重金屬離子污染粉砂土力學性能試驗研究

袁玉卿, 王夏偉, 楊俊鋒, 樊興偉, 周 婧, 張 業

(1.河南大學土木建筑學院,開封 475004；2.河南大學開封市工程修復與材料循環工程技術研究中心,開封 475004)

重金屬污染的土體，其各項力學性能會產生不同層次的改變。重金屬進入土體后，會使土體的物質組成和內部結構發生改變，土體將會出現顆粒團聚、骨架顆粒松散等現象，進而影響土體的液、塑限和滲透系數，造成土體強度降低[1-4]。此外，研究發現[5-9]，隨著金屬離子摻量的降低，土體的各項力學性能，包括無側限抗壓強度、黏聚力、內摩擦角、抗剪強度等都會出現不同程度的降低。Meegoda等[10]利用實驗發現，金屬離子含量升高會使細粒土的抗剪強度逐漸降低，且應力應變隨濃度增加而減小。Turer[11]發現鉛鹽、鋅鹽和堿可以促進高嶺土體積的膨脹。針對這些特性，Mulligan等[12]分析了重金屬污染土對力學性能的影響方式，并提出使用表面活性劑來修復污染土。劉剛等[13]、賀瑤瑤等[14]發現鉻離子通過生成新物質及改變土體微觀結構來改變土體力學性能。

粉砂土介于細砂土和粉土之間,毛細作用強烈,使得重金屬離子更容易通過毛細作用隨外界水進入粉砂土體內,造成粉砂土的污染,引起土體的膨脹加劇,或造成土體強度逐漸減小。為了探究污染粉砂土力學性質的變化特征,借助無側限抗壓強度試驗、直接剪切試驗、X射線衍射分析試驗研究污染土的力學性能和內部結構變化,為后續金屬離子污染土的研究提供理論和數據支撐。

1 污染土穩定性與微觀試驗

為了研究不同重金屬離子含量對粉砂土力學性質的作用,利用硝酸銅[Cu(NO3)2·3H2O]和硝酸鉻[Cr(NO3)3·9H2O]配制金屬離子污染土。以土樣的最優含水率和最大干密度配制離子含量為0.5%、1%、2%的污染土樣,探索不同重金屬離子摻量下粉砂土最大抗壓強度和抗剪強度變化關系,研究污染土力學性能變化與內部結構之間的聯系。

1.1 無側限抗壓試驗

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[15],采用素土及3種離子含量的銅離子和鉻離子污染土共7組土樣,每組制備6個試件,將土樣潤濕后密封并靜置1 d。試件尺寸為φ50 mm×50 mm,壓實度95%。將試件密封并置于養護室養護7 d。

打開電子萬能試驗機電源,調整加壓板使其剛好與試件接觸并開始加載,速率控制在1 mm/min。觀測并記錄數據變化以及土樣形狀變化。待試件破壞后,停止加載并記錄所得應力-應變曲線。清理加壓臺并開始下一組試驗。

對各組試驗結果進行分析時,需要對每組6個試件試驗結果分別進行分析。去除誤差較大的數據并計算每組試件的最大抗壓強度平均值,繪制離子摻量與最大抗壓強度關系曲線。

1.2 直剪試驗

粉砂土具有較強的毛細作用。金屬離子經毛細作用進入到土體中,從而導致土體的抗剪強度的改變,進而影響到土體承載力的大小。因此通過直剪試驗研究重金屬污染對土體抗剪強度的影響。

對0.5%、1%、2%鉻離子含量土,0.5%、1%、2%銅離子含量土與素土7種工況下的試件進行直剪試驗。將土樣浸潤24 h后制備試件,每種摻量下制備2組,每組4個共56個土樣,將制備好的試樣養護7 d進行試驗。將養護好的試件分組裝入直剪儀內,取每種摻量下兩組試驗結果的平均值作為依據進行直剪試驗分析。

1.3 污染土X射線衍射試驗

土體的抗壓與抗剪強度主要和土體內部組分的結構和形態有關,因此,為更加直觀地解釋重金屬污染粉砂土性能改變的原因,利用污染粉砂土進行X射線衍射分析。依據鉻離子和銅離子污染后粉砂土體微觀結構的改變情況,來解釋污染粉砂土性能改變的原因。

試驗采用X射線衍射分析儀,得到土樣的衍射光譜,對不同離子摻量下的衍射光譜進行物相檢索,由光譜的不同峰值得出不同離子摻量下土體內主要物質的各種組成情況,從而說明被重金屬鉻離子和銅離子不同程度污染的粉砂土內部組成成分的變動情況。試驗采用素土及鉻離子和銅離子摻量分別為0.5%、1%、2%的7種土樣進行X射線衍射分析。

通過對試驗數據的擬合分析,分辨峰值較強的元素類別。通過對衍射曲線的分析,找出不同工況下主要組成元素含量的變化情況,并得出相應結論。

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓試驗結果分析

對素土和不同離子含量下試件抗壓強度數據分析,得到不同摻量下試件最大抗壓強度關系曲線如圖1、圖2所示。

圖1 最大抗壓強度與鉻離子摻量關系Fig.1 Relationship between the maximum compressive strength and chromium ion content

圖2 最大抗壓強度與銅離子摻量關系Fig.2 Relationship between the maximum compressive strength and the content of copper ion

由圖1可知,隨著鉻離子含量的增加,試件的最大抗壓強度整體呈增長態勢。當離子含量在0～0.5%時,土樣的最大抗壓強度有所下降。當離子含量在0.5%～2%時,土樣的最大抗壓強度從0.053 MPa增加至0.157 MPa,漲幅超過100%。說明鉻離子含量的升高對土體的抗壓強度反而有一定的增強作用。

由圖2可知,當離子含量在0.5%～1%時,最大抗壓強度略微提高,但試件最大抗壓強度整體呈減小趨勢。重金屬銅離子含量在0～2%時,土樣最大抗壓強度由0.071 2 MPa減小至0.04 2 MPa,降幅近100%。說明銅離子含量的提高會導致抗壓強度的減小。

2.2 直剪試驗結果分析

借助兩種金屬離子污染土的直剪試驗數據,分析得到兩種金屬離子污染土垂直壓應力與剪應力關系,如圖3、圖4所示。

圖3 鉻污染土剪應力與垂直壓應力關系Fig.3 Relationship between shear stress and vertical compressive stress of chromium contaminated soil

圖4 銅污染土剪應力與垂直壓應力關系Fig.4 Relationship between shear stress and vertical compressive stress of copper contaminated soil

由圖3、圖4得,鉻離子、銅離子污染土剪應力隨著垂直壓應力的提高而增大,并且隨著離子摻量的升高,污染土樣的剪應力也隨之減小。2%鉻離子污染土比素土剪應力減少約7%,2%銅離子污染土比素土剪應力減少約9.7%,說明土體抗剪強度隨離子含量的升高而減小。但銅離子土比鉻離子土的剪應力變化更明顯。

2.3 X射線衍射結果分析

對不同含量鉻離子污染土的衍射分析結果進行擬合得圖5所示曲線。

圖5 不同鉻離子摻量衍射圖Fig.5 Diffractogram of different chromium content

由圖5所示,經對比,鉻離子污染土衍射圖中,衍射峰值較強處所對應的化合物均為SiO2。在26°和51°處的衍射峰,雖然有一定的變化但整體變化趨勢不大。但在20°處衍射峰值隨著離子摻量增加而減小,37°處衍射峰值隨離子摻量增加而逐漸增加。因此,重金屬鉻離子的摻入,對SiO2化合物的含量影響較小。鉻離子主要通過改變粉砂土內部分SiO2化合物的形態,從而導致粉砂土性能的改變。

對不同含量銅離子污染土的衍射分析結果進行擬合得圖6所示曲線。

圖6 不同銅離子摻量衍射圖Fig.6 Diffractogram of different copper ion content

由圖6可知,經與標準PDF(powder diffraction file)卡片比對后,發現粉砂土中所含SiO2化合物的形態有所不同但含量較高。經對比,在20°、26°、37°處,衍射峰值基本保持不變。但在51°處,衍射峰值隨著離子摻量的增加而不斷降低。因此,銅離子的摻入會導致粉砂土內SiO2減小,從而導致力學性能的改變。

由XRD結果分析可得,鉻離子污染土的SiO2化合物含量幾乎不變,而形態發生變化,其抗壓強度隨金屬離子含量增加而逐漸增大。銅離子污染土的SiO2化合物含量變小,其抗壓強度隨金屬含量升高而降低。此外,銅離子土的抗剪強度下降程度也比鉻離子土高。因此,判斷鉻離子、銅離子污染土主要通過改變SiO2的含量來削弱土樣的力學性能。

2.4 機理分析

土的抗壓與抗剪強度取決于土體微觀成分的形態、數量,以及土的顆粒構成、結構形態等因素。土體內部成分種類和數量的改變,將導致土的黏聚力、內摩擦角等的改變,從而改變土體的力學性能。土體結構的改變,也會使土損失一定的黏聚力,造成土體抗剪強度的減小。由X射線衍射試驗可知,鉻離子和銅離子的摻加,引起土體內SiO2形態和數量的變化,改變了土體微觀結構；力學實驗也表明,這些離子的摻加,導致了土體抗壓、抗剪強度的明顯變化。

3 結論

借助無側限抗壓試驗、直剪試驗、X射線衍射分析,探究重金屬污染對粉砂土力學性質的影響,得出以下結論。

(1)重金屬離子含量的升高會使土體的力學性能出現不同程度的變化,從而改變土體的工程性質。在工程建設中應盡量避免使用重金屬污染土,或采取措施整治后使用。

(2)隨著鉻離子含量的升高,粉砂土的無側限抗壓強度也逐漸升高,最大抗壓強度提高超過一倍；然而銅離子污染后的土無側限抗壓強度則顯著下降,降幅接近100%。

(3)鉻離子、銅離子污染的粉砂土,抗剪強度都明顯下降。銅離子比鉻離子對土體抗剪強度影響更大,降幅約為9.7%；鉻離子影響較小,降幅約為7%。

(4)鉻離子會部分改變粉砂土中SiO2化合物的形態,從而導致土體性能的改變；銅離子主要通過減少粉砂土內SiO2化合物的含量,引起土體性能的改變。