重金屬污染土宏微觀工程特性研究

陳 勇 趙 云

（1重慶交通大學， 重慶 400060；2江西理工大學， 江西 贛州 341000）

我國的工業化水平快速發展，同時生活水平的提升，導致土體中重金屬污染的情況日益嚴重。重金屬離子隨著滲濾液進入到土體中相互反應，改變了土體的物質結構和化學組成。目前工程建設中對重金屬污染并不注重，對其處理方法不合理[1]從而導致一系列工程問題。

關于重金屬的污染研究，歐美等發達國家開始的比較早。Ladd 等發現重金屬不會對土體的工性產生較大的影響[2]。在我國，對于重金屬污染土的工程性質及地基處理技術研究起步較晚。夏磊[3]選取Pb2+、Cr3+、Zn2+和合肥地區黏土為研究對象，揭示了重金屬污染土工性變化機理以及建立基于電阻率的重金屬污染土工程性質的評價方法。

本文通過實驗室內制備多種濃度的Fe3+污染液，對原狀土進行浸泡實驗，進而分析重金屬污染土的物理力學性狀的變化，并用掃描電鏡分析微觀的變化，對于更好處理重金屬污染土提供一定的理論支持。

1 污染土實驗

1.1 土樣的選取

試驗用土取自浙江寧波鄞州區貴駟老鎮，為寧波所特有的淤泥質黏土。原狀土樣為灰色，流塑，厚層狀，韌性及干強度高，取樣深度為 6-8米，根據 GB/T 50123-1999土工試驗方法測得原狀土的物理指標如表1所示。

表1 原狀土的的基本物理力學指標

1.2 實驗思路與方法

重金屬污染土含量影響最大為 Fe3+,董少剛[4]和張蓮華[5]對生活垃圾淋濾液研究，發現成分中Fe3+的含量也較大，故選擇F3+為實驗浸泡溶液。原狀土與不同濃度的Fe3+溶液反應，通過各類物理力學實驗以及微觀試驗，研究土樣受污染后的工程性質的變化。

具體實驗方案及步驟：用30cm×2cm規格的環刀切取原狀樣土制成試樣后，兩端貼上濾紙，用透水石蓋住，然后用棉線綁緊，把土樣置于濃度為 2%、4%、8%的FeCl3溶液中，在常溫常壓中靜置浸泡7天。

2 重金屬污染土的物理力學性質的分析

2.1 物理性質分析

2.1.1 試樣浸泡前后外觀變化

試樣在FeCl3溶液浸泡前后外觀發生了明顯的變化，FeCl3溶液浸泡前試塊呈灰黑色，表面平整，有一定光澤；浸泡后土樣表面呈現紅褐色，表面有一定的凹凸不平整的紅褐色斑塊，可觀察到污染土樣土體部分略高于環刀高度。輕按可感覺到土體硬化，但濃度增大到8%后硬度有降低的趨勢。

2.1.2 試樣浸泡前后物理性質比較分析

1）含水量與質量的變化

隨著濃度的增大，含水量逐漸降低，從浸泡在清水溶液中的0.53降低到了0.46，呈現線性關系。稱量土樣的重量發現，隨著污染液濃度的增加質量也隨之增加，濃度越高質量增加越大。

2）液塑限的變化

工程實踐中，液塑限是決定土性質的兩個重要的界限含水量，不同的液塑限反應了土的粒度成分和礦物成分。本文通過液、塑限聯合測定儀得到受污染土樣的液、塑限以及塑性指數的變化。從中可知，隨著污染液濃度的增加，液限從清水浸泡的37.8%到增長到41%，塑限從22.1%增長到24%。由于液限指數增加幅度大于塑限，所以塑性指數也隨著濃度的增大而增大。這樣就可能在工程考察中造成誤判，沒有相應的處理措施導致工程開展不順利。

3）比重

土粒比重的大小決定于礦物成分及有機質含量[6]，是這些含量綜合影響的結果。利用比中瓶法，測得隨著Fe3+濃度的增加，其土粒比重不斷增加。實驗中比重的改變，是隨著有機質含量減小不斷增大的，與黏土礦物影響關系不大。

2.2 試樣浸泡前后力學性質比較分析

2.2.1 抗剪強度

直接快剪是工程中最常規的室內測試土的強度的試驗項目，由于原狀土為淤泥質黏土，滲透系數在10-6cm/s以下，可以采用快剪試驗。

通過試驗發現，抗剪強度變化不明顯。浸泡在2%和4%的污染液中，抗剪強度有穩步上升的趨勢，但幅度不大，8%污染液浸泡土樣的強度反而有下降趨勢。分析其原因，土樣和Fe3+發生反應，生成新的固結物，加強其抗剪強度，而8%濃度時，污染液對剪切面的腐蝕程度過大，抗剪強度反而降低了。

2.2.2 壓縮系數與壓縮模量

隨著 F3+濃度的增大，土的壓縮系數呈現先減小，但在 8%濃度時壓縮系數反而增大，而壓縮模量隨著濃度的增加先上升后減小。總體規律性和抗剪強度相同，預測的原因也與其相同。

3 微觀結構分析

土體物理力學性質變化的根本原因是微觀結構形態的變化，微觀結構變化對宏觀物理力學的影響至關重要。

對比掃描后的圖片可知，未受污染的黏土土體表面光滑，孔隙不大，多為片狀或疊片狀顆粒，堆疊較為緊密，以面一面接觸為主。但在污染液濃度增加的過程中，土體中有大孔隙與塊狀顆粒的結構形成，骨架顆粒變得松散，同時土體結構由平面細小結構轉化為塊狀疊聚結構。

土顆粒與重金屬離子接觸后發生一定的化學反應，重金屬離子的存在使土粒間的膠結物被溶蝕，從而使土體本身孔隙增大，形成較大的空洞。且重金屬離子與土顆粒發生相關化學反應，其生成物中有結晶水，使土體發生膨脹。土體結構發生改變，小孔隙逐漸消失，形成一些大的團粒間孔隙[9]。

3 結束語

綜合上述的實驗結果，可以得到相關信息：

1、土樣在Fe3+溶液中浸泡后有微膨脹的現象，土體表面微硬化，但隨著濃度的增加硬化程度降低。抗剪強度與壓縮模量也是隨著濃度的增加先增大后減小，壓縮系數與之相反。

2、隨著污染液濃度的增長，土的含水量先變低，但液塑限指數與比重隨著溶液濃度的增長而增長。

3、通過微觀試驗可知，隨著溶液濃度的升高，土樣變為由大孔隙與塊狀顆粒的結構組成，形成較大的空洞，并且出現一些大的團粒間孔隙，土體結構由平面細小結構轉化為塊狀疊聚結構。

[1]張學言,閆澍旺.巖土塑性力學基礎[M].天津:天津大學出版社,2006．

[2]Ladd,C.C,Martin,R.T.The Effectsof Pore Fluidon the Un-traind Strength of Kaolin[A].Reportto the U.S Army Corps of Engineers from the Department of Civil Engineering.Massachusetts,1967.

[3]夏磊.重金屬污染土的工程性質試驗研究[D].重慶:重慶交通大學,2014.

[4]董少剛.嘉興垃圾填埋場滲濾液的土柱淋濾實驗研究[J].工程勘察,2010,7,42-45.

[5]張蓮華.城市生活垃圾衛生填埋場填土層工程特性及凈化機理研究[J].地質災害與環境保護,1999,10,129-143.

[6]劉漢龍.酸堿污染土基本物理性質的室內測試研究[J].巖土工程學報,2008,30(8)，1213-1217.