變化。這主要可能是在初始階段固化土中微小空隙和孔洞在加載荷載的作用下閉合，從而使固化土試樣變得密實，固化土抗壓強度增加。

第二個階段曲線急速上升，固化土試樣隨著應變的增加，應力直線上升。在應變為1.6%時，應力為0.21 MPa；在應變為2.0%時，應力為0.9 MPa。在此階段主要發生彈性變形和彈塑性變形。在這階段，固化土試件會在荷載的作用下，形成新的裂縫，如荷載繼續增大，固化土內部會形成裂紋，從而強度會降低。

第三個階段曲線降低，應力由高峰值開始下降。在應變為2.5%時，應力為1.3 MPa；在應變為3.5%時，應力為0.7 MPa。這說明固化土此階段試樣主裂縫紋寬度變大，次裂紋寬度隨之變大，最后試樣發生破壞。

2.2.2不同養護條件下水泥固化酸性土強度研究

以水泥摻量為10%固化含酸量為0.4%的粘土為研究對象，研究不同養護條件下固化土的強度，具體結果如圖3所示。養護時間為7 d時，清水養護條件下10%水泥固化酸污染粘土的強度只有0.95 MPa，而標準養護條件下其強度為0.71 MPa；在養護時間為28 d時，清水養護、酸養護及標準養護下固化土的強度分別為1.07 MPa,1.15 MPa和1.35 MPa。

從圖3中可以看出，在三種不同養護環境中，固化土強度隨齡期的增長而逐漸增大，齡期、強度曲線近似為一條直線。另一方面，在相同齡期條件下，在標準養護條件下固化土強度最高，在硫酸溶液浸泡養護時固化土強度次之，在清水浸泡條件下固化土強度最低。這表明養護環境是固化土強度的重要因素之一。

2.2.3固化土強度特性

圖4是酸污染濃度為0.4%的粘土在不同水泥摻量下28 d齡期固化土酸浸泡后強度。養護齡期為28 d時，固化土的強度相對穩定。當水泥摻度7%時，無側限抗壓強度隨浸泡硫酸濃度的增大而減小。在酸濃度為2 g/L時無側限抗壓強度為0.72 MPa，酸濃度為8 g/L時無側限抗壓強度為0.65 MPa。當水泥摻度10%時，曲線隨硫酸濃度的增大呈現先增大后減小的趨勢，固化土無側限抗壓強度在硫酸濃度為4 g/L時達到最大值1.20 MPa，當酸含量為8 g/L時無側限抗壓強度最小為1.0 MPa。當水泥摻度為15%時，曲線隨硫酸濃度的增大呈現先減小后增大的趨勢，固化土無側限抗壓強度在硫酸濃度為4 g/L時達到最小值2.37 MPa，當酸濃度為8 g/L時無側限抗壓強度最大為2.62 MPa。

另一方面，當環境浸泡酸濃度一定時，水泥摻量越大，無側限抗壓強度越大。當硫酸濃度為2 g/L時，水泥含量為7%,10%,15%，固化土強度分別為0.72 MPa,1.15 MPa,2.38 MPa；當硫酸濃度為4 g/L時，水泥含量為7%,10%,15%，固化土強度分別為0.70 MPa,1.20 MPa,2.37 MPa。

固化土在酸環境由于受到酸的長時間腐蝕，固化土內部結構將受到破壞，固化土性質劣化，其滲透性變大，硬度將會降低，從而導致強度降低，因此固化土必須能抵抗酸環境的侵蝕，在同樣的酸環境下，固化土中水泥含量越高，固化土的強度越高，其抵抗環境中酸腐蝕的能力越強。

3 結論

1)水泥摻量、硫酸含量與水泥固化酸污染土的強度存在密切關系。隨著土受到酸污染程度增加，如水泥含量較高時(15%)，水泥固化酸污染土的抗壓強度上升趨勢緩慢；當水泥摻量較低時，固化土抗壓強度較低。

2)在酸性環境侵蝕下，水泥固化土的應力—應變曲線分為緩慢發展階段，急劇增強階段，快速下降階段。水泥固化酸污染土的強度受水泥含量、試件所在環境中酸的濃度、養護條件等因素影響。固化土強度隨水泥摻量的提高而升高，固化土的空隙比和滲透系數隨著硫酸溶液濃度的升高而增大，因此合適的水泥摻量能夠有效增強固化土的強度。

3)被酸污染(含量為0.4%)的水泥固化土在低酸環境中，水泥固化土強度較大，其抵抗侵蝕的效果良好；在高酸環境下(大于8 g/L)水泥固化土強度降低，其抵抗侵蝕的效果顯著降低。提高水泥摻量可以顯著提高固化土抵抗環境中酸溶液對固化土的侵蝕。