水泥和堿渣固化含鉛重金屬污染土特性試驗研究

邊天奇 安曉宇 元光宗

摘 要：【目的】改良重金屬污染土修復工程中常用的水泥固化/穩定法技術。【方法】以“氨堿法”制堿工藝的堿渣作為添加劑，通過室內試驗研究水泥固化含鉛重金屬污染土的無側限抗壓強度及毒性浸出特性。【結果】固化土強度隨養護齡期的增大逐漸提高，隨鉛離子含量的增大逐漸減小；與單一水泥固化含鉛重金屬污染土相比，堿渣的摻入使水泥固化土早期強度提高10%～25%，長期強度降低20%～30%，固化土對鉛離子的吸附性能得到提高，不同浸出方法中浸出液鉛離子濃度隨堿渣摻入量的增大逐漸降低。【結論】堿渣的摻入提高了固化劑對鉛離子的吸附性能，與等量單一水泥相比，其浸出液中鉛離子濃度大幅度降低。

關鍵詞：固化/穩定技術；含鉛重金屬污染土；水泥；堿渣；無側限抗壓強度；毒性浸出

中圖分類號：X53? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0083-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.017

Abstract： [Purposes] To improve the The Solidification and Stabilization （S/S） immobilization technologies that are the most commonly selected treatment options for metals-contaminated sites. [Methods] The unconfined compressive strength and leaching toxicity characteristics of lead-contaminated soil stabilized/solidified by using cement and soda residue are studied. [Findings] The unconfined compressive strength gradually increases along with curing age， but decreases with the lead concentration of the spiked soil; Comparing with soil solidified by using cement， the addition of soda residue results in increasing in the early strength of cement solidified soil by? 10% ～ 25%， but results in reducing in its long-term strength by 20% ～ 30%， and the addition of soda residue reduces lead concentration of leachate and increases the cement adsorption performance. [Conclusions] The addition of soda residue improves the adsorption performance of the curing agent on Pb2+， and compared with the same amount of single cement， the concentration of Pb2+ in the leachate is greatly reduced.

Keywords： stabilized/solidified;lead-contaminated soil;cement;soda residue;unconfined compressive strength; leaching characteristics

0 引言

水泥基材料固化/穩定重金屬污染土技術是歐美發達國家較為常用的一種污染土修復技術，其機理及工程應用已有系統的研究［1］。國內研究起步相對較晚，近年來，相關學者結合我國重金屬污染日趨嚴重的形勢開展一系列水泥及其他添加劑固化重金屬污染土技術研究，取得豐富的研究成果［2-8］，推動固化/穩定技術在我國污染土修復及治理工程中的進一步發展。

“氨堿法”制堿工藝在發達國家已被淘汰，我國仍大量使用，堿渣作為該工藝排放的廢棄物對環境已造成影響［9］。目前，國內學者針對堿渣廢棄物治理及資源化利用研究主要集中在堿渣的工程力學性質［10］及其作為填埋場防滲墊層［11］、地基填墊材料［12-13］適用性方面，利用堿渣作為水泥固化重金屬污染土的添加劑研究不多。曹煊［14］研究堿渣對重金屬離子的動力吸附作用及pH值、溫度等影響因素，其結果表明，堿渣對重金屬離子具有很強的截留能力，重金屬離子穿透單一堿渣層時間在66 h以上；方迪等［15］以堿渣為添加劑研究水泥固化脫硫底泥特性，其結果顯示以堿渣作為添加劑水泥固化底泥重金屬離子析出量與以粉煤灰、膨潤土作為添加劑的效果相當。上述文獻均表明堿渣對重金屬離子具有較強的吸附作用，但未就堿渣作為添加劑水泥固化土的無側限抗壓強度變化及機理進行分析。

基于以上分析，本研究通過室內試驗，以堿渣作為添加劑，研究水泥固化含鉛重金屬污泥的無側限抗壓強度及毒性浸出特性。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗使用的不含鉛土樣取自天津市濱海新區中心生態城，土樣物理化學指標見表1、表2。試驗前先將土樣放入烘箱中，在105 ℃下烘干，過1 mm多孔篩。

試驗固化劑采用水泥和堿渣，摻量為干土質量（Sb/Sb）的7.5%、10%、15%、20%。試驗所用水泥為普通硅酸鹽325水泥（OPC），主要組成成分質量比為：SiO2（21.5%）、Al2O3（5.14%）、Fe2O3（3.35%）、CaO（64.5%）、MgO（1.13%）；添加劑堿渣（SR）取自天津港東疆港區堿渣堆場，其干基化學成分質量比分別為：CaCO3（43.6%）、CaSO4（8.2%）、CaCl2（11.2%）、CaO（7.2%）、NaCl（4.3%）、Al2O3（2.6%）、Fe2O3（0.8%）、SiO2（6.4%）、Mg（OH）2（13.6%）、H2O（6.3%）。固化劑中堿渣含量（Ss/Sb）分別為10%、20%、30%、40%。

試驗中鉛污染源采用硝酸鉛［16］，其在干土中的含量（WP）分別為800、2 000、5 000、25 000、50 000 mg/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備。制樣前，先根據不同固化劑設計配比方案，采用K型坍落度測試儀測定混合土流動性在10%時的去離子水摻入量［17］。將硝酸鉛溶入去離子水中，在磁力攪拌機中充分攪拌，得到硝酸鉛溶液。按設計配比方案摻入水泥、堿渣，烘干土樣，攪拌至均勻（25 min），裝入成型筒內，靜壓3 min后脫模制成直徑5 cm、高度10 cm的柱狀試樣。

1.2.2 無側限抗壓強度試驗。將制備好的試樣裝入塑料袋中，密封后放入標準養護箱內養護（溫度20 ℃，相對濕度大于85%），養護時間為1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d。試驗方法參照ASTM D2166-06，軸向應變速率為1%/min。

1.2.3 毒性浸出試驗。毒性浸出試驗采用TCLP［18］和SPLP［19］，TCLP浸提劑分別采用去離子水（pH=6.80）和優級純冰醋酸（pH=2.88）；SPLP浸提劑采用去離子水稀釋硝酸和硫酸混合液（pH=5.00）。試驗前，將養護時間為28 d的試樣風干，粉碎研磨，過1 mm多孔篩；試驗時，液固比為20∶1，浸提時間為18 h；試驗完成后，采用原子吸收光譜儀測定上清液中重金屬離子含量。

2 試驗結果

2.1 無側限抗壓強度

固化劑為單一水泥時，不同Sb/Sd和WP條件下，固化土無側限抗壓強度隨養護齡期的變化曲線如圖1所示。由圖1可以看出，固化土強度隨養護齡期的增大逐漸增大，但隨著WP的增加，固化土強度增長趨勢逐漸變緩。污染土經水泥固化后其強度在不同養護齡期均比未污染土低，且隨著WP的增加，其降低程度也越大，這與Tashiro等［20］研究結果一致，其主要原因在于Pb等的重金屬氧化物與水泥漿發生反應，影響水泥水化初期的硬化和強度的發展。

固化劑為水泥和堿渣時，Sb/Sd=20%、WP=50 000 mg/kg、不同Ss/Sb條件下，固化土無側限抗壓強度隨養護齡期變化曲線如圖2所示。試驗結果表明，堿渣的摻入提高了水泥固化土的早期強度，但降低了固化土的長期強度，固化土14 d強度提高10%～25%，90 d強度降低20%～30%，且隨著堿渣摻入量的增加，其提高和降低程度也越大。其原因在于堿渣屬于高吸水、高堿性材料，堿渣的摻入提高了水泥水化初期的硬化速度，提高了水泥固化土的早期強度。同時，堿渣中又含有NaCl等易溶于水的鹽類，影響了水泥固化土長期強度的發展。

2.2 毒性浸出特性

固化劑為單一水泥時，不同Sb /Sd和WP條件下，養護齡期為28 d的固化土粉末TCLP和SPLP浸出液中濃度如圖3所示。試驗結果表明，不同浸提方法浸出液中Pb2+濃度隨Sb /Sd的增大逐漸減小；隨著WP的增加，浸出液中Pb2+濃度也逐漸變大，且當WP=50 000 mg/kg時，浸出液中Pb2+濃度均大于5 mg/L，超出我國《危險廢物填埋污染控制標準》允許值。

對比三種不同浸提劑試驗結果可以看出，浸提劑為冰醋酸時，水泥固化土粉末浸出液中濃度小于其他兩種方法；浸提劑為去離子水時，浸出液中Pb2+濃度略大于硝酸和硫酸混合液，這與文獻［16］研究結果一致。

固化劑為水泥和堿渣時，Sb/Sd=20%、WP=? 50 000? mg/kg、不同Ss/Sb條件下，養護齡期為28 d的固化土粉末TCLP和SPLP浸出液中Pb2+濃度如圖4所示。與單一摻入水泥固化劑相比，三種浸提劑試驗結果變化趨勢一致，即冰醋酸最小，去離子水最大，且浸出液中Pb2+濃度均未超過5 mg/L。

隨著固化劑中堿渣摻入量的增大，浸出液中Pb2+濃度逐漸下降，堿渣摻入量達到固化劑總量的40%時，Pb2+濃度下降200%，說明堿渣對重金屬Pb2+離子的吸附性能大于等量的水泥。

產生上述現象的原因在于堿渣的摻入提高了固化土粉末浸出液的pH值，激發了水泥、堿渣、土的重金屬離子交換的化學反應，Pb2+被置換，從而被固定。

3 結論

以堿渣為添加劑，研究水泥固化含鉛重金屬污染土的強度及毒性浸出特性，分析堿渣摻入量對固化土的影響，得出以下結論。

①水泥和堿渣固化含鉛重金屬污染土無側限抗壓強度隨養護齡期的增大逐漸提高，但隨著鉛污染源含量的增大，強度逐漸減小。

②堿渣的摻入提高了水泥固化土的早期無側限抗壓強度，但降低了水泥固化土的長期強度。

③浸出液中Pb2+濃度隨固化劑摻量的增加而減小，但隨著鉛污染源含量的增大而增大。

④堿渣的摻入提高了固化劑對Pb2+的吸附性能，與等量單一水泥相比，其浸出液中Pb2+濃度大幅度降低。

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收稿日期：2023-02-23

基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業務費專項基金項目（TKS20220102）。

作者簡介：邊天奇（1995—），男，本科，工程師，研究方向：環境巖土工程。

通信作者：安曉宇（1988—），男，碩士，高級工程師，研究方向：土工離心模型試驗技術。