重金屬污染對紅黏土的粒度成分及抗剪性能影響研究

楊燕YANG Yan

（安順學院資源與環境工程學院，安順 561000）

0 引言

經濟日益發展的當下，環境污染問題也伴隨而來，污染土體的工程性能是工程建設中不可忽視的重要問題。重金屬在紅黏土中的遷移、沉淀，以及一系列的物理化學變化會導致紅黏土的工程性能的變化，這對工程建設的安全問題帶來了新的挑戰。因此，文章通過制備不同濃度重金屬污染、不同重金屬含量的紅黏土，探討重金屬污染對紅黏土的粒度成分和抗剪性能的影響，旨在為今后的生產建設提供可靠的建議。

從1985 年于荷蘭召開的第一屆國際污染土會議作為污染土體研究的起點，現今污染土體的研究越來越多，研究范圍也越來越廣[1]。在黏土中，摻入重金屬后其土壤中的黏粒含量會發生變化，土中重金屬離子濃度的增加會使得土體中粉粒和黏粒占比發生變化，劉剛等在研究重金屬離子對黃土物理化學及工程性質的影響時發現，重金屬離子摻量的增大降低了污染黃土中黏粒含量[2]。

由于污染土的抗剪性和壓縮性是其工程性質的基本，重金屬污染土的工程性能方面國內研究主要集中在污染土對地基的強度和壓縮性的影響。實驗室經常采用抗剪試驗、固結試驗、無側限抗壓強度試驗以及三軸試驗分析和研究土體的力學特性。土體受重金屬污染后其顆粒間的相互作用發生變化，會導致土體的工程性能發生改變。陸海軍等通過室內微觀結構試驗及無側限抗壓強度試驗、直剪試驗、固結試驗等一些基本的物理力學性質試驗，探索了鉛污染物對黏土微觀結構以及變形強度的研究[3]。大部分的研究得出的結果為：重金屬污染土的理化和工程特性與重金屬的種類和含量有著密切的相關性[4-7]。儲亞等通過使用硝酸鋅作為污染物配置了3 種不同濃度的污染粉質黏土，進行了土壤污染前后的基本物理實驗的對比，試驗結果表明隨著離子濃度的增加，土粒比重、液塑限、粉粒含量和pH 值減小，但是黏粒含量和塑性指數增大。同時他們進行了一系列的電化學性質研究，分析了電阻率與土體含水率、孔隙率、飽和度之間的相應關系[8]。重金屬離子通過與土體之間的水解、侵蝕、膠結和溶解的相互作用，會使得土體的抗剪強度發生變化[9]。隨著重金屬離子在土體中遷移時間的增加，土體的抗剪強度呈現下降的趨勢[9~11]。而在六價鉻、鉛離子污染土直剪試驗過程中，其得出的剪應力與剪切位移關系曲線中沒有出現峰值點，土體顆粒間的黏聚力會隨著離子的濃度增加而提高，但是對其內摩擦角的影響很小[12，13]。通過對鋅離子污染土進行三軸試驗研究，土中重金屬含量的增加會降低土體的黏聚力，其內摩擦角會變大[14]。

1 試驗的制備與試驗方法

試驗土樣采自安順市經開區的某邊坡紅黏土，其基本物理性指標見表1。

表1 試驗紅黏土基本物理性指標

為研究不同重金屬污染程度紅黏土的工程性能變化，需進行不同重金屬含量的紅黏土的物理性能試驗以及直剪試驗。重塑試驗土樣的制備按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）采用濕土法進行配置。試驗由一組沒有摻入重金屬的土樣作為對照組，另外三組土樣作為污染土樣，污染土樣的制備采用拌和法。分別取濃度為100ug/ml 的鉛、汞、鉻標準液各2.5ml、5ml、10ml、20ml 與20g 蒸餾水配置成摻入液，用噴淋的方式均勻噴灑在平鋪土樣上并拌和，用塑料密封并放置在標準養護條件下靜置3d 后進行試驗。靜置后的土樣按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）中的顆粒級配試驗方法和擊實法制作重塑試驗土樣進行試驗。顆粒級配試驗通過將土樣烘干后進行篩分試驗，分別稱量各粒徑等級土樣的重量。直剪試驗采用ZJ 型應變控制式直剪儀，垂直壓力分別為100kPa、200kPa、300kPa 和400kPa。

2 試驗結果與分析

2.1 顆粒級配變化

采用篩分法得到的土壤顆粒級配曲線見圖1，粒度成分結果見表2。從圖1 可以看出級配曲線趨勢一致，摻入重金屬后的級配曲線均在無污染土的下方，表明重金屬會使得黏土的較小粒徑的土壤占比均有所下降。從表2 可以看出隨著重金屬的摻入，紅黏土的較小粒徑的土顆粒含量會降低，并且隨著重金屬含量的增多而降低。摻入鉛的黏土其降幅為16.71%~40.92%，摻入汞的黏土降幅為3.15%~39.71%，摻入鉻2.5ml 和5ml 的黏土有增加后隨摻入量增加呈現減低的情況。這是由于摻入重金屬后改變了土壤的團聚性，土壤團聚增強使得土壤較大粒徑的土壤含量增多。

圖1 不同重金屬含量污染土的級配曲線

表2 不同重金屬含量污染土的粒度成分

三種重金屬的摻入對紅黏土的粒度成分的改變也不盡相同。粒度成分受重金屬影響的變化量從大到小排序為：鉛>汞>鉻。

2.2 抗剪強度變化

土壤的抗剪強度指標由黏聚力和內摩擦角組成，根據抗剪強度與垂直壓力關系曲線圖得出抗剪強度指標見表3。從表3 可以看出三種摻入重金屬的紅黏土其黏聚力均隨重金屬摻入量的增多而減小，隨重金屬摻入量的增多而減小的幅度分別為：摻入鉛的黏土降幅為11.74%~20%，摻入汞的黏土降幅為14.74%~55%，摻入鉻的黏土降幅為17.04%~24.56%。現有大部分研究表明，重金屬污染土壤會導致土體黏聚力降低，且會隨土體中重金屬濃度的增加而降低。重金屬鉛污染對黏聚力的影響與陳學金等的研究結果一致[15]，與楊波、李熠等研究得到的黏聚力隨重金屬濃度的增加而提高相反[12，13]，重金屬汞、鉻對紅黏土的粘聚力的影響現有研究結果較少。黏聚力反饋的是土顆粒之間的相互作用，根據表2 的結果摻入重金屬后的黏土其土壤團聚性增大，使得土顆粒粒徑變大，從而導致顆粒間的空隙增多、增大，最終導致土顆粒之間的相互移動性增強，降低了黏土的黏聚力。

表3 不同重金屬含量污染土的抗剪強度指標

而摻入重金屬后的內摩擦角的變化不一致，摻入鉛和汞的土樣其內摩擦角隨摻入量增多而增大，增量分別為1.62~5.13 和0.59~5，摻入鉻的土樣其內摩擦角隨摻入量增多而減小，減量為2.31~4.11。現有大部分研究表明，重金屬污染土壤會導致土體內摩擦角增大，且會隨土體中重金屬濃度的增加而增大。土壤的內摩擦角與土顆粒結構密切相關，根據表2 的結果摻入重金屬后的黏土其土壤團聚性增大，使得土顆粒粒徑變大，從而導致土壤的顆粒分布不規則，使得污染紅黏土的內摩擦角增大。摻入鉻2.5ml和5ml 的黏土細粒徑有增加后隨摻入量增加呈現減低，使得其內摩擦角先小幅度增加后減小又增加，與其粒徑的含量的變化呈現一定的相關性。

3 結論

通過配置分別摻入100ug/ml 的鉛、汞、鉻標準液各2.5ml、5ml、10ml、20ml 的污染土樣，進行了土樣的粒度成分和抗剪性能試驗，得到以下結論：

①摻入重金屬后的紅黏土會改變其原有的團聚性，污染紅黏土基本呈現隨著重金屬含量的增多，土壤的細顆粒含量將有減少的趨勢，除摻入鉻的黏土有先增加后降低的情況。

②紅黏土的粘聚力均呈現隨重金屬摻入量的增多而減小的趨勢。而摻入三種重金屬土樣的內摩擦角的變化不一致，摻入鉛和汞的土樣其內摩擦角隨摻入量增多而增大，摻入鉻的土樣其內摩擦角隨摻入量增多而減小。