有機污染土固化強度及電阻率特性

劉 霖，張永鵬，陳 晨

(1.內蒙古工業大學土木工程學院，呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，呼和浩特 010051)

中國煤炭資源豐富，煤化工產業眾多，伴隨著許多污染問題，如煤化工廢水處理不當，廢水中有機污染物難被降解，如酚類、多環芳香族化合物、苯類等有害物質進入周圍土壤，污染土壤。為使污染土基再利用，采用固化處理法處理污染土，固化土具有良好的力學特性，可作為地基及路基的基礎性建筑材料。

固化/穩定化是處理污染場地的重要方法，利用外摻劑固化污染土壤，將污染物穩定在固化土之內，防止污染物擴散。固化土電阻率是其固有物理參數，其主要受固化土內部孔隙及含水量變化的影響。在污染場地，通過測試由于污染物的存在使得固化污染土電阻率變化情況，得到固化土內部孔隙及含水量變化，進而分析污染場地處理情況。杜盼曉等[1]研究發現隨Zn2+、Cu2+、Pb2+含量增加，固化土強度逐漸降低。董曉強等[2]以生活污水、造紙廠污水為污染物，考慮強度、電阻率、污染物含量及養護齡期四者關系，研究表明水泥土強度隨電阻率增加而增大，電阻率和強度均隨著齡期增加而增大，污染物存在降低水泥土抗壓強度和電阻率。Chen等[3]研究表明，水泥固化Pb(NO3)2污染土，隨著水泥水化反應的發展，電阻率隨著養護齡期增加、孔隙度及飽和度降低而增大。米棟云等[4]研究水泥土電阻率及強度特性，研究發現隨養護齡期增加，電阻率及強度均呈現增長趨勢。劉子文等[5]發現土體電阻率隨含水率的增加而減小。儲亞等[6]研究表明重金屬污染黏性土電阻率隨孔隙濕密度和體積含水量的增大呈指數函數減小。黃鳳鳳等[7]和張少華等[8]考慮固化土電阻率與電流頻率兩者關系，數據顯示，固化土電阻率隨電流頻率的增加而明顯降低。Liu等[9]分析不同養護齡期柴油污染高嶺土的電阻率特性，研究表明柴油污染的高嶺土的電阻率一般隨著含油量的增加而減小。張輝[10]對石油烴類污染土壤電阻率進行測試，其研究發現石油烴類污染物是引起電阻率變化的主要因素。章定文等[11]將Archie 電阻率公式擴展應用到固化重金屬污染土領域，固化土電阻率與強度之間近似服從冪函數關系。

目前中外主要針對重金屬污染土進行研究，對有機污染物土研究較少。現通過一系列室內強度及電阻率試驗，分析水泥固化有機污染土電阻率及無側限抗壓強度與污染物含量、齡期之間的關系，建立預測任意有機污染物含量和任意齡期固化物電阻率公式，無側限抗壓強度與電阻率的擬合方程。通過檢測固化土電阻率，間接反映污染場地固化效果。對固化有機物污染場地，污染土壤再利用提供基礎性理論研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用有機物污染土通過人工室內制備，試驗選用砂土粒徑分析見表1，基本物理指標見表2。利用腐植酸(humic acid，HA)代替煤制氣廢水中有機污染物。煤制氣廢水主要從煤氣的洗滌、冷凝和分餾中產生，而煤類物質為腐殖酸原料兩大來源之一，且兩者官能團基本一致，如羧基、羥基、羰基、醌基、甲氧基、多環芳香族化合物和含氧、硫的雜環化合物。

表1 砂土顆粒粒徑分析

表2 砂土基本物理指標

1.2 試樣制備

綜合考慮煤制氣廢水中的污染物含量，腐殖酸含量見表3，水泥及水的摻量分別為10%和20%。根據砂土、腐殖酸、水泥及水四者摻量比例，制備試驗所需立方體試樣，放進標準養護室(設定溫度為20 ℃，濕度為90%)進行養護，養護齡期為7、14、28、60、90 d。

表3 腐殖酸含量

1.3 試驗方案

采用LCR數字電橋進行電阻率測試，試驗前將不同養護齡期及污染物含量的試塊表面打磨平整，在表面涂抹一層導電膏，將銅電極板清洗打磨，減小電阻接觸，并將其粘在相對的兩表面，電阻率測試時頻率為50 Hz，待數字電橋數穩定后記錄數據，分別測試試塊三個相對表面，取三者平均值，為試驗所需電阻率數值。

加載速率為0.5 kN/s，測試每組三個平行試塊無側限抗壓強度，其平均值為試驗所需值。對上述試驗數據整理，分析無側限抗壓強度、電阻率、齡期及污染物含量之間關系。

2 試驗結果及分析

2.1 水泥固化有機污染物的電阻率特性

2.1.1 電阻率同污染物含量的關系

通過對不同污染物含量試樣進行電阻率測試，變化規律及擬合曲線如圖1所示。由圖1可知，試樣在任一養護齡期，隨污染物含量增加，電阻率逐漸降低；污染物含量與電阻率呈良好的三次函數關系。腐殖酸有較強的吸水能力，最大吸水量可以超過500%，其官能團羧基(—COOH)和羥基(—OH)使得土粒帶有負電荷，增強腐殖酸的吸水能力，且腐殖酸的存在改變固化土結構，導致孔隙增加[12]。因此，隨腐殖酸含量增加，固化土含水率及孔隙比增加，孔隙水也隨之增加，腐殖酸組分官能團中H+發生解離，可與水泥水化反應產物Ca2+、Al3+進行交換，削弱水泥的固化效果，導致固化土不密實，孔隙率增大，從而使得電阻率減小[11]。電阻率在污染物含量為2%之后趨于平緩，為1%～2%，電阻率變化較大。

圖1 污染砂土固化物電阻率與污染物含量關系

圖2 污染砂土固化物電阻率與齡期關系

2.1.2 電阻率同齡期的關系

電阻率與養護齡期的關系及擬合曲線如圖2所示，擬合效果呈良好的對數關系。可知：對任何腐殖酸含量固化土，隨養護齡期增加，電阻率逐漸增大。在養護過程中，固化土內水泥水化反應逐漸完成，產生的水化產物填充于孔隙中，孔隙率及含水率逐漸減小，固化土內孔隙結構逐漸密實，電阻率增大。7～28 d養護齡期，固化土電阻率增長較快，28 d后電阻率變化趨于平穩；在養護后期，固化土含水率變化較小，齡期增加對電阻率影響較弱。污染物含量為4%時，電阻率隨養護齡期增加，變化趨勢較為平緩，說明高污染物含量對水泥水化反應抑制較強，固化土內孔隙率及含水率變化緩慢，固化土電阻率隨齡期增加，增長較慢。

2.2 水泥固化有機物污染土的強度特性

2.2.1 無側限抗壓強度同腐殖酸含量關系

固化土無側限抗壓強度隨腐殖酸污染物含量變化發展規律如圖3所示。由圖3可知，任意養護齡期，隨污染物含量增大，無側限抗壓強度逐漸減小。腐殖酸具有較強吸水能力，且腐殖酸為大分子有機物質，其主要官能團中H+與水化產物中陽離子發生離子交換，產物包裹水泥顆粒，阻礙水泥水化反應，水化產物減少，固化土內部膠結力減弱，孔隙比增加。說明腐殖酸的存在，弱化水泥固化效果，試樣無側限抗壓強度降低[13-14]。同一齡期，較于其他低污染物含量，HA4固化土強度降低最大，養護齡期為60 d時，HA4抗壓強度較于HA2降低18.3%，說明高污染物含量對水泥水化反應影響較大，固化效果削弱較為明顯。

圖3 污染砂土固化物無側限抗壓強度與污染物含量關系

2.2.2 無側限抗壓強度同養護齡期關系

固化土無側限抗壓強度與養護齡期關系如圖4所示。污染物含量一定時，隨養護齡期增加，固化土強度逐漸增大。固化土強度增長主要取決于水化產物在試樣內部膠結情況。試樣在養護過程中，水泥水化反應逐步完善，試樣內部骨架結構逐漸形成，水化產物逐漸增多，填充于骨架之中，固化土變得更加密實，無側限抗壓強度逐漸增大。將HA2固化土強度隨養護齡期變化曲線分為四階段，隨齡期增加，固化土強度分別增加6%、12%、12.1%、5.3%，60 d后抗壓強度增長速率降低，說明60 d齡期水泥水化反應較為緩慢。但從HA4固化土強度變化規律可以看出，在高污染物含量環境下，固化土水泥水化反應進行緩慢，隨齡期增加，其強度增長較為均勻。

圖4 污染砂土固化物無側限抗壓強度與齡期關系

2.3 電阻率與固化土無側限抗壓強度關系

取養護齡期為28、60 d，固化土電阻率ρs與無側限抗壓強度qu相關關系見表4，采用二次函數擬合，擬合曲線如圖5所示。固化土無側限抗壓強度隨電阻率增大而增大。從圖5中可以看出，低養護齡期(28 d)，前期隨電阻率增加，抗壓強度增長速率低于高養護齡期(60 d)，后期變化則相反。

2.4 固化土電阻率與無側限抗壓強度相關性研究缺陷

目前固化土電阻率與抗壓強度之間相關性研究較少，文獻[2]發現水泥土抗壓強度與電阻率呈線性增加，主要由于抗壓強度提高，固化土變密實，孔隙比及含水率減小，導致電阻率增大。文獻[11]研究表明固化土電阻率與抗壓強度之間近視服從冪函數關系。就現有研究而言，電阻率與抗壓強度之間關系具有間接性，通過試驗得到電阻率及無側限抗壓強度隨孔隙比、含水率、污染物濃度及養護齡期變化規律，間接分析電阻率及抗壓強度相應的變化軌跡。兩者之間直接性關聯研究缺乏，對固化土電阻率分析有一定的局限性。

表4 齡期28 d和60 d固化土抗壓強度與電阻率關系

圖5 齡期28 d和60 d污染砂土固化物的無側限抗壓強度與電阻率的擬合曲線

3 結論

(1)水泥固化有機物污染土電阻率隨腐殖酸污染物含量增大而減小，且在HA1～HA2，降低較為明顯。固化污染土電阻率隨養護齡期增加而增大，60 d后水泥水化反應基本完成，影響很小。

(2)水泥固化有機物污染土無側限抗壓強度隨腐殖酸污染物含量增加而減小，在HA4時，影響最大。固化污染土無側限抗壓強度隨養護齡期增加而增大，60 d后，水泥水化反應基本完成，齡期增加，對抗壓強度影響減小。

(3)水泥固化有機物污染土無側限抗壓強度隨電阻率增大而增大。

(4)水泥固化有機物污染土電阻率及無側限抗壓強度隨污染物含量、養護齡期變化，主要是由于有機污染物的存在抑制水泥水化反應，固化土含水率和內部孔隙率的變化。