重金屬污染土的工程性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)研究

宋 澤 卓

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

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重金屬污染土的工程性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)研究

宋 澤 卓

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

利用純凈的粘土和重金屬離子溶液，配制了不同含量的重金屬污染土進(jìn)行擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，獲得了相對應(yīng)的最優(yōu)含水率，按照最優(yōu)含水率重新配置土樣，并通過直接剪切等其他工性試驗(yàn)，探討了重金屬的存在對土體工性的影響，在工性試驗(yàn)的同時(shí)，對不同的污染土進(jìn)行SEM掃描，研究了其微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：土中重金屬濃度的增加導(dǎo)致土中粘粒的含量逐漸減小，顆粒團(tuán)聚，出現(xiàn)大孔隙，同時(shí)其工性變差，強(qiáng)度降低。

重金屬污染土，工程性質(zhì)，微觀結(jié)構(gòu)

0 引言

重金屬進(jìn)入土體后會改變污染土的組成成分和微觀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其工程地質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化。因此，對污染土工程性質(zhì)改變的原因進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)該側(cè)重于污染物與土之間的相互作用以及微觀結(jié)構(gòu)兩方面[1]。

美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)從1970年開始對重金屬污染土進(jìn)行研究，這些研究促進(jìn)了重金屬污染土問題的解決。Ladd與Evans等發(fā)現(xiàn)重金屬不會對土體的工性產(chǎn)生較大的影響[2，3]。在中國，傅世法和林頌恩通過壓縮和直剪試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)土被強(qiáng)酸污染后壓縮性和內(nèi)聚力增加、內(nèi)摩擦角減小[4]。

總的來說，目前已有的研究成果主要集中于酸、堿和有機(jī)質(zhì)污染后土體的工程性質(zhì)方面[5-8]，重金屬污染土的工性研究較少。因此，有必要對重金屬污染土的工程性質(zhì)改變進(jìn)行詳細(xì)的研究，為日后形成定量評價(jià)重金屬污染土工程性質(zhì)的檢測方法服務(wù)，同時(shí)為后期治理提供相關(guān)的科學(xué)依據(jù)。

本文通過在室內(nèi)制備一系列不同濃度的重金屬污染土試樣，進(jìn)行工性實(shí)驗(yàn)，分析污染后土體的工程地質(zhì)性質(zhì)的變化。同時(shí)，將土樣進(jìn)行SEM分析實(shí)驗(yàn)，并分析其粘粒含量的變化，探究土體在受到污染后微觀結(jié)構(gòu)的變化。最后，將工性變化與微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行比對，建立聯(lián)系，為重金屬污染土的綜合利用探索道路。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原狀土的基礎(chǔ)物理指標(biāo)

本文試驗(yàn)采用的原狀土為購買的標(biāo)準(zhǔn)粘土，顏色為棕褐色。根據(jù)GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)測得原狀土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 原狀土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

取適量的原狀土放入烘箱，在105 ℃條件下烘烤約24 h。烘烤完成后將土碾碎，過2 mm的篩網(wǎng)。根據(jù)GBT 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將土樣分為六份，分別加入不同含量的水配制成試驗(yàn)所用土樣。

1.2 原狀土的直接剪切試驗(yàn)

對上文配制好的土樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，可以確定原狀土的內(nèi)聚力為14.2 kPa，內(nèi)摩擦角為25.2°。

1.3 污染土樣的制備

本文選擇Pb，Cu和Cr三種元素作為重金屬污染源。污染土由相應(yīng)溶液配制而成，硝酸鉛(Pb(NO3)2)、三水合硝酸銅(Cu(NO3)2·3H2O)和九水合硝酸鉻(Cr(NO3)3·9H2O)為本文使用的土體污染試劑。重金屬離子的濃度梯度為0.01%，0.02%，0.05%，0.1%與1%，采用蒸餾水配制不同濃度的重金屬溶液以盡可能降低干擾。配制好的土樣用保鮮膜密封，放于溫度23 ℃，相對濕度大于70%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)72 h。

2 重金屬污染土的工程地質(zhì)性質(zhì)試驗(yàn)

為了進(jìn)行土體污染前后工性的對比研究，本文對配制好的土樣分別進(jìn)行基本工程地質(zhì)性質(zhì)指標(biāo)的系統(tǒng)室內(nèi)測試。

2.1 直接剪切試驗(yàn)

重金屬污染土試樣在分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa的軸向壓力下進(jìn)行快剪試驗(yàn)。得到不同類型的重金屬污染土內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力與離子濃度的變化曲線，見圖1和圖2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，重金屬使得土體的強(qiáng)度發(fā)生明顯的降低，工程性質(zhì)發(fā)生惡化。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

將配置好的污染土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，污染土最大干密度較原狀土大，而最優(yōu)含水率減小，說明重金屬污染對土體擊實(shí)特性有影響。

土的擊實(shí)特性與土的組成、結(jié)構(gòu)、土粒的表面現(xiàn)象及土粒間的相互作用等因素有關(guān)。當(dāng)重金屬離子加入到凈土中，使原有的土顆粒間的平衡狀態(tài)發(fā)生改變，土顆粒表面的重金屬離子濃度升高，雙電子層厚度變薄，此時(shí)土顆粒間的引力占優(yōu)勢，土體趨于形成絨狀結(jié)構(gòu)[9]，使得土粒結(jié)構(gòu)更易重新排列，從而在總體上使得擊實(shí)效果增強(qiáng)。

3 重金屬污染土的微觀特性試驗(yàn)

3.1 掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)

本文使用型號為Quanta 250的掃描電子顯微鏡對濃度分別為0.01%，0.02%，0.05%的Pb，Cu，Cr污染土進(jìn)行測試。

對比掃描后的圖片可知，在重金屬離子濃度增大的過程中，土體中有大孔隙與塊狀顆粒組成的結(jié)構(gòu)形成，骨架顆粒變得松散。同時(shí)，土樣表面變得粗糙出現(xiàn)較多大顆粒。土體結(jié)構(gòu)由蜂窩狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為塊狀疊聚體結(jié)構(gòu)。

土顆粒與重金屬離子接觸之后會發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)。重金屬離子的存在溶蝕了土粒間的膠結(jié)物，部分鹽類由于水的存在而發(fā)生流失，從而使得土體本身孔隙比增大，形成空洞。再者，重金屬離子與土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其生成物中含有結(jié)晶水，從而使得土體發(fā)生膨脹。同時(shí)由于孔隙中溶液的重金屬離子濃度增大，土粒直徑增大，比表面積減小。并且，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，小孔隙逐漸消失，形成一些大的團(tuán)粒間孔隙[1]。這與試驗(yàn)的結(jié)果相一致，受到重金屬離子污染的土體結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定程度上的變化，這些變化在宏觀上的體現(xiàn)便是，土體壓縮性增大、力學(xué)性質(zhì)發(fā)生惡化。

3.2 粘粒含量測量實(shí)驗(yàn)

顆粒分析試驗(yàn)的目的是對土的粒度成分進(jìn)行分類，同時(shí)在一定程度上該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以推斷土的工程性質(zhì)。土的粒度成分是指土中各顆粒的相對含量。粒徑對土粒的成分和性質(zhì)存在著一定的影響，漂石一般由原生礦物組成，強(qiáng)度較大，透水性強(qiáng)。而由次生礦物組成的粘粒，強(qiáng)度低，壓縮性高，透水性差[10]。

本文采用激光粒度分析儀(Mastersizer 3000)測定各種重金屬污染土試樣的顆粒粒徑及其分布。分析曲線可知：重金屬離子的存在使得土體中粘粒含量降低，下降趨勢保持一致，均為先快后慢，曲線為先陡后緩。

4 結(jié)語

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1)重金屬污染后的土體，其工程地質(zhì)性質(zhì)會發(fā)生較大改變，相較于污染前，抗剪強(qiáng)度降低，擊實(shí)后形變程度增大，擊實(shí)指標(biāo)也發(fā)生了變化。

2)土體受到重金屬污染后，土體的物質(zhì)組成發(fā)生了變化，即隨著重金屬濃度的增大，土體中粘粒的含量降低。

3)隨著重金屬濃度的增大，土壤顆粒逐漸聚集為團(tuán)塊，顆粒間原有的小孔隙消失，出現(xiàn)較多的大孔隙，組成土體骨架的顆粒物質(zhì)變得松散。

[1] 劉志彬，方 偉，陳志龍，等.鋅離子污染對膨潤土一維壓縮特性影響試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2013(8)：2211-2217．

[2] Ladd,C.C., Martin,R.T.The Effectsof Pore Fluidon the Untrained Strengthof Kaolin[A].Reportto the U.S.Army Corpsof Engineers from the Department of Civil Engineering.Massachusetts Instituteof Technology,Cambridge,Massachusetts,1967.

[3] Evans J.C.,Kugelman,I.J., Fang H.Y.Organic Fluids Effectson Strength,Deformation and Permeability of Soil-Bentonite Slurry Walls[A].Proceedings of the Seventeenth Mid-Atlantic Industrial Waste Conference[C].Pennsylvania,1986：275-291.

[4] 傅世法，林頌恩.污染土的巖土工程問題[J].工程勘察，1989(3)：14-16.

[5] 朱春鵬，劉漢龍.污染土的工程性質(zhì)研究進(jìn)展[J].巖土力學(xué)，2007，28(3):625-630.

[6] 朱春鵬，劉漢龍，沈 揚(yáng).酸堿污染土強(qiáng)度特性的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(7):1146-1152.

[7] 朱春鵬，劉漢龍，張曉璐.酸堿污染土壓縮特性的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(10):1477-1483.

[8] 李相然，姚志祥，曹振斌.濟(jì)南典型地區(qū)地基土污染腐蝕性質(zhì)變異研究[J].巖土力學(xué)，2004，25(8):1229-1233.

[9] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京:中國水利水電出版社，1996:9-26.

[10] 李志毅，楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)概論[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2007.

The study on microstructure and engineering properties of heavy metal contaminated soil

Song Zezhuo

(CollegeofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing211100,China)

Using pure standard clay and heavy metal ion solution prepare different content of heavy metal contaminated soil. We obtain the optimum moisture content of the corresponding soil samples after doing the compaction test. We configure soil samples in accordance with the optimal water content, and carry out direct shear tests and other tests to study the influence of heavy metals on soil properties. At the same time, the different polluted soil were scanned by SEM. The main research contents are given as follows: the concentrations of heavy metals in the soil resulted in an increase in clay content decreases, agglomerated particles, big pore, also its industry and trade of variation and the strength decreased.

heavy metal contaminated soil, engineering properties, microstructure

1009-6825(2016)22-0091-02

2016-05-20

宋澤卓(1995- )，男，在讀本科生

TU411

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