碳化對(duì)水泥固化重金屬污染土的作用研究

盧爾聰

（中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 300133）

1 引言

2010年中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部、中華人民共和國(guó)統(tǒng)計(jì)局和中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部三部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示，全國(guó)工業(yè)重金屬（鎘、鉻、砷、汞、鉛）年排放0.09萬(wàn)t。這些污染物進(jìn)入水體、土體，對(duì)周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，這就要求有相應(yīng)的處理措施。

水泥固化是無(wú)機(jī)污染廢棄物處理中常用的一種化學(xué)處理手段，主要是指在土體中摻入水泥基固化劑，通過(guò)物理、化學(xué)原理對(duì)污染物進(jìn)行固定，降低污染離子在土壤環(huán)境中的溶解遷移。其工程應(yīng)用已有將近50年歷史，大量的工程應(yīng)用案例證明其是經(jīng)濟(jì)高效的方法。

盡管世界范圍內(nèi)不少?lài)?guó)家已經(jīng)對(duì)污染物的固化效果做出了規(guī)范要求或指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)［1-5］。但固化手段的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)并不長(zhǎng)，其長(zhǎng)期性能還有待驗(yàn)證。且固化后的污染物常接觸到地下水體，這對(duì)地下水體的安全也是極大的威脅。

許多學(xué)者對(duì)重金屬污染土的固化效果與作用機(jī)理進(jìn)行了研究，一些污染物進(jìn)行水泥基材料固化的效果不好，污染離子會(huì)推遲、破壞水泥的水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)。

水泥基固化劑的碳化是通過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)，改變水泥水化最終產(chǎn)物。基本化學(xué)反應(yīng)原理：

碳化反應(yīng)可以降低混凝土孔隙液的pH，將氫氧鈣石轉(zhuǎn)化為方解石，造成體積變化，CSH凝膠的脫鈣，鋼筋鈍化膜的破壞，從而造成鋼筋銹蝕等。固化污染土與混凝土不同，水泥含量相對(duì)較少，水泥水化反應(yīng)還會(huì)受到污染物-水泥基材料反應(yīng)的影響。因此，從理論上，碳化作用對(duì)水泥基固化污染土的影響與快速石灰穩(wěn)定化重金屬污染土類(lèi)似。

近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)重金屬污染土的危害及防治開(kāi)始重視［6-9］，并對(duì)碳化對(duì)固化重金屬污染土效果的影響進(jìn)行了研究。Mollah等［10-11］對(duì)固化Cd、Cr和Zn污染土的碳化作用影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明水化產(chǎn)物受到了較大影響，重金屬離子的固定得到了強(qiáng)化。章定文等［12］采用室內(nèi)加速碳化試驗(yàn)方法，分析了碳化作用對(duì)水泥固化／穩(wěn)定化鉛污染土淋濾特性，結(jié)果表明，碳化養(yǎng)護(hù)試樣的鉛累計(jì)溶出量是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的0.68～0.91倍，碳化有利于鉛的固化／穩(wěn)定化。這些研究都表明碳化作用所形成的碳酸鈣對(duì)重金屬污染土中重金屬的固化是有利的。

本文將采用普通波特蘭水泥固化的重金屬污染土放入3種不同環(huán)境養(yǎng)護(hù)后，測(cè)試土樣的強(qiáng)度、微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化和重金屬離子溶出特性。

2 試驗(yàn)方法

所采用重金屬污染土取自某電鍍工廠(chǎng)，pH值為8.0，總可溶固體含量為9 300 mg／L，水溶性有機(jī)碳（TOC）含量為2.1 mg／L。土樣先放置于105℃干燥至恒重，后研缽碾碎至粒徑500μm以下。經(jīng)過(guò)HNO3和HCl酸化后測(cè)定重金屬離子含量。見(jiàn)表1。

表1_污染土各離子含量 mg／kg

將干燥后的重金屬污染土和水泥、重蒸餾水充分混合。混合比例設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 試樣各組分配比

混合后裝入直徑50 mm的PVC管模具，試樣高度為50 mm。試樣裝好后放入3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，5 d后拆模，總養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。養(yǎng)護(hù)環(huán)境為試驗(yàn)室環(huán)境、CO2環(huán)境、N2環(huán)境。

試驗(yàn)室環(huán)境實(shí)測(cè)平均溫度為20℃；CO2環(huán)境為碳化箱，控制箱內(nèi)相對(duì)濕度（RH）50%，箱內(nèi)CO2濃度20%；N2環(huán)境為充滿(mǎn)N2的可密封有機(jī)玻璃罐。

養(yǎng)護(hù)28 d后取出進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、淋濾試驗(yàn)和XRD檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 強(qiáng)度變化

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

從圖1中可以看出，隨著OPC含量的提高，試驗(yàn)UCS增高。未添加重金屬污染的試樣在CO2養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的UCS強(qiáng)度是所有試樣中最高的，達(dá)到了12.38 MPa，N2和試驗(yàn)室條件養(yǎng)護(hù)下的UCS強(qiáng)度也達(dá)到了將近10 MPa。

在含有重金屬污染條件下，N2養(yǎng)護(hù)環(huán)境下試樣的UCS在所有試樣中是最低的，在20%OPC添加情況下，試樣太過(guò)松散甚至不能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求；CO2養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試樣在OPC摻入比30%和25%時(shí)強(qiáng)度均最高，但在20%時(shí)較低。

3.2 晶體變化

粉末X射線(xiàn)衍射法用于樣品的定性或定量的物相分析，當(dāng)待測(cè)物質(zhì)化學(xué)成分與物質(zhì)晶型確定時(shí)，應(yīng)具有獨(dú)立的X射線(xiàn)特征衍射圖譜和數(shù)據(jù)。通常，衍射圖譜包括衍射峰數(shù)量、衍射峰位置、衍射峰強(qiáng)度、衍射峰幾何拓?fù)涞刃畔ⅰ１驹囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

_表3_XRD晶相試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試樣，氫氧鈣石、方解石、鈣礬石等成分可以檢測(cè)出來(lái)；N2養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試樣，缺失氫氧鈣石，含有大量的鈣礬石和未水化的C3S。碳化環(huán)境下的試樣，氫氧鈣石和石膏是重要成分，鈣礬石在所有試樣中均未檢測(cè)出。

從圖2中可以看出碳化養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)OPC水化產(chǎn)物的影響。方解石數(shù)量從多到少的養(yǎng)護(hù)環(huán)境依次是：CO2＞試驗(yàn)室＞N2，CO2環(huán)境下，鈣礬石逐漸分解，方解石和石膏成分逐漸增多。

圖2 晶相變化

3.3 溶出特性

從表4可以看出，試驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試樣中重金屬離子溶出量最大，CO2養(yǎng)護(hù)環(huán)境下試樣次之，溶出量最小的是N2養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試樣。

表4 溶出離子濃度 mg／kg

4 結(jié)論

本文通過(guò)UCS、XRD和淋濾試驗(yàn)對(duì)CO2、N2和試驗(yàn)室環(huán)境下OPC固化重金屬污染土的一系列特性做了研究，得出如下結(jié)論：

（1）隨OPC摻量的提高，試樣的UCS提高，所以理論上會(huì)存在一個(gè)固化效果、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的OPC摻量。

（2）水泥水化過(guò)程會(huì)受到養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響，N2環(huán)境會(huì)造成水化產(chǎn)物中氫氧鈣石的缺失，CO2會(huì)促進(jìn)水泥水化中C3S的水化，產(chǎn)生CaCO3；水化產(chǎn)物的變化，最終還會(huì)影響到試樣的UCS強(qiáng)度。

（3）CO2提高了試樣中重金屬離子的溶出特性，但試驗(yàn)結(jié)果顯示效果沒(méi)有N2環(huán)境更好，這可能是由于重金屬離子溶出特性受到多種因素的影響，如OPC水化最終產(chǎn)物、水化時(shí)間、pH值等。

本文對(duì)碳化在重金屬污染土固化中的應(yīng)用做了一系列試驗(yàn)與研究，對(duì)重金屬污染土固化這一目前廣泛應(yīng)用手段的研究將起到借鑒與指導(dǎo)作用。