水泥固化重金屬污染膨脹土力學性能試驗研究

劉蔡靜 劉 暢 劉佳偉 劉 翔 趙 江

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

1 前言

膨脹土在我國大陸分布廣泛，江蘇、安徽、湖北、四川、廣西、河南、陜西、云南、貴州等地均有不同范圍的分布，這些地區膨脹土受到不同程度的污染，導致組成結構受到影響，進而改變了地質性質。在膨脹土地基地區，若不對膨脹土進行加固，可能會造成不可挽救的地質結構破壞。膨脹土受到重金屬粒子污染后存在著諸多弊端，如抗剪強度低、抗壓性能弱等問題。經過多次試驗研究分析，發現水泥對受重金屬離子污染的膨脹土的固化效果明顯優于其他一些固化材料[1]。通過系統的實驗，分析污染膨脹土的力學性質，討論不同重金屬離子對于固化后膨脹土的影響。

2 試驗材料及基本組成

試驗用土取自安徽合肥市某工地，土為深紅色，對其做基本常規土工試驗。膨脹土的內部組成成分通常是粘土礦物和碎屑礦物。碎屑礦物的主要成分包括石英（SiO2）、云母及長石。

膨脹土可以按照粘土礦物分為兩大類：

一類是以細粒的蒙脫石為主，另外一類則是以高嶺土和伊利石土為主。一旦膨脹土的含水量有所增加，蒙脫石類的粘土就會出現膨脹。通常情況下，粗粒（碎屑礦物）的含量在膨脹土中是有限的，正因為是這樣，粗粒對膨脹土的脹縮性質的影響并不會很大。相反，細粒部分的蒙脫石礦物才是影響膨脹土工程性質的主要因素。

3 膨脹土的物理性質

膨脹土的脹縮性相對于其他粘土來說較強。膨脹土常常呈現斑狀，并且絕大多數的膨脹土內部含有鈣質或者鐵錳質。膨脹土中的裂隙一共有三種形式，分別是水平裂隙、豎向裂隙和斜交裂隙。在距離地表1～2米之處，常常會出現豎向的裂隙。張開裂隙面呈油脂或者蠟狀的光澤，有時則會有擦痕或者水漬，還有鐵錳氧化物薄膜等。

如果按照膨脹性分類的話，膨脹土可以分為三種，包括弱膨脹、中膨脹還有強膨脹。引起膨脹土發生變化的條件主要是：含水率、干容重。當膨脹土中的含水量增加時，它會產生垂直和水平兩個方向上的體積膨脹，土體的抗剪強度會迅速降低，對工程項目有較大隱患。干容重是膨脹土的一項重要指標，膨脹土的干容重與它的天然含水量有關。

總的來說，膨脹土的變化既有它內在的因素存在，也有外在的因素。內在因素主要就是膨脹土它本身發生的膨脹和收縮性能，而外力因素則是壓力和含水率的變化。對于建筑工程師來說，他們只有準確地把握并控制好影響膨脹土變化的因素和條件，才有可能把控在建造房子或地基時發生的狀況，并提前擬出應對措施。

4 膨脹土的力學性能

4.1 抗壓強度變化規律

影響因素：重金屬離子種類、離子濃度、養護齡期、養護期齡。

（1）土壤中的各類的重金屬離子對土壤的潛在抗壓強度有深遠影響。有實驗結果顯示，當重金屬離子的濃度比較低時，鉛離子污染固化的膨脹土所具有的強度會低于鎘離子污染固化的膨脹土所具有的強度。所以，在不同濃度的重金屬離子種類的影響下，水泥的固化的速率也會有所不同，且影響的程度對于不同的金屬種類也會有所不同。

（2）通常情況下，由于之前的實驗提出猜想，一般膨脹土的抗壓強度也會受到重金屬離子濃度的影響[2]。根據實驗數據和結果表明膨脹土的抗壓強度會跟隨重金屬離子的數量的增加而增加，因此可以看出離子的濃度越高，對強度的影響也就會越大。

（3）由于養護齡期的不同，對于強度也會有一定程度上的影響。根據實驗研究，在水泥加入后，不同養護齡期下，發生過程所用的時間也不同，而且有些離子在非常特殊的情況下如堿性條件，經過一段時間以后其中會生成膠狀氧化物沉淀，其強度會有所提高，且不同時期的效果不同。

（4）根據過往的研究表明，水泥的摻量會對膨脹土抗壓強度有影響，且影響效果與摻量之間成一定比例關系，在實驗研究之中，大量離子在經過一系列化學反應以后，多部份吸附生成沉淀物，使膨脹土的強度增加。

4.2 抗剪強度的變化規律

影響因素：重金屬離子濃度、水泥摻量、養護齡期。

（1）為了研究不同濃度的影響，鉛污染擴散土壤的內部摩擦角隨著鉛離子濃度的增加而降低[3]。結果表明，鉛離子濃度的增加會降低土壤抗剪強度指數，產生的化合物將粘結在水泥表面，從而阻礙水化的進程，進而降低膨脹土的抗剪強度。

（2）對不同水泥摻雜量下受污染土壤膨脹率進行了直接檢測，受污染膨脹土擴張的剪切強度指標與水泥摻雜量之間有很大關聯，水泥加入后，可擴張土壤抗剪的強度指標得到改善，水泥變化速度有所放緩，但穩定增長態勢仍在繼續。加入水泥后，其中的鎘離子趨于穩定，隨后膨脹土形成了一種叫膠結的結構，強度性質有了很明顯的改善。

（3）隨著時間的推移，鎘離子污染膨脹土細顆粒在生成的膠凝物[4]下聯結成整體，并且隨著樣品支持時間的增加，被鎘污染的土壤小顆粒形成，抗剪強度提升，膨脹土的膠合力和內部摩擦的角度加強。

5 膨脹土的耐久性能

5.1 膨脹土的抗凍性能

伴隨著我國基礎設施建設的迅速發展，季節性凍土區膨脹土存在的問題越來越多。在工程建設中，季節性凍土區膨脹土不僅存在著浸水膨脹、失水收縮等因素誘發的問題，還存在著在凍融循環作用下耐久性能的變化。多次凍融作用容易導致土體結構的破壞，而膨脹土作為一種特殊性的粘土，其變形性能和強度會隨著季節性凍融循環而有所降低。

凍融循環嚴重影響土壤的理化性質和微觀結構等，膨脹土的凍融破壞程度與凍融循環有關。其中可能的影響因素有：凍融循環的次數、凍融持續的時間和凍融的深度等。趙曉東[5]在封閉系統中對起始含水量較好的膨脹土進行了凍融循環的試驗，在研究后發現，經過7 次凍融循環后，其抗壓強度降低了24%，膨脹力也降低了10%。趙曉東等人在凍結褐色膨脹土指數地面減壓過程中，發現隨軸向變形速率的衰減幅度與溫度梯度關系不大。許雷[6]等人在不同的凍結和融化時間通過無側限的壓縮試驗測試了膨脹土的壓縮性，發現凍融時間與膨脹土的壓縮性存在正相關關系。時偉[7]等人研究了人工配置的高含水量指數膨脹土（26.3%），發現隨著凍結融化循環次數的增加，摩擦角、動剪切模量和結合力等都有所衰減，而膨脹土阻尼出現增大的情況。膨脹土在不同的初始濕度且所有實驗濕度都低于最佳濕度時的試驗中，朱斯伊[8]等人發現，在凍融循環作用下，膨脹土的粘聚力先增加后減小，而摩擦角卻是不斷減小，剪切過程中應變呈現硬化趨勢。

膨脹土土體強度[9]與膨脹土的凍融方案有著密切的關系，在凍融程度相同時或沒有凍融循環的條件下，膨脹土的抗壓強度隨著膨脹土含水率的增加而迅速減小，而應力應變曲線的線性增長在初始階段通常隨著含水率的增加而減小；在中期隨著含水量的提高，應力應變曲線也有所提高。由此可見，應高度重視在季節性凍土區膨脹土地基上的工程建設，在凍融循環過程中，膨脹土存在的劣化問題也需得到高度重視。

5.2 膨脹土的抗震性能

我國大陸有很多多山且多地震的地區，此類地質災害給我國帶來了嚴重的經濟損失。在膨脹土地基地區，若不對膨脹土邊坡進行加固，就會造成不可挽救的地質結構破壞。在對膨脹土地基進行加固后，會在很大程度上提高其抗震性能。

為了應對膨脹土在地震等地質作用下造成的結構破壞，人們會對其進行加固。目前已有的膨脹土加固系統有以下幾種：BPE 模型、二階段黏滑本構模型、三階段軟化型本構模型等。然而，在大量的實驗研究下，證實了BPE 模型是不合理的，三階段軟化型本構模型大部分用于理論實踐中。所以，在實際應用中大多采用二階段黏滑本構模型。

在地震作用下，膨脹土加固系統也會失效，主要造成其失效的原因有6 種：砂漿和土體界面間的破壞、桿體和砂漿界面間的破壞、錨固體兩界面的破壞、錨固體被拉斷、錨固體被壓碎、錨固體被拔出。但是通過多項實驗研究，發現造成膨脹土加固系統破壞的主要原因是界面間的黏性失效。

實際應用時，在實際加固模型中的大多是砂漿界面、土體界面和桿件，其三者共同協調以提高膨脹土的抗震性能。

6 影響因素

6.1 水泥摻量對膨脹土的影響

為了研究在固化重金屬污染過的膨脹土加入水泥的加入量對膨脹土的影響，本節對不同的水泥固化量固化的膨脹土進行了掃描電鏡試驗[10]。在分析圖像之后，得出結論：在加入水泥后，會在表面形成絮狀的薄膜再進行放大，絮狀物為珊瑚狀的白色物質。后期，隨著水泥加入量的增加，絮狀物[11]之間的間隙變得越來越小。對比分析之后，發現隨著水泥用量的不斷增多，污染過的膨脹土分子間的空隙減少，經過長時間的固化，變成一個整體，使分子間的力變大，強度提高。

6.2 養護時間污染膨脹土的影響

為了探究在固化重金屬污染過的膨脹土養護時間的長短對膨脹土的影響，對不同養護時間段的膨脹土進行了掃描電鏡實驗，其中保持重金屬離子的濃度和水泥的加入量不變。在分析得到的圖像后發現：隨著時間的推移，分子間的間隙由最初的無填充物到最后絕大部分都被物質填充，膠凝物質的增多，強度也得到了提升。得出伴隨著養護時間的增加，污染膨脹土的強度也有所提高的結論。

7 結語

本文針對南京地區，通過實驗室預制的重金屬污染膨脹土，用水泥對其進行固化，研究分析固化后重金屬污染膨脹土的力學性質，得到的結論如下：

（1）在進行污染膨脹土的固化時，考慮到經濟等因素，采取水泥為固化劑，水泥的摻量會對膨脹土抗壓強度有影響，且影響效果與摻量之間成一定比例關系。此外，大量離子在經過一系列化學反應以后，多部份吸附后生成沉淀物，使膨脹土的強度增加。

（2）重金屬污染后的膨脹土，伴隨著（Pt+，Cr2+，Cr3+，等）[12]離子濃度的增加，對強度的影響就越大，具體表現為黏粒含量迅速減小，自由膨脹率[13]也隨之減小。

（3）重金屬污染的膨脹土，干密度增加，抗剪強度和抗壓強度明顯低于正常值，在定量水泥固化后，污染過的膨脹土分子間的空隙減少，經過長時間的固化變成一個整體，使分子間的力變大，污染膨脹土的力學性能得到提高。