磷石膏/木質(zhì)素固化鉛污染土的無側(cè)限抗壓強度

摘要"采用工業(yè)固體廢棄物磷石膏、木質(zhì)素對人工配制鉛污染土進(jìn)行固化處理，通過無側(cè)限抗壓強度（UCS）試驗探究固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對不同程度鉛污染土固化后應(yīng)力-應(yīng)變曲線、破壞形態(tài)及無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律，對比分析兩種固化劑的固化效果，并采用掃描電鏡（SEM）試驗分析土樣固化前后的微觀特性。試驗結(jié)果表明，磷石膏、木質(zhì)素均能增大固化土的無側(cè)限抗壓強度，減小破壞應(yīng)變；固化土的無側(cè)限抗壓強度隨磷石膏摻量增加呈持續(xù)上升趨勢，隨木質(zhì)素?fù)搅吭黾映氏壬仙笙陆第厔荩谎娱L養(yǎng)護(hù)時間能有效提高固化土無側(cè)限抗壓強度。隨固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，土體內(nèi)部膠結(jié)水平提高，土樣破壞形態(tài)從局部張裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐模尸F(xiàn)脆性破壞特征。兩種固化劑固化土效果各有優(yōu)劣，木質(zhì)素對高濃度鉛污染土的固化效果優(yōu)于磷石膏，抵抗變形能力更好，而磷石膏短期內(nèi)提升強度能力及對鉛的固定效果更好。掃描電鏡試驗表明，固化劑可起到填充孔隙、膠結(jié)土顆粒的作用，水化產(chǎn)物在土體內(nèi)形成致密結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為強度增強。

關(guān)鍵詞"磷石膏;"木質(zhì)素;"鉛污染土;"無側(cè)限抗壓強度;"微觀特性

隨著工業(yè)化和城市化發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)，部分工業(yè)生產(chǎn)活動及工業(yè)廠房關(guān)停或搬遷，在城市中置換出了大量重金屬污染場地^[1]。鉛是一種常見的重金屬污染源，可通過物理化學(xué)反應(yīng)改變土體的工程性質(zhì)，亦可通過食物鏈進(jìn)入人體，危害身體健康^[2]，重金屬污染土壤的治理已成為亟須解決的問題^[3]。固化/穩(wěn)定化技術(shù)是常用的重金屬污染場地修復(fù)技術(shù)之一，是當(dāng)前環(huán)境巖土領(lǐng)域的研究熱點^[4]。目前廣泛使用的固化劑有水泥^[5]、石灰^[6]、粉煤灰^[7]等，這些傳統(tǒng)固化劑存在用量大、環(huán)境不友好、生產(chǎn)能耗大、改良土形成強堿環(huán)境等問題^[8]。因此，亟需尋找綠色環(huán)保的固化材料來處理鉛污染土。

國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動方案》提出加強大宗固廢綜合利用。磷石膏和木質(zhì)素均為產(chǎn)量巨大且利用率低的典型固廢材料，在巖土工程中可用于改良特殊土的工程缺陷，替代傳統(tǒng)環(huán)保欠缺型的改良劑^[9]。近年來，學(xué)者們對磷石膏和木質(zhì)素資源化再利用開展大量的試驗研究。Kumar等^[10]對不同養(yǎng)護(hù)齡期下石灰、粉煤灰、磷石膏混合料進(jìn)行抗剪試驗及無側(cè)限試驗，認(rèn)為二灰-磷石膏混合料可應(yīng)用于改良路基。Feng等^[11]將電石渣和磷石膏等材料用于重金屬污染土的固化處理，發(fā)現(xiàn)其強度發(fā)展較好。丁建文等^[12]以工業(yè)廢料磷石膏作為添加劑對高含水率疏浚淤泥進(jìn)行固化，得出固化土的強度與固化材料的摻量近似呈線性遞增關(guān)系，隨齡期增加強度增長先快后慢的結(jié)論。索崇嫻等^[13]、郭明帥等^[14]分別將磷石膏作為復(fù)合固化劑的一種對重金屬污染土進(jìn)行固化/穩(wěn)定化，發(fā)現(xiàn)固化土強度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，且摻加固廢對其強度有明顯改善作用。這些研究表明，磷石膏對土壤的改良以及污染土的固化起到有效的作用，但磷石膏多作為添加劑或復(fù)合固化材料基的其中一種，對于磷石膏單獨固化重金屬污染土起到的效果尚未有定論。Tingle等^[15]使用木質(zhì)素磺酸鹽對粉砂和黏土進(jìn)行改良，結(jié)果表明木質(zhì)素對土體強度的提高效果明顯。Chen等^[16]在使用木質(zhì)素加固砂質(zhì)粉土?xí)r，隨著摻量從0.5%增加到4.0%，抗壓強度先增大后減小，最優(yōu)摻量為2.0%。張濤^[17]通過石灰和木質(zhì)素的對比發(fā)現(xiàn)，在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，12%摻量木質(zhì)素改良土與8%摻量石灰改良土強度基本相當(dāng)。以上研究表明木質(zhì)素也具有固化土壤的作用。目前針對木質(zhì)素加固黏性土、粉土、黃土、淤泥質(zhì)土等有一定的研究，但針對重金屬污染土加固方面尚在起步階段，對固化重金屬污染土的力學(xué)性能缺少系統(tǒng)的研究。

筆者分別選用磷石膏和木質(zhì)素作為土體固化劑，以無側(cè)限抗壓強度為評價指標(biāo)，研究固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對不同程度鉛污染土的強度影響規(guī)律，對比兩種單一固化劑的固化效果，并分析其微觀特性，為大宗固廢修復(fù)重金屬污染場地提供理論支持。

1"試驗

1.1"試驗材料

試驗采用的土樣是人工配制的鉛污染土。素土取自陜西省楊凌示范區(qū)扶楊大道的路基，取土深度約2 m，土樣為黃褐色，質(zhì)感細(xì)膩。土樣取回實驗室后，風(fēng)干，碾碎，剔除植物根系等雜質(zhì)，過2 mm土壤篩，裝袋備用。素土的基本性質(zhì)如表1所示。

《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 36600—2018）^[18]第一、第二類建設(shè)用地鉛離子的管制值為800、2 500 mg/kg，因此，試驗中Pb²⁺濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)選取0.8%、2.5%，即1 kg干土中含有8 g Pb²⁺、25 g Pb²⁺。試驗采用化學(xué)分析純硝酸鉛為鉛污染源，產(chǎn)自廣東光華科技股份有限公司，形態(tài)為白色立方或單斜晶體，易溶于水。

固化劑分別選用磷石膏和木質(zhì)素。磷石膏為灰白色粉末，微溶于水，取自某建筑工地，主要成分見表2。木質(zhì)素選用上海源葉生物科技有限公司生產(chǎn)的木質(zhì)素磺酸鈣，形態(tài)為淺黃色至深棕色粉末，略有芳香氣味，易溶于水，木鈣含量為96%。木質(zhì)素粉末細(xì)膩無須過篩，為防止磷石膏在土體中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，將其過0.075 mm篩后使用。

根據(jù)以往研究經(jīng)驗^[19-20]，磷石膏摻量選取0、2.0%、3.5%、5.0%、6.5%，木質(zhì)素?fù)搅窟x取0、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%，摻量按固化劑占干土質(zhì)量百分比計算。試樣的控制含水率取18%（略大于土體最優(yōu)含水率與固化劑完全水解反應(yīng)所需水量理論值之和），干密度控制為1.72 g/cm³，養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)定為1、7、28 d。

1.2"試樣制備及測試方法

1.2.1"試樣制備

根據(jù)土的最優(yōu)含水率，量取一定量的去離子水，根據(jù)鉛濃度不同分別稱取一定質(zhì)量的硝酸鉛，用磁力攪拌機將硝酸鉛充分溶解于去離子水中，得到硝酸鉛溶液。將設(shè)計摻量的磷石膏、木質(zhì)素與干土充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑢⑾跛徙U溶液倒入土樣中，再次攪拌10 min。直至攪拌均勻。未摻加固化劑的鉛污染土樣為空白樣。采用靜壓壓實制成直徑為4 cm、高為8 cm的柱狀試樣，脫模后放入密封袋中，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)（溫度為22 oC，相對濕度大于70%）至預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期。

1.2.2"測試方法

固化污染土試樣養(yǎng)護(hù)后取出，參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）^[21]進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗設(shè)備采用YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀，上升速率為1 mm/min，每組試樣測試3個平行樣取平均值。

毒性浸出試驗參照《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）^[22]進(jìn)行，浸出液的鉛離子濃度采用火焰原子吸收光譜法測試，試驗設(shè)備為PinAAcle900型原子吸收分光光度計。

掃描電鏡（SEM）試驗采用日本日立S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，選取養(yǎng)護(hù)齡期7 d空白組鉛污染土樣、固化強度最優(yōu)土樣，取截斷面約為 1 cm²大小的試塊，采用真空冷凍干燥儀-50 ℃急凍真空干燥處理24 h，選取有代表性的新鮮斷面，噴金后對樣品進(jìn)行掃描拍攝。

2"試驗結(jié)果與分析

2.1"磷石膏對鉛污染土無側(cè)限抗壓強度的影響

2.1.1"固化土應(yīng)力-應(yīng)變特征

不同摻量、養(yǎng)護(hù)齡期下磷石膏固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。試驗結(jié)果表明，不同磷石膏摻量下固化土應(yīng)力均隨應(yīng)變增大先增大后減小，曲線到達(dá)最高點后土樣開始破壞，此時應(yīng)力為峰值應(yīng)力，即土樣的無側(cè)限抗壓強度。未固化鉛污染土應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)塑性特征，峰值不明顯，無側(cè)限抗壓強度較小，壓縮過程緩慢，破壞應(yīng)變較大。隨著磷石膏摻量和養(yǎng)護(hù)齡期增加，土樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化和脆性破壞特征。不同摻量下固化土在彈性階段內(nèi)的斜率均大于鉛污染土，固化土在彈性階段持續(xù)時間較短，且摻量越大斜率越大，強度提升越快，達(dá)到無側(cè)限抗壓強度最大值所需的時間越短。

當(dāng)磷石膏摻量由0增至6.5%，0.8%鉛污染固化土養(yǎng)護(hù)1 d時破壞應(yīng)變由4.8%減小到4.2%，峰值應(yīng)力由204 kPa增大到327.5 kPa；養(yǎng)護(hù)7 d時破壞應(yīng)變由4.5%減小到3.6%，峰值應(yīng)力由218.98 kPa增大到480.62 kPa；養(yǎng)護(hù)28 d時破壞應(yīng)變由4.5%減小到3.2%，峰值應(yīng)力由253.75 kPa增大到552.82 kPa。齡期越長，破壞應(yīng)變越小，應(yīng)變減少幅度越大，峰值應(yīng)力及抵抗變形的能力越大。2.5%鉛污染土及磷石膏固化土破壞應(yīng)變均略大于0.8%鉛污染土及固化土，抵抗變形能力略差，但固化后峰值應(yīng)力相當(dāng)。

值得注意的是，從圖1（a）、（b）、（e）可以看出，磷石膏摻量為2.0%、3.5%、5.0%的固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近，摻量增大到6.5%時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化較大，分析原因為：磷石膏中的CaSO₄·2H₂O水化后形成Ca²⁺和SO₄^2-，與土樣內(nèi)部或固化劑組分的含鋁相反應(yīng)生成鈣礬石。磷石膏呈酸性，摻入土體后，pH值降低，鈣礬石晶體由小變大，由集結(jié)在顆粒表面的細(xì)小晶體變?yōu)閱蝹€晶體。當(dāng)磷石膏摻量較少時，水化形成的Ca²⁺一部分在土顆粒表面發(fā)生離子交換反應(yīng)，孔隙液Ca²⁺含量較低，而體系中存在足量SO₄^2-，單個的鈣礬石晶體會向單硫型硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化，鈣礬石不穩(wěn)定，故強度增長不明顯。0.8%鉛污染土在1、7 d齡期磷石膏摻量達(dá)到6.5%時鈣礬石生成量及穩(wěn)定性較高，強度有較大提升；2.5%鉛污染土比0.8%鉛污染土pH值更小，單個鈣礬石晶體更不穩(wěn)定，故需要更長的養(yǎng)護(hù)齡期和磷石膏摻量使強度大幅提升。

由以上結(jié)果分析可見，磷石膏可以有效提高鉛污染土的力學(xué)性能，這是因為隨著磷石膏摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水化產(chǎn)物增加，可對土樣內(nèi)部孔隙起到填充作用，減小孔隙率，使膠結(jié)強度顯著提升，較大的膠結(jié)強度增強了顆粒間的黏結(jié)力，提高了固化土抵抗應(yīng)力的能力，同時，膠結(jié)水平越高，土樣的脆性越顯著。

2.1.2"固化土表面破壞形態(tài)分析

選取0、2.0%、6.5%磷石膏固化0.8%鉛污染土（2.5%鉛污染土破壞形態(tài)類似）的照片分析其破壞形態(tài)，如表3所示。由表3可知，低摻量下破壞形態(tài)表現(xiàn)為局部張裂破壞或鼓脹破壞，隨著摻量的增加，縱向裂紋逐步發(fā)展，表現(xiàn)為貫通破壞至剪切破壞，破壞脆性逐漸增大，裂縫形態(tài)逐漸由劈裂裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閅形裂縫，斜向裂紋逐漸發(fā)展貫通成剪切破壞面；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，裂縫明顯增多，破壞范圍更廣，大裂隙更明顯且破壞面更趨于不規(guī)則。

當(dāng)摻量和齡期較小時，水化產(chǎn)物較少，土樣破壞機制主要為顆粒間的滑動和錯位，表現(xiàn)為塑性破壞。隨著摻量和齡期增大，水化產(chǎn)物增加，膠結(jié)水平提高，破壞機制由顆粒間的滑動錯位變?yōu)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，土樣破壞模式從局部張裂或鼓脹逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨炌ㄆ茐暮图羟衅茐模翗討?yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特性，宏觀表現(xiàn)為破壞脆性增大^[23]。

2.1.3"摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響

圖2為磷石膏固化土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。由圖2可知，相同齡期下隨著磷石膏摻量的增加，無側(cè)限抗壓強度增大，當(dāng)磷石膏摻量為6.5%時，兩種鉛污染固化土的無側(cè)限抗壓強度分別取得最大值552.82、549.85 kPa（28 d）；當(dāng)磷石膏摻量一定時，隨養(yǎng)護(hù)齡期延長，固化土的無側(cè)限抗壓強度提升。

由圖2強度變化曲線可知，固化土前期強度提升較快，效果較明顯，齡期延長，無側(cè)限抗壓強度提升速率變緩，且高濃度鉛污染土放緩趨勢更明顯。0.8%鉛污染土固化后強度增長幅度由1.61倍（1 d）提升至2.19倍（7 d），28 d時降為2.18倍；2.5%鉛污染土固化強度增長幅度由1.55倍（1 d）提升至2.24倍（7 d），28 d時降為2.19倍。這說明磷石膏摻入土體后可以快速發(fā)生反應(yīng)，有效膠結(jié)土顆粒，使土體強度快速增強，磷石膏對固化土的早強作用在工程上很有意義，可以加快施工進(jìn)度。

強度的變化與鈣礬石的生成含量有關(guān)，隨著摻量的增加，固化土中Ca²⁺的含量也大大增加，Ca²⁺是鈣礬石生成的先決條件，Ca²⁺的含量增加促進(jìn)了鈣礬石的生成^[24]，鈣礬石在一定范圍內(nèi)可以強化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高土樣的強度。

但過多的鈣礬石會產(chǎn)生膨脹作用，破壞已有的凝膠體，導(dǎo)致固化土強度降低。補充10%、20%磷石膏摻量固化0.8%鉛污染土7 d無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果如圖3所示。圖中曲線斜率逐段減小，即強度提升速率減慢，10%磷石膏固化土7 d無側(cè)限抗壓強度為559.26 kPa，較6.5%磷石膏固化土無側(cè)限抗壓強度（480.62 kPa）增長率為16.36%/3.5=4.67%，而6.5%磷石膏固化土較5.0%磷石膏固化土強度（446.19 kPa）增長率為7.72%/1.5=5.14%，隨摻量增加強度增長率下降（增長率按照摻量每增加1%計算）；20%磷石膏固化土出現(xiàn)無側(cè)限抗壓強度略降低現(xiàn)象，與丁建文等^[12]的試驗結(jié)果相吻合。由此可知，磷石膏摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對固化鉛污染土的無側(cè)限抗壓強度具有一定影響，可通過適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)齡期、控制磷石膏用量，達(dá)到適宜的固化效果。

2.2"木質(zhì)素對鉛污染土無側(cè)限抗壓強度的影響

2.2.1"固化土應(yīng)力-應(yīng)變特征

不同摻量、養(yǎng)護(hù)齡期下木質(zhì)素固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。土樣破壞應(yīng)變隨摻量增加表現(xiàn)出先降后升的規(guī)律，隨養(yǎng)護(hù)齡期增加略有減小，固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化和脆性破壞特征。0.8%鉛污染土固化樣養(yǎng)護(hù)1 d時，僅0.5%木質(zhì)素固化土在彈性階段內(nèi)的斜率小于空白鉛污染土，其他摻量下均大于空白樣，且固化土在彈性階段持續(xù)時間較短，2.0%木質(zhì)素?fù)搅肯碌男甭首畲螅瑥姸忍嵘羁臁ｐB(yǎng)護(hù)7 d時，除3.0%木質(zhì)素固化土在彈性階段內(nèi)斜率略小于空白樣外，其他摻量斜率均大于空白樣；前期0.5%木質(zhì)素固化土斜率最大，中后期斜率逐漸減小，2.0%木質(zhì)素固化土斜率逐步增大，斜率及強度均達(dá)到最大值。養(yǎng)護(hù)28 d時，仍在2.0%木質(zhì)素?fù)搅繒r取得軸向應(yīng)力最大值，3.0%木質(zhì)素固化土峰值應(yīng)力僅大于空白樣，強度迅速降低。2.5%鉛污染土各個齡期不同摻量固化土在彈性階段內(nèi)斜率均大于空白鉛污染土，固化土與未固化污染土斜率差距較大，說明木質(zhì)素對高濃度污染土強度提升效果更好。

對于0.8%鉛污染固化土的應(yīng)力應(yīng)變大小隨木質(zhì)素?fù)搅吭黾印B(yǎng)護(hù)齡期延長有以下變化規(guī)律：養(yǎng)護(hù)1 d時，0～2.0%摻量下破壞應(yīng)變從4.8%減小到3.9%，峰值應(yīng)力由204 kPa增大到261.71 kPa，當(dāng)摻量增大到3.0%時，破壞應(yīng)變略上升至4.2%，峰值應(yīng)力減小到210.58 kPa；養(yǎng)護(hù)7 d時，0～2.0%摻量下破壞應(yīng)變從4.5%減小到3.5%，峰值應(yīng)力由218.98 kPa增大到285.38 kPa，摻量增大到3.0%時，破壞應(yīng)變上升至3.8%，峰值應(yīng)力減小到224.68 kPa；養(yǎng)護(hù)28 d時，0～2.0%摻量下破壞應(yīng)變從4.5%減小到3.2%，峰值應(yīng)力由253.75 kPa增大到452.3 kPa，木質(zhì)素?fù)搅吭龃蟮?.0%時，破壞應(yīng)變上升至3.5%，峰值應(yīng)力減小到334.98 kPa。

2.5%鉛污染固化土的應(yīng)力應(yīng)變大小隨摻量、養(yǎng)護(hù)齡期的變化趨勢與0.8%鉛污染土類似，但各個齡期峰值應(yīng)力均大于0.8%鉛污染固化土，且養(yǎng)護(hù)7 d時應(yīng)力就有顯著提升，而0.8%鉛污染固化土應(yīng)力需養(yǎng)護(hù)28 d才有明顯增大。由上可知，在0～2.0%木質(zhì)素?fù)搅糠秶鷥?nèi)，齡期越長，破壞應(yīng)變越小，應(yīng)變減少幅度、軸向應(yīng)力、抵抗變形的能力越大。但3.0%木質(zhì)素?fù)搅康钠茐膽?yīng)變均有所回彈，軸向應(yīng)力減小，這是因為一定摻量的木質(zhì)素可以填充土體孔隙，提高應(yīng)力，木質(zhì)素?fù)搅窟^多會優(yōu)先與自身結(jié)合，削弱土顆粒間的聯(lián)結(jié)，從而暴露出較多孔隙^[20]，說明高木質(zhì)素?fù)搅繒a(chǎn)生一定的不利影響。

綜上所述，木質(zhì)素可以在一定摻量范圍內(nèi)有效提高鉛污染土的力學(xué)性能，最優(yōu)摻量為2.0%，且木質(zhì)素對高濃度污染土固化效果更好。短齡期木質(zhì)素?fù)搅枯^少時，土體孔隙不能被木質(zhì)素填滿，改良效果不顯著^[25]；長齡期時，過高的摻量會使木質(zhì)素在土體中殘留，代替土顆粒位置，形成較大孔隙，反而使應(yīng)力降低。因此在短齡期條件下提高摻量以及在低摻量下延長齡期均可獲得較好的固化效果。

2.2.2"固化土表面破壞形態(tài)分析

木質(zhì)素固化土無側(cè)限抗壓強度試驗中典型土樣破壞形態(tài)見表3，僅選取0、0.5%、2.0%木質(zhì)素固化0.8%鉛污染土（2.5%鉛污染土破壞形態(tài)類似）的照片。由表3可知，低木質(zhì)素?fù)搅肯缕茐男螒B(tài)表現(xiàn)為局部張裂破壞或鼓脹破壞，隨摻量增加逐步演變?yōu)榭v向裂紋，發(fā)展為貫通破壞至剪切破壞，脆性增大，裂縫形態(tài)逐漸由劈裂裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閅形裂縫并貫穿整個土柱，斜向裂紋逐漸發(fā)展貫通成剪切破壞面；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，局部張裂或鼓脹破壞范圍更大，并逐漸發(fā)展成縱向裂紋，且齡期增長裂隙更長更顯著，剪切破壞面角度增大，28 d剪切破壞面接近45°。

木質(zhì)素會與土中礦物相互作用，形成具有膠結(jié)性質(zhì)的正電荷聚合物，不同膠結(jié)水平土樣的破壞模式存在差異，養(yǎng)護(hù)時間越長，膠結(jié)水平越高，試樣的脆性越顯著。

2.2.3"摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響

圖5為木質(zhì)素固化土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。由圖5可知，相同齡期下隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾樱瑹o側(cè)限抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)木質(zhì)素?fù)搅繛?.0%時，無側(cè)限抗壓強度最大，兩種鉛污染固化土的無側(cè)限抗壓強度分別取得最大值452.3、510.24 kPa（28 d）；0.8%鉛污染固化土強度提升為空白樣的1.28～1.78倍，2.5%鉛污染固化土提升為固化前的1.45～2.17倍。對比可知，木質(zhì)素對不同程度鉛污染土的固化效果略有不同。固化土的無側(cè)限抗壓強度均隨養(yǎng)護(hù)齡期延長而增強，低濃度鉛污染土在短齡期下（1、7 d）的強度增長緩慢，28 d養(yǎng)護(hù)齡期下的強度大幅提高；而高濃度污染土在7 d時強度提升幅度與28 d接近，前期強度快速增長，后期強度增幅減緩，該試驗結(jié)果與Kong等^[26]使用木質(zhì)素固化淤泥時結(jié)果一致。

短齡期低摻量下，無側(cè)限抗壓強度較空白樣略有減小，原因可能是木質(zhì)素在土體中反應(yīng)的時間不足，木質(zhì)素發(fā)揮其膠結(jié)作用需要一定時間，但由于其本身占據(jù)了土體結(jié)構(gòu)中的位置，且強度未達(dá)到極值，故導(dǎo)致該種條件下的無側(cè)限抗壓強度較小。這說明木質(zhì)素與傳統(tǒng)固化劑具有一定的差異性，在土體中完全反應(yīng)是一個較緩慢的過程，摻入土體后需要一定的養(yǎng)護(hù)時間才可發(fā)揮作用。

3"磷石膏、木質(zhì)素固化效果分析

3.1"固化土無側(cè)限抗壓強度對比分析

圖6為兩種固化劑不同摻量不同齡期條件下對兩種鉛污染土無側(cè)限抗壓強度固化效果對比圖。由圖6可知，兩種固化劑的加固效果存在差異。磷石膏固化土各個齡期無側(cè)限抗壓強度隨固化劑摻量增加始終呈上升趨勢，上升速率隨摻量增加略有變化；而木質(zhì)素固化土各個齡期無側(cè)限抗壓強度隨固化劑摻量增加均呈一個先上升后下降的趨勢，0.8%鉛污染固化土低齡期時甚至出現(xiàn)先降后升再降的波動規(guī)律，無側(cè)限抗壓強度-摻量變化曲線存在一個極大值，對應(yīng)木質(zhì)素最優(yōu)摻量為2.0%。從曲線疏密程度可知，低濃度污染土采用磷石膏固化可以在短時間（7 d）內(nèi)迅速發(fā)生反應(yīng)提升強度，而木質(zhì)素則需要較長時間（28 d）才能發(fā)揮作用；對于高濃度污染土，磷石膏固化強度隨養(yǎng)護(hù)時間延長穩(wěn)定提升，木質(zhì)素前7 d對固化土強度提升較大，7～28 d增速放緩。

選取具有代表性的齡期（7 d）下兩類固化土無側(cè)限抗壓強度進(jìn)行對比分析，如圖7。磷石膏對低濃度污染土的固化效果整體優(yōu)于高濃度污染土，木質(zhì)素則相反，其對高濃度污染土固化效果更優(yōu)。相同摻量（2.0%）條件下，0.8%鉛污染土磷石膏固化土強度大于木質(zhì)素固化土，2.5%鉛污染土木質(zhì)素固化土強度大于磷石膏固化土。磷石膏固化土的最大無側(cè)限抗壓強度（485.13 kPa）在6.5%摻量時取得，木質(zhì)素固化土強度最大值（471.24 kPa）在摻量2.0%處取得，超過2.0%后強度下降，根據(jù)這種強度變化規(guī)律，木質(zhì)素?fù)搅繛?.5%時固化土強度一定小于6.5%磷石膏固化土，即磷石膏固化土所能達(dá)到的無側(cè)限抗壓強度最大值明顯大于木質(zhì)素固化土。

從兩種固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分析可得，木質(zhì)素固化土的破壞應(yīng)變范圍為3.2%～4.6%，磷石膏固化土破壞應(yīng)變范圍為3.2%～4.5%，各個齡期木質(zhì)素固化土整體破壞應(yīng)變均略小于磷石膏固化土，即木質(zhì)素固化土抵抗變形能力優(yōu)于磷石膏固化土。對比兩種固化土破壞形態(tài)，破壞模式、裂縫種類基本一致，木質(zhì)素固化土縱向貫通裂縫更多更深，但剪切破壞時剪切面角度較小。

綜上，兩種固化劑固化土效果各有優(yōu)劣。磷石膏提升強度能力更好，高摻量下可以達(dá)到的強度最大值大于木質(zhì)素固化土，且磷石膏在土體中的反應(yīng)速度更快，7 d內(nèi)強度迅速提升；木質(zhì)素對于高濃度污染土的固化強度優(yōu)于磷石膏，破壞應(yīng)變小，抵抗變形能力更強，但對于固化土強度提高有限，存在最優(yōu)摻量，高摻量下的固化效果反而減弱。兩類固化土養(yǎng)護(hù)7 d后均滿足美國環(huán)境保護(hù)局（US EPA）所規(guī)定的固化后土樣無側(cè)限抗壓強度需要到350 kPa的要求^[27]。

3.2"固化土溶出性能評價

為定量評價兩種固化土所含重金屬的環(huán)境安全性，開展7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期時6.5%磷石膏、2.0%木質(zhì)素?fù)搅肯鹿袒良翱瞻足U污染土的毒性浸出試驗，探究兩類不同鉛濃度固化土的溶出性能。

圖8為兩種固化劑固化土浸出液鉛離子濃度變化規(guī)律。由圖8可知，兩種固化劑均可有效固穩(wěn)Pb²⁺，減少Pb²⁺溶出。2組空白鉛污染土浸出毒性濃度分別為9.65、25.52 mg/L，均超過《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）^[28]規(guī)定的危險廢棄物標(biāo)準(zhǔn)（5 mg/L）。對于0.8%鉛污染土，6.5%磷石膏固化土養(yǎng)護(hù)7 d時滿足標(biāo)準(zhǔn)，養(yǎng)護(hù)28 d時浸出鉛離子濃度較7 d時增長近1倍，原因是鈣礬石對Pb²⁺固穩(wěn)效果起主要作用，磷石膏固化土土體孔隙溶液pH值較低，鈣礬石不能穩(wěn)定存在，齡期增長，部分鈣礬石快速生成又分解轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)，對鉛離子的固化作用下降，表現(xiàn)為28 d時Pb²⁺浸出濃度比7 d時成倍增長^[29]，這也與前文磷石膏固化土7 d內(nèi)強度迅速提升，7 d后速率放緩的試驗結(jié)果相對應(yīng)。對于2.5%鉛污染土，由于初始鉛濃度較高，需加大磷石膏用量，才能使磷石膏固化土鉛溶出量滿足標(biāo)準(zhǔn)。

養(yǎng)護(hù)齡期為木質(zhì)素固化土溶出性能的重要影響因素。2.0%木質(zhì)素固化兩種濃度鉛污染土在7 d時浸出液鉛離子濃度有所降低，但不滿足標(biāo)準(zhǔn)，木質(zhì)素本身具有對Pb²⁺的吸附作用，另外木質(zhì)素在土體中生成的膠凝物質(zhì)包裹膠結(jié)Pb²⁺，降低了Pb²⁺浸出量，Pb²⁺溶出量越來越少，28 d時兩種濃度鉛污染土Pb²⁺浸出濃度分別為4.78、5.27 mg/L，基本滿足浸出液中Pb²⁺濃度限值。

4"固化土微觀特性分析

采用掃描電鏡試驗觀察鉛污染土固化前后微觀變化，探究磷石膏、木質(zhì)素固化機理。選取0.8%鉛污染土和6.5%磷石膏、2.0%木質(zhì)素固化0.8%鉛污染土3種代表性土樣，養(yǎng)護(hù)7 d后分別放大300倍和3 000倍進(jìn)行電鏡掃描，試驗結(jié)果如圖9所示。300倍下可觀察污染土及固化土整體孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒排布的分布特征，3 000倍下可觀察土體顆粒間的膠結(jié)狀態(tài)與土體單元體形態(tài)及連接變化情況。

放大300倍圖像中可以清晰地看出，0.8%鉛污染土存在一條大的貫穿裂縫，且土顆粒之間存在較大的孔隙，顆粒之間的連接不緊密，土體結(jié)構(gòu)整體性不好。加入磷石膏、木質(zhì)素后，土顆粒之間的大孔隙被填充，僅有少量微裂縫和小孔隙，顆粒之間緊密連接形成一個整體，故無側(cè)限抗壓強度增大。觀察放大3 000倍的圖像發(fā)現(xiàn)，未固化鉛污染土土顆粒之間的連接方式多為點-點接觸，有較稀疏的十字骨架形成的空間結(jié)構(gòu)，受力后易發(fā)生破壞。

對于磷石膏固化土，SO₄^2-含量充足，鈣礬石多以柱狀形態(tài)存在。圖9（d）右側(cè)部分可以明顯地看到大量的柱狀鈣礬石，體積較大、較均勻地填充在土顆粒之間的孔隙中，并起到連接作用^[29]，右側(cè)土體已經(jīng)形成致密整體結(jié)構(gòu)；磷石膏同時還可提供Ca²⁺，與土顆粒表面K⁺、Na⁺發(fā)生離子交換，使土體雙電層變薄，縮小礦物層間距，土顆粒間距減小、引力增強導(dǎo)致土顆粒更容易團(tuán)聚成團(tuán)粒，增強了土體的整體性。

圖9（f）為木質(zhì)素固化土，由于木質(zhì)素中的磺酸基具有大分子集團(tuán)特性，使木質(zhì)素?fù)饺胪馏w后生成膠結(jié)物質(zhì)，并與周圍土顆粒形成“橋連”結(jié)構(gòu)或空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)^[30]，加強了土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，宏觀上也表現(xiàn)為土樣強度提高和抵抗變形能力增強，且木質(zhì)素為最優(yōu)摻量時，橋接作用最顯著，鑲嵌最密實，此時固化土力學(xué)性能最佳。

5"結(jié)論

采用工業(yè)固體廢棄物磷石膏、木質(zhì)素對鉛污染土進(jìn)行固化處理，通過無側(cè)限抗壓強度試驗，探究了固化劑摻量、齡期對兩種不同濃度鉛污染固化土的無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律：

1）磷石膏、木質(zhì)素均能增大鉛污染土的無側(cè)限抗壓強度，減少破壞應(yīng)變，增強抵抗變形的能力。磷石膏固化鉛污染土無側(cè)限抗壓強度隨摻量增加呈現(xiàn)上升趨勢，木質(zhì)素固化土無側(cè)限抗壓強度隨摻量增加呈先上升后下降趨勢，最優(yōu)摻量為2.0%。隨養(yǎng)護(hù)齡期增長兩類固化土無側(cè)限抗壓強度均增大。

2）兩種固化劑固化效果各有優(yōu)劣，木質(zhì)素對于高濃度污染土的固化效果優(yōu)于磷石膏，抵抗變形能力更好，但對于固化土強度提高有限，磷石膏固化土所達(dá)無側(cè)限抗壓強度最大值大于木質(zhì)素固化土，兩者摻入土中磷石膏比木質(zhì)素反應(yīng)速度更快，兩種固化劑均能有效固穩(wěn)Pb²⁺，減少Pb²⁺浸出濃度。

3）通過SEM試驗分析可得，固化劑對土顆粒孔隙有一定的填充作用，磷石膏固化土生成的水化產(chǎn)物鈣礬石在土體內(nèi)形成致密的整體結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素固化土可生成膠結(jié)物質(zhì)并與周圍土顆粒形成“橋連”結(jié)構(gòu)，宏觀上均表現(xiàn)為力學(xué)性能增強。

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