水泥固化鋅污染黃土力學特性試驗研究

陳漢江 崔素麗 張登飛 李世雄 李治嘉 辜超穎

收稿日期：2023-10-17

基金項目：國家自然科學基金（42027806，42372324，41907233）。

第一作者：陳漢江，女，從事黃土地質災害防治研究，202221654@stumail.nwu.edu.cn。

通信作者：崔素麗，女，副教授，從事固體廢棄物處理、特殊土處理研究，cuisl@nwu.edu.cn。

摘要? 聚焦于重金屬污染黃土而劣化的實際工程問題，探究水泥固化重金屬污染黃土的強度、應力-應變特性，以水泥固化鋅離子污染黃土為研究對象，考慮水泥摻量和養護齡期的影響，進行無側限抗壓強度的系列試驗，分析其應力-應變曲線、無側限抗壓強度、破壞應變、變形模量的變化規律，進而構建水泥固化鋅離子污染黃土在無側限條件下的應力-應變本構模型。研究表明，經水泥固化后的鋅離子污染黃土應力-應變曲線為強軟化型，試樣呈脆性破壞，可分為彈性、彈塑性、應力下降、殘余穩定4個階段;隨著養護齡期、水泥摻量的增加，無側限抗壓強度增大，破壞應變基本呈現減小趨勢;變形模量與無側限抗壓強度呈現非線性關系;構建的考慮養護齡期、水泥摻量影響的應力-應變本構模型，可準確描述水泥固化鋅離子污染黃土單軸壓力下的變形全過程。

關鍵詞? 固化；鋅污染黃土；重金屬；變形模量；無側限抗壓強度；應力-應變曲線

中圖分類號： TU411.6? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-005

Mechanical properties of cement treated zinc-contaminated loess

CHEN Hanjiang， CUI Suli， ZHANG Dengfei， LI Shixiong， LI Zhijia， GU Chaoying

（State Key Laboratory of Continental Dynamics， Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China）

Abstract? A series of studies were carried out to examine the strength and stress-strain characteristics of cement-treated heavy metal-contaminated soil， with an emphasis on the actual engineering issue of heavy metal-contaminated loess and its deterioration.The research focused specifically on cement-treated zinc-contaminated loess， taking into consideration the influence of cement content and curing time. The experiments aimed to analyze the changes in the stress-strain curve， unconfined compressive strength， failure strain， and deformation modulus， and to construct a model of the stress-strain behavior under unconfined conditions. Additionally， a stress-strain model was developed for cement-treated zinc-contaminated loess under no-lateral limit conditions.The study reveals that the stress-strain curve of cement-treated zinc-contaminated loess exhibits strong softening behavior， resulting in brittle specimen damage. The curve can be divided into four stages： elasticity， elastic-plasticity， stress reduction， and residual stability. Furthermore， the study finds that with an increase in curing time and cement content， the unconfined compressive strength improves while the failure strain generally decreases. The deformation modulus shows a non-linear relationship with the unconfined compressive strength. A stress-strain model is constructed to describe the non-linear relationships among curing time， cement content， deformation modulus， and unconfined compressive strength accurately. Specifically， the model considers the effects of curing time and cement content on the stress-strain behavior of cement-treated zinc-contaminated loess under uniaxial pressure.Overall， these findings contribute to understanding the strength and stress-strain characteristics of cement-treated zinc-contaminated loess and provide valuable insights for addressing heavy metal contamination in loess engineering applications.

Keywords? solidification； zinc-contaminated loess； heavy metal； deformation modulus； unconfined compressive strength； stress-strain curve

中國經濟建設發展迅速，在化工廠、金屬冶煉廠和電鍍廠等工業場地，存在著嚴重的鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、汞（Hg）等重金屬污染的環境工程地質問題［1］。加之，黃土地區工程地質條件差，生態環境脆弱，自然災害頻發［2］，重金屬污染物隨著地表水或地下水的運移而滲入，污染黃土而劣化其工程地質特性［3］，對黃土區的生態環境、工程建設和人類健康造成了重大威脅［4］。因此，對重金屬污染的黃土工程地質特性進行改良，已成為當前環境工程的前沿熱點，也是黃土區工程建設亟待解決的實際需求。

目前，對重金屬污染土的改良， 多是用固化／穩定化技術來改變污染物的形態，抑制其遷移，以切斷污染物的擴散途徑［5］，具有處理快、成本低、工藝簡單、適用范圍廣等優勢，成功應用于株洲市霞灣港（排污渠）、上海世博會等地的場地修復。由于水泥性質穩定，原料普遍，既可降低重金屬的滲出，又可提高土體強度，是較為普遍的固化劑之一。在水泥固化鋅或鉛污染土方面，前人研究主要聚焦于水泥養護溫度、齡期條件對不同污染物濃度的污染土的改良效果及其加固機理，包括壓縮系數［6］、無側限抗壓強度［7-10］、應力-應變特征［11-12］、微觀加固機理［13］。

在水泥固化其他污染土方面，劉霖等研究發現，水泥固化煤化工廢水污染土時，在剪切過程中，經歷了典型的彈性—塑性屈服—強化破壞3階段，呈現典型的脆性破壞［14］；李喜林等發現了水泥固化Cr（VI）和Cr（III）的弱化效應［15］；邵俐等定量分析了水泥固化鎳污染土變形指標破壞應變以及E50的變化規律，構建了考慮水泥摻入量、重金屬濃度相關的強度預測經驗公式［16］。

縱觀已有研究，學者們重點關注水泥固化重金屬污染土破壞時的強度特征及其定量表征，而對于從變形發展到破壞整個過程的定量表征研究尚未進一步開展。

基于此，為探究水泥固化重金屬污染土的強度和變形特性，本研究對水泥固化后的鋅離子污染黃土開展了系列無側限壓縮試驗，分析不同水泥摻量、養護齡期條件下，水泥固化鋅離子污染黃土的應力-應變關系及其破壞形式;評價水泥摻量及養護齡期對土體無側限抗壓強度、破壞應變的影響;探討變形模量E50與無側限抗壓強度之間的關系;結合水泥固化鋅離子污染黃土的特點，考慮水泥摻量和養護齡期的影響，構建適于描述水泥固化重金屬污染黃土的本構模型。

1? 材料與試驗方法

1.1? 試驗材料

試驗土取自西安某工業污染黃土場地的原狀黃土，淺棕色，較硬，其主要的物理性質指標見表1。對場地重金屬進行監測，發現主要為六水合硝酸鋅〔Zn（NO3）2·6H2O〕;水泥使用的是普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）（見圖1）。

1.2? 試驗方案及方法

為考慮水泥摻量對鋅污染黃土改良效果的影響，設計鋅離子質量為干黃土質量的0.1％，試驗以水泥／干黃土的質量比控制的水泥摻量分別為3％，6％，9％，標記試驗編號為C3，C6和C9。為研究養護齡期對其改良效果的影響，在標準養護條件下（溫度20 ℃、濕度95％）分別養護0，7，14，28 d。待試樣達到控制的標準后，開展無側限壓縮試驗，探討水泥固化鋅污染黃土的力學特性。

將無污染黃土自然風干，碾碎，過2 mm篩，取相應配合比的蒸餾水、污染物六水合硝酸鋅〔Zn（NO3）2·6H2O〕及P·O42.5水泥，首先將水泥按3％，6％，9％的摻量和黃土混合均勻;將重金屬鹽按相應質量充分溶解于蒸餾水中，再利用噴壺按照設計含水率17.8％（重金屬溶液質量／干黃土質量）向混合物中噴灑重金屬溶液。接著，將攪拌均勻后的污染黃土裝入塑料袋密封并悶放24 h，再通過千斤頂壓制重塑土樣：無側限抗壓強度試樣尺寸為直徑50 mm，高100 mm。每個試樣均用聚乙烯薄膜包裹，并在標準養護條件下（溫度20 ℃、濕度95％）分別養護0，7，14，28 d。試驗流程如圖2所示。

將試樣分別養護至0，7，14，28 d后，根據《土工試驗方法標準》（GB／T 50123—2019）進行無側限壓縮試驗。試驗儀器為YSH-2型石灰土無側限壓力儀，控制軸向位移速度為1 mm／min。

2? 結果與分析

2.1? 應力-應變及其破壞特征

圖3為水泥摻量為0的鋅離子污染黃土的應力-應變曲線及破壞形態。由圖3可見，未添加水泥的污染黃土試樣的應力-應變曲線呈現強軟化型，試樣發生明顯的鼓脹開裂破壞；其應力-應變曲線可分為4個階段：彈性階段為加載初期A點前，軸向應變較小，這一階段土樣較為完整連續，在較小應變下呈剛性，發生彈性變形，故應力-應變曲線接近于直線，試樣產生初始微裂隙;非線性上升階段為峰值C點前，試樣處于彈塑性變形階段，固化后的土樣孔隙不斷壓縮，土體變形較大，其中，B點前，由于試樣裂縫的穩定發展，導致應力增加減慢，彈性模量逐漸減小，B點后，裂縫快速發展，較大應變下應力增長較小，直至峰值點;應力下降段在峰值C點后，試樣內部結構破壞嚴重，軸向應力以較快速率減小;殘余穩定階段為D點后，隨應變增加，應力下降緩慢，這時試樣內部的裂縫已然貫通，主要由土樣間的摩擦力承受軸向應力。由于未添加水泥，試樣顆粒膠結較弱，實驗過程中有較多土顆粒散落。

圖4為0，7，14，28 d養護齡期下，水泥摻量為3％，6％，9％的固化鋅離子污染黃土的應力-應變曲線。由圖4可見，當污染黃土經過水泥固化后，應力-應變曲線由強軟化型向脆性強軟化型轉變，仍然可分為4個階段。相對于未經過固化的污染黃土，上升段彈性階段，即A點前，水泥固化反應的產物使得土樣密實呈剛性，顯著提高了土樣的彈性模量，峰值彈性模量與其相差較小，故而非線性上升階段不明顯;土體的高彈性模量，使得小應變情況下，應力快速增加至峰值點C，此時，裂縫已迅速擴展，峰值應力對應的軸向應變明顯減小;應力下降段由于裂縫的快速貫通導致應力減小速率增大，多為由高峰值應力發生陡降，試樣表現為脆性破壞;D點對應應力隨著養護齡期和水泥摻量的增加而減小;殘余穩定階段，即D點后，軸向應變增加，土體結構不連續，無摩擦力承受軸向壓力，殘余應力趨近于0。水泥固化鋅污染黃土的應力-應變曲線的4個發展階段與樊浩倫［17］等學者所提出的水泥土應力-應變曲線結論一致。相同養護齡期下，水泥摻量對固化鋅離子污染黃土的應力-應變曲線的影響明顯，主要體現在彈性階段，初始彈性模量顯著增加，峰值應力增大，破壞應變顯著減小，殘余強度更小。高養護齡期下（14，28 d），應力-應變曲線的上升段基本處于彈性變形階段，試樣彈性模量很高，峰值應力后，應力陡降至0，高摻量（C9）時，現象更為明顯。

養護齡期0 d，水泥摻量3％（0 d C3）時，應力-應變曲線較快過渡到彈塑性性階段〔見圖4（a）〕，A點后，試樣內部產生微小裂隙，軸向應力增加緩慢;至峰值C點時，試樣端部產生兩條破壞裂紋并交叉匯合，試樣強度開始減小;裂縫沿著近似平行于軸向應力的方向擴展，應力-應變曲線緩慢下降，直至裂縫貫通，殘余強度接近于0，試樣破壞形態呈現為“Y”型剪切破壞〔見圖5（a）〕。

養護齡期7 d，水泥摻量9％（7 d C9）時，應力-應變曲線上升階段基本呈現為直線，即彈性變形〔見圖4（b）〕。接近于峰值C點時，試樣內部微小裂縫迅速發育，沿單一剪切面發生破壞，試樣強度驟降，由于剪切面不光滑，試樣仍存在500 kPa左右的強度；隨著剪切滑移強度逐漸減小，試樣破壞形態呈現為單剪切帶破壞〔見圖5（b）〕。 相對于7 d C9，養護齡期14 d，水泥摻量9％（14 d C9），無明顯彈塑性變形階段，達到峰值C點時，對應的軸向應變更小，應力更大，仍有單一的剪切帶，但破壞角度更大〔見圖5（c）〕，殘余強度接近于0。

養護齡期28 d，水泥摻量3％（28 d C3）時，軸向應力施加的初期，一直處于彈性階段，試樣未產生裂隙；應力增加，端部摩擦也增大，試樣側面表現為拉應力，向外發生變形，土顆粒剝落，試樣剪切裂隙發育，經歷較短的彈塑性變形，軸向應力增加緩慢;達到峰值時，剪切裂縫貫通，土體強度降低，隨著土顆粒剝離，試樣最終形成錐形破壞的形態〔見圖5（d）〕。

2.2? 無側限抗壓強度與破壞應變

圖6是不同養護齡期、不同水泥摻量下固化污染黃土的無側限抗壓強度的柱狀圖。從圖6可以看出，相對于未固化的污染黃土，摻入水泥后，土體強度得到顯著改善。水泥加入到土中后，發生一系列反應，如水化反應、離子交換作用、硬凝反應、碳酸化反應等。其中，水化反應是決定土體強度的主要因素：水泥組分硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）等生成的大量水合硅酸鈣（CSH）膠體，水化產物的比表面積很大，具有極強的吸附能力，能將土顆粒凝聚成塊，有效提高土體強度［18-19］。綜合上述因素，在相同養護齡期下，土樣無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增加而顯著增加，僅養護0 d，摻量3％，土樣強度就增大3倍，可見水泥水化反應迅速;在相同摻量下，隨養護齡期的增加，土體無側限抗壓強度增高。低水泥摻量下（C3），無側限抗壓強度受養護齡期影響較小，0～28 d，強度僅提高2倍，且均低于2 000 kPa;高摻量下（C6，C9），無側限抗壓強度提高近3倍。

破壞應變是衡量水泥固化重金屬污染黃土變形的重要指標，可以表征土樣的脆性或韌性。圖7為破壞應變與養護齡期以及無側限抗壓強度的關系。由圖7可知，固化后的污染黃土的破壞應變分布在0.4％～1.8％。軸向應變基本呈現如下規律：相同摻量條件下，隨養護齡期增大而減小;相同養護齡期下，隨摻量增大而減小;隨著無側限抗壓強度的增大呈現減小的趨勢。

2.3? 變形模量

2.3.1? 水泥摻量和齡期對變形模量的影響

變形模量是無側限條件下壓應力與相應壓縮應變的比值，反映材料抵抗彈塑性變形的能力，可用于彈塑性問題的分析計算。由于水泥土材料為非線性變形，變形模量不是一個常數，通常用變形模量E50（峰值應力的50％所對應的割線模量，也稱變形系數）來表征材料的變形特性［11］。圖8展示了不同水泥摻量、不同養護齡期下水泥固化含鋅污染黃土的變形模量E50的變化規律：相同的養護齡期下，隨著水泥摻量的增加，變形模量增大，在高養護齡期14，28 d時，變形模量隨養護齡期增幅明顯，C9的E50大約是C3的4～5倍;相同水泥摻量下，E50隨養護齡期的增大而增大。

2.3.2? 變形模量與無側限抗壓強度的關系

圖9為不同水泥摻量、不同養護齡期下水泥固化含鋅污染黃土變形模量E50與無側限抗壓強度的關系。由圖9可知，其存在非線性關系

E50=40.57qu2， R2=0.92。[JY]（1）

2.4? 考慮水泥摻量和養護齡期影響的本構模型構建

2.4.1? 模型選擇

據上述試驗分析，經水泥固化后的鋅離子污染黃土的應力-應變曲線呈現的規律為：達到峰值強度后，小應變增量致使應力驟減至很低的峰后強度，土樣具有明顯的脆性特征［20］，由此可用如下分段式函數描述：

y=[JB（｛][HL（2]ax+（3-2a）x2+（a-2）x3，[]0≤x<1

[SX（]x[]b（x-1）2+x[SX）]，[]x>1

[HL）][JB）]? [JY]（2）

式中：y=σ／qu，σ為軸向應力，qu為水泥固化污染土的無側限抗壓強度;x=ε/εc，ε為軸向應變，εc為試樣破壞應變。

利用公式（2）對試驗結果進行擬合（見圖10），擬合參數見表2。由圖10、表2可知，模型對應力應變試驗全曲線的擬合程度令人滿意。

2.4.2? 模型參數分析

1）上升段模型參數a：反映了彈性變形的大小，a值越小，彈性變形占總變形的比例越高。

參數n表示初始彈性模量與峰值割線模量的比值，當x=0時，

n=[SX（]dy[]dx[SX）][JB>2|]x=0=[SX（]d（σ/qu）[]d（ε/εc）[SX）][JB>2|]x=0=[SX（]E0[]Ec[SX）]，[JY]（3）

式中，E0為初始彈性模量，Ec為峰值割線模量。

依據實驗所得結果，水泥固化重金屬污染黃土參數a值與參數n、水泥摻量C及養護齡期T相關，通過回歸分析確定參數新的計算式

a=1.585[SX（]E0[]Ec[SX）]+0.028C-0.005T-1.156

R2=0.933。[JY]（4）

擬合效果見圖11。

2）下降段模型參數：參數b由強度等級和約束方式確定。b反映了材料的峰后變形能力，b值越大，脆性特征越明顯。水泥固化重金屬污染黃所得試驗規律：b值隨水泥摻量、養護齡期增大而增大。考慮二者因素對b值影響，依據試驗結果，進行回歸分析，得公式

b=2.986C+0.735T+2.262，

R2=0.916。[JY]（5）

擬合效果見圖12。

本模型具有一定的局限性，其僅適用于普通硅酸鹽水泥固化后的鋅離子污染黃土。

3? 結論

1）未經水泥固化的鋅離子污染黃土應力-應變曲線與固化后的應力-應變曲線，均為軟化型，均可分為4個階段：彈性階段、非線性上升階段（彈塑性變形階段）、應力下降段、殘余穩定階段。但是，固化后的應力-應變曲線破壞應變更小，不同水泥摻量、養護齡期，應力-應變曲線形態相似：下降段應力發生驟降，且殘余強度接近于0，土體展現明顯的脆性特征;試樣的破壞形態分為“Y”型剪切破壞、單剪切帶破壞及錐形破壞。

2）隨著養護齡期、水泥摻量的增加，無側限抗壓強度增大，破壞應變基本呈現減小趨勢，破壞應變也隨無側限抗壓強度增大而減小。

3）水泥固化鋅離子污染黃土的變形模量隨養護齡期、水泥摻量的增大而增大;無側限抗壓強度增大，變形模量也遞增，二者呈現非線性關系。

4）構建了考慮水泥摻量、養護齡期影響，描述水泥固化鋅離子污染黃土單軸壓力下，應力-應變曲線的分段模型，模型參數a與水泥摻量、養護齡期、以及E0／EC存在線性關系;參數b值存在隨水泥摻量、養護齡期增大而增大的線性經驗關系。

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（編? 輯? 雷雁林）