鉛離子對黃土基本工程性質的影響研究

李明澤，周 鑫，楊秀娟

（西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100）

1 前言

近年來隨著中國經濟的快速發展,國家工業化進程加快,由于企業內部監管不力和企業生產技術落后等因素,大量工業生產過程中的含重金屬離子的廢水被肆意排放到土壤中,給土壤帶來了嚴重的污染,我國也因土壤污染問題每年遭受巨大經濟損失。我國每年因重金屬污染的耕地糧食產量多達1200 萬t,直接經濟損失超過200 億元人民幣[1]。重金屬離子不僅會改變土壤結構,造成土壤性質的變化,也會造成糧食減產,甚至威脅人類的生命安全。

現階段,我國存在重金屬污染土壤總面積約為2000萬hm2,占總耕地面積的1/60,我國土壤重金屬污染問題已經十分嚴峻[2]。姚萬程、劉庚等人通過對550 個樣點8中重金屬Pb、Cr、Cd、As、Hg、Cu、Zn、Ni含量的研究,發現8 種重金屬含量分別為山西省土壤環境背景值的2.98、0.99、4.45、1.43、13.61、1.35、1.75、1.16倍[3]。王守沛、王文慶通過在寧國市遠景規劃區進行土壤采樣分析及測試分析發現其表層土壤中Pb、Cr、Cd、As、Hg、Cu、Zn七種重金屬離子均不同程度超過安徽省土壤背景值[4]。林傲然、滕楠等人通過對重金屬Pb污染固化土的研究,發現相同種類固化劑、相同齡期下土的無側限抗壓強度會隨著鉛離子濃度的增大而逐漸減小[5]。李雄威、劉正明等人通過對江蘇省常州市某電鍍廠遺址處的污染土為樣本,進行無側限抗壓試驗后發現,電鍍廢水會大幅度降低土壤的無側限抗壓強度值[6]。由此可見,我國重金屬土壤污染問題日益嚴峻,對工程建設造成一定威脅。

本項目以不同Pb2+污染程度的楊凌黃土為研究對象,通過酸堿度試驗和無側限抗壓強度試驗探求不同質量分數的Pb2+影響下,黃土基本工程性質的變化規律。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

該項目所采用的黃土為楊凌黃土,取自陜西楊凌示范區楊凌大道東側土坡,基本物性指標見表1。楊凌黃土中易溶鹽含量為0.76 g/kg,pH值為8.19,偏堿性,其基本化學指標見

表1 楊凌黃土的基本物性指標

表2。本試驗所采用的鉛離子為化學分析純硝酸鉛,購自天津市大茂化學試劑廠。

表2 楊凌黃土的化學指標

2.2 試驗方法

試驗所采用的土樣為鉛離子污染土。首先將楊凌黃土去除其中的石子、樹根等雜物,風干研磨,然后將其通過孔徑為2 mm的土壤篩；按重金屬離子/干土質量比為0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%分別稱取過篩的楊凌黃土和硝酸鉛,將不同質量的重金屬鹽溶于蒸餾水中,然后均勻分層噴灑在黃土中,攪拌均勻,用保鮮膜密封24 h,然后風干重金屬離子污染土樣,并過2 mm土壤篩,即刻用作試驗土樣。

酸堿度試驗使用酸度計測量不同鉛離子摻量的污染土懸濁液pH值。試樣包括由質量分數為0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%的風干污染黃土所制成的土懸液。試驗按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）進行。

界限含水率試驗中使用液塑限聯合測定儀測定污染土的液限及塑限含水率。試樣包括由質量分數為0%、0.1%、0.2%、0.5%和1%的風干污染黃土所制成的粒徑≤0.5 mm的研磨土。試驗按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）進行。

無側限抗壓強度試驗使用無側限壓縮儀測定無側向壓力下污染土抵抗軸向壓力的極限強度。試驗中控制土體的含水率為20%,以壓實度0.80、0.85、0.90和0.95壓制土樣,每組試樣采用3個平行樣,結果取平均值。

3 試驗結果

3.1 鉛離子對土體酸堿度的影響

圖1是不同鉛離子污染黃土后黃土的酸堿度變化關系曲線。從圖中可以看到,隨著鉛離子濃度的逐漸增大,污染土的pH逐漸減小,土樣酸性增強。由于硝酸鉛溶于水后會產生鉛離子,而鉛離子會與水發生水解反應（反應方程式Pb2++2H2O=Pb（OH）2+2H+）,產生氫離子。另外黃土中富含碳酸鹽,水解產生的氫離子會進一步與碳酸鹽反應,降低土壤的pH,因此土壤的酸性會隨著鉛離子濃度的增大而增強。

圖1 鉛離子濃度—酸堿度曲線

3.2 鉛離子對黃土界限含水率的影響

表3是試驗所測得的不同鉛離子質量分數污染土的界限含水率。在鉛離子的影響下,黃土的液限及塑限含水率會在某一小范圍內波動,塑限范圍在17.6%～19.4%之間,均低于素土的20.6%,液限在30.6%～31.7%之間,均低于素土的32.6%。由此可見,鉛離子濃度在0.1%～1.0%范圍時對黃土的界限含水率基本沒有影響。

表3 不同鉛離子質量分數的污染土界限含水率

3.3 鉛離子對黃土無側限抗壓強度的影響

3.3.1 鉛離子污染黃土應力- 應變關系

圖2～圖5是不同壓實度下鉛離子污染黃土的應力-應變曲線,可以看出,當壓實度為0.8 時,鉛離子質量分數為0.5%的污染土的抗壓強度最高,鉛離子質量分數為1%時抗壓強度最小；當壓實度為0.85 時,鉛離子質量分數為0.2%的污染土抗壓強度最高,無污染黃土抗壓強度最小；當壓實度為0.9 時,鉛離子質量分數為0.1%的污染土抗壓強度最高,鉛離子質量分數為0.2%的污染土抗壓強度最小；當壓實度為0.95時鉛離子質量分數為1%的污染土抗壓強度最高,鉛離子質量分數為0.1%的污染土抗壓強度最小。

圖2 壓實度0.8時的應力-應變曲線

圖3 壓實度0.85時的應力-應變曲線

圖4 壓實度0.9時的應力-應變曲線

圖5 壓實度0.95時的應力-應變曲線

3.3.2 鉛離子濃度對黃土無側限抗壓強度的影響

圖6是不同壓實度下鉛離子濃度對黃土無側限抗壓強度的影響關系曲線。由圖6可知,當壓實度為0.8時,抗壓強度隨著鉛離子濃度的增大而減小；當壓實度為0.85和0.9時隨著鉛離子濃度的增大,污染土的抗壓強度先增大后減小；當壓實度為0.95時,隨著鉛離子濃度的增大,污染土的抗壓強度先減小后增大。

圖6 鉛離子污染黃土無側限抗壓強度變化曲線

在無側限抗壓強度試驗中,鉛離子為二價陽離子,水解后的呈酸性。二價鉛離子的鹽溶液在遇到黃土時,會與黃土中的碳酸鹽如碳酸鈣、碳酸鎂等發生反應,造成黃土中主要膠結形式發生分解,同時釋放出鎂離子和鈣離子造成土顆粒間的膠結物減少,使得土顆粒間的黏聚力減小。同時二價鉛離子帶正電荷,土顆粒表面帶負電荷,會使鉛離子吸附在土顆粒表面,土顆粒之間產生絮凝作用,導致土顆粒表面變得粗糙,造成土顆粒間的摩擦強度增大。

4 結論

通過酸堿度試驗和無側限抗壓強度試驗測試發現,隨著鉛污染的增大,被污染黃土的酸性逐漸增強；污染土的抗壓強度基本呈現隨鉛離子濃度的增大而增大；污染土的塑限及液限含水率均有小幅度增加,但黃土的狀態無明顯變化。