石灰改性石油污染鹽漬土的力學特性

佟利輝 李敏 李達

摘要 以實現石油污染土的工程再利用為目的，借助無側限抗壓強度試驗，探索石灰改性石油污染濱海鹽漬土的強度分布規律。結果表明：石灰改性有助于提高石油污染土的抗壓強度和抗變形性能，10%石灰改性污染土的無側限抗壓強度最小值為764 kPa，能夠滿足《公路路面基層施工技術規范》（TJJ034—2000）中二級和二級以下公路底基層強度標準（500 kPa）。石灰改性污染土的峰值應變平均值為2.04%，小于石油污染土的峰值應變（3%）;石灰改性石油污染土的抗壓強度隨含油量的增加先增大再穩定后減小，隨石灰摻量及養護齡期的增加而增大;經石灰改性處置，污染土的破壞模式由塑性大變形破壞轉為脆性開裂破壞，且隨養護齡期、石灰摻量及含油量的增加，土樣裂縫寬度增大且邊緣更加不規則;含油率對改性反應進程影響較小，且存在臨界石油含量作用點，對于0～20%石油污染鹽漬土，適宜石灰摻量為10%，養護齡期依舊為21 d。

關 鍵 詞 石油污染土;石灰改性;無側限抗壓強度;抗變形特性;濱海鹽漬土

Abstract In order to achieve the engineering reuse of oil-contaminated soil， an unconfined compression strength test was carried out to study the strength distribution of oil contaminated saline soil solidified with lime. Results indicated that： （i） Compressive strength and anti-deformation behavior of oil contaminated soil can be effectively improved by lime solidification， and the minimum value was 764 kPa as lime content of 10%. It can meet the strength standard level of two and below grade road base （500 kPa） in the “Technical Specifications for Construction of Highway Pavement Base” （TJJ034—2000）. The average value of peak strain was less than oil-contaminated soil， it is 2.04% as lime content of 10%. （ii） Compressive strength of oil- contaminated soil solidified with lime increase firstly， then remain stable and decrease with the increase of oil content. The effect of lime content and curing days increase continually. （iii） Failure for oil-contaminated saline soil solidified with lime change from plastic mode to brittle mode. Besides that， the width and irregularity cracks are intensified with increase of curing days， lime content and oil content. （iv） There is little effect of oil contamination on solidification reaction process， and a critical point of oil contamination exists. The optimum of lime content and curing days for the soil with oil content of 0-20% is 10% and 21 respectively.

Key words oil contaminated soil; lime solidification; unconfined compressive strength; anti-deformation characteristics; saline soil

0 引言

石油作為重要的能源與工業原料，是發展經濟和提高人民生活水平的重要物質基礎，但伴隨石油的開采、運輸及使用過程，易發生石油的拋灑或泄漏事故，造成周圍土體的嚴重污染[1-2]。石油污染影響生態環境，被污染土體寸草不生;石油污染改變土體的水理及力學性能[3-6]。隨石油污染水平的增加，污染土液、塑限和強度值有所降低，抗變形能力變差[7];石油污染水平超過4%，強度急劇降低，顆粒微觀形貌呈絮狀結構[8];環境溫度與強度值呈反比例關系，石油污染土的抗變形能力取決于溫度和污染水平[9]。石油污染土的合理處置已成為需要解決的科學問題。

從工程再利用的角度出發，向石油污染土中摻加改性材料，改善石油污染土的性能，并將改性石油污染土用作路基填料，不失為一種合理的處置方式[10-11]。石灰改良可減少施工后沉降，保證路基穩定，避免路基病害，已廣泛應用于鹽漬土的處置[12]。石灰改良土作路基填料，是修筑高速公路、高速鐵路過程中常用路基施工技術[13]。石灰對常見礦物成分高嶺土、蒙脫石、石英等的工程力學性質均具有改良作用[14]。石灰摻量、壓實系數及養護齡期均影響改性土的抗壓強度[15]。隨著石灰摻量的增加，鹽漬土的抗壓強度呈比例增加[16]。隨養護齡期的增加，石灰改性鹽漬土的無側限抗壓強度和抗剪強度增加。前4周內強度增長較快，以后增幅變緩[17]。經石灰改性后，鹽漬土的峰值軸向應變大幅度下降，其抗變形能力大為增強，改性效果顯著[18]。

本文以石油污染濱海鹽漬土為研究對象，選取石灰作為改性材料，通過無側限抗壓強度試驗，明確改性效果，并量化石灰摻量、含油量、養護齡期對石灰改性石油污染土的強度和變形特性的影響力，力求為石油污染土的工程再利用提供力學上的參考。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料

鹽漬土取自天津濱海新區，試驗前先將土混勻風干，碾散并過2 mm篩密封備用。石油取自天津大港油田，石油和風干鹽漬土的基本物理化學性質指標分別見表1和表2。石灰為袋裝生石灰，有效鈣鎂含量為70%。

1.2 試驗方法

依據《公路土工試驗規程》[19]，鹽漬土風干過2 mm篩。水、石油和石灰按干土質量的百分比依次與鹽漬土均勻混合，其中水、油與土混合后悶24 h，采用雙向靜力壓實法制備試樣，試樣直徑39.1 mm，高80 mm，干密度1.65 g/cm3。

由于污染土中石油與水之間存在競爭關系，當油水總量超出飽和度時，試樣制備過程中存在油水溢出現象。綜合考慮土中石油污染飽和度及已有文獻中對石油的控制范圍 [2-5]，將含油量最大值設定為20%。確定含油量為0%、5%、10%、15%、20%;統籌關于鹽漬土研究中涉及的石灰摻量范圍0～12%[10，13-15]，確定石灰摻加量為6%、8%、10%、12%。

利用TSZ-2.0型應變控制式三軸儀測定無側限抗壓強度，量力環系數12.2 N/0.01 mm，剪切速率0.09 mm/min，以變形量0.2 mm為間隔讀取應力值。

2 分析與討論

2.1 石灰摻量對改性石油污染土無側限抗壓強度的影響

在含油量一定的條件下，石灰改性污染土的無側限抗壓強度隨石灰摻量的增加而增大（圖1）。養護初期，強度與石灰摻量近乎呈線性關系;隨養護時間的延長，曲線逐步出現轉折點，石灰摻量大于10%，曲線增長變緩。石灰改性石油污染土初期的強度主要取決于石灰摻量，而后期的強度則由石灰碳化反應決定。

分別與未改性土進行對比，建立強度增長速率指標，以確定石灰與含油量間量化關系，增長速率見表3。石灰摻量6%比0%的強度增大300%以上，證實：石灰可有效改善石油污染鹽漬土的強度。在不同含油量條件下，相同養護齡期石灰改性污染土的強度增長速率基本不變，即石油不會延遲改性反應的進行，對碳化反應進程影響較小（表3）。相同含油量下，養護齡期28 d的強度增長速率為養護齡期7 d的一半左右，石灰改性污染土的強度提升主要集中在石灰改性反應初期。

石灰改性污染土的強度在石灰摻量0～10%增長較快，10%之后增長速度減緩（圖1），從工程經濟角度考慮，可選的適宜石灰摻量為10%。同時，各養護條件，含油量為10%和15%的曲線基本重合，證實存在臨界范圍，石灰改性效果不受到影響。

2.2 養護齡期對改性污染土無側限抗壓強度影響

石灰改性石油污染土的抗壓強度均隨養護齡期的增加而增大（圖2）。

在石灰摻量為6%、8%時，其強度隨著養護齡期近似呈線性增長（擬合公式分別見式（1）和式（2），以含油量10%的為例），相關系數在97%以上;在石灰摻量為10%、12%時，其強度隨著養護齡期呈非線性增長（擬合公式分別見式（3）和式（4），以含油量10%的為例），其強度在7～14 d迅速增大，平均增大335 kPa，在14～28 d時，強度增加速度變慢，平均增大125 kPa，其規律與文獻[12]中的近似。

不同含油量下石灰改性污染土的抗壓強度隨養護齡期的變化規律相同。為了進一步分析含油量對改性反應的影響，繪制石灰主反應階段（即養護7～14 d）改性石油污染土抗壓強度增長率隨含油量的變化曲線（圖3）。3種石灰摻量條件下，曲線均呈直線，含油量對石灰改性污染土的強度增長率影響較小。

2.3 含油量對改性石油污染土無側限抗壓強度的影響

隨含油量的增加，石灰改性石油污染土的抗壓強度先增大再穩定后減小（圖4）。

含油量為0～10%時，改性污染鹽漬土的無側限抗壓強度隨含油率的增加逐漸增大;含油量為10%～15%，強度基本不變;含油量大于15%時，強度開始降低。這一規律與石油污染土的規律基本一致[3-4]。

無側限抗壓強度試驗是在冬季進行，試驗溫度比較低，石油的黏滯性大，與土顆粒的黏接作用強，在土樣中的孔隙被石油充滿之前，石油主要起到黏接土顆粒的作用，土樣強度增大（含油量為5%～10%）;土樣中的孔隙被石油充滿后，過量的石油會形成油膜，減小土顆粒之間的相互作用力，土樣強度減小（含油量為15%～20%）。含油量為10%～15%強度基本不變，說明存在石油作用的臨界點。

分析含油量與適宜石灰摻量及養護齡期間的關系，石油含量雖然影響石灰改性污染土的強度指標，但不影響最適宜石灰摻量以及最適宜養護齡期。即在不同含油量條件下，適宜石灰摻量均為10%，適宜養護齡期均為21 d。

2.4 石灰摻量對改性石油污染土抗變形性能影響

石灰改性石油污染土呈應變軟化型破壞，軸向應變在2%左右時，軸向應力達最大值（圖5）。整個應力應變曲線可劃分成3個階段：1）軸向應變在0～1%時，應變增加，應力近似線性增長;2）軸向應變在1%～2%時，應變的增長速度大于應力的增長速度，直到應力達到峰值，試樣破壞為止;3）軸向應變在2%～6%時，應變逐漸增大，應力下降。

從圖5可以看出，石灰改性污染土的峰值應變遠小于石油污染土的峰值應變，且隨著石灰摻量的增加，石灰改性污染土的應力應變曲線由平滑狀向尖峰狀過渡，峰值應變呈先減小后穩定的趨勢（表4）。石灰可有效改善石油污染土的抗變形性能。

石油污染土呈一條主裂縫周邊帶有若干條微裂縫的破壞形態（圖6a））。石灰改性污染土破壞時只有一條主裂縫周邊基本沒有微裂縫（圖6b）～圖6d）），土樣的整體性增強。石灰改性石油污染土呈剪切型破壞，破壞面呈斜向（45±φ/2）°。隨著石灰摻量增加，裂縫寬度變大且裂縫邊緣愈發不平整。

2.5 養護齡期對石灰改性污染土抗變形性能影響

隨著養護齡期的增加，石灰與土顆粒間的化學反應不斷深入，石灰改性污染土應力應變曲線變陡，初始彈性模量增大，應力峰值提高，土樣脆性破壞增強（圖7）。

養護初期（7 d）改性石油污染土試樣存在碎塊脫落，養護后期（28 d），試樣呈片塊狀脫落（圖8）。

2.6 含油量對石灰改性污染土抗變形性能影響

含油量對改性污染土抗變形性能的影響較小（圖9）。在5%、10%、15%、20%含油量條件下，石灰摻量10%，養護齡期7 d的石灰改性污染土峰值點處對應的應變分別為2%、2.25%、2%、2.25%;6%石灰摻量，養護齡期28 d的石灰改性污染土峰值點應變分別為2.5%、2.25%、2%、2.5%。峰值應變均在2%左右，含油量對抗變形性能的影響較小。

含油量影響改性污染土的破壞形態（圖10），含油量為5%的土樣呈碎顆粒狀脫落，土樣的整體性較差，說明少量石油不完全包裹顆粒，對改性污染土影響較小，破壞形態趨同于常規石灰改性土;含油量為10%和15%的土樣呈塊狀脫落，土樣的整體性有所提高;含油量為20%的土樣破壞裂縫數目和寬度均有所增加，原因為當石油完全填充孔隙，顆粒間呈現液-液界面，在石油的潤滑作用不斷改變破壞面滑移軌跡，致使土體破壞較為碎散。

3 結論

1）石灰改性可有效改善石油污染土的無側限抗壓強度和抗變形性能。石灰改性污染土的強度隨著石灰摻量的增加而增大，峰值應變隨石灰摻量增加先減小后穩定。對于0～20%的石油污染鹽漬土，適宜石灰摻量為10%。

2）石灰改性石油污染土的抗壓強度和抗變形性能均隨養護齡期的延長而提高。對于石油污染鹽漬土，適宜養護齡期依舊是21 d，和石灰改性鹽漬土的結果一致，石油污染程度對改性反應進程的影響較小。

3）含油量影響石灰改性石油污染土的力學性能。隨著含油量的增大，石灰改性污染土的無側限抗壓強度先增加再穩定后減小。經石灰改性處置，污染土的整體性增強，污染土的破壞模式由塑性大變形破壞轉為脆性剪切型破壞。改性污染土的破壞應變及峰值應變波動較小。對于改性石油污染鹽漬土需考慮石油含量影響的臨界點。

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