盤 霞，黃 強(qiáng)

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.廣西珠委南寧勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣西 南寧 530007）

0 引言

目前，人們把粉煤灰、礦渣、鑄造廢砂等工業(yè)廢棄物廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，以解決工業(yè)廢棄物排放引起的環(huán)境問題。人們主要把這些工業(yè)廢棄物和土混合在一起作為鐵路、公路路基的填料來(lái)使用，這樣不僅能很好地解決如何處理工業(yè)廢料的難題，還能提高路基填料的強(qiáng)度、透水性，從而達(dá)到改良土的填筑性能的目的。然而，隨著工業(yè)廢棄物在土木工程中的應(yīng)用日益頻繁，人們開始擔(dān)心其帶來(lái)的負(fù)面問題，有些組織機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始研究這種工業(yè)廢棄物改良土帶來(lái)的環(huán)境問題。但是由于這是一個(gè)土木工程和環(huán)境工程交叉學(xué)科的問題，目前還沒有一個(gè)權(quán)威的試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定工業(yè)廢棄物改良土的污染特性。本文提出一種新型試驗(yàn)方法，來(lái)研究工業(yè)廢棄物改良土污染特性。

1 研究基礎(chǔ)

為了更好地模擬工業(yè)廢棄物改良土有毒成分的浸出規(guī)律，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們研究了各種試驗(yàn)方法模擬真實(shí)情況。

目前，國(guó)外研究工業(yè)廢棄物改良土通用的浸出試驗(yàn)方法主要是土柱滲透試驗(yàn)方法。這種試驗(yàn)方法是美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱ASTM）在2004出臺(tái)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，該試驗(yàn)?zāi)鼙容^真實(shí)地模擬地下水在土壤的運(yùn)移規(guī)律。試驗(yàn)裝置四周用軟橡皮膜制成（模擬三維），見圖1。試驗(yàn)時(shí)，把水力梯度調(diào)到7～10（加快水流在試樣中的浸出時(shí)間），入滲流從裝置底部流進(jìn)裝置，從頂部流出，定期收集浸出液，測(cè)定浸出液離子濃度。目前以美國(guó)威斯康星州的Benson教授等人用此試驗(yàn)方法研究工業(yè)廢棄物在土木工程中的應(yīng)用最為出名。Benson［1］采用此試驗(yàn)方法對(duì)摻粉煤灰公路路基重金屬離子在不同滲濾劑作用下的浸出能力進(jìn)行研究。Taeyoon Lee（2005年）［2］用此試驗(yàn)方法對(duì)鑄造廢砂作為垃圾填埋場(chǎng)的活性的隔離介質(zhì)時(shí)污染物的滲濾特征進(jìn)行研究。

圖1 土柱滲透試驗(yàn)裝置示意圖

國(guó)內(nèi)的學(xué)者研究工業(yè)廢棄物改良土主要采用的是淋溶柱試驗(yàn)，裝置見圖2。此裝置設(shè)定一個(gè)高水位槽，讓水槽中的浸取液流經(jīng)試樣，然后定時(shí)收集浸出液并及時(shí)測(cè)出浸出液的濃度。此方法是簡(jiǎn)單模擬雨水在土壤中的運(yùn)移規(guī)律，可以模擬飽和和非飽和兩種狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)的淋容實(shí)驗(yàn)沒有統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們研究不同固體廢棄物時(shí)，裝置會(huì)根據(jù)實(shí)際情況而有所改進(jìn)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究固體廢棄物的污染特性時(shí)大都采用淋溶試驗(yàn)方法，這種試驗(yàn)方法主要用來(lái)模擬地表水在土壤里入滲時(shí)污染物的浸出規(guī)律。而國(guó)外的學(xué)者采用土柱滲透試驗(yàn)方法，采用這種試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，溶液從土柱下部入滲，上部流出，主要模擬地下水在土壤中運(yùn)移的規(guī)律。本文在結(jié)合前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型試驗(yàn)方法，命名為注滲試驗(yàn)方法來(lái)研究工業(yè)廢棄物改良土污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律。

圖2 淋溶裝置示意圖［3］

2 注滲試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及特點(diǎn)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)宗旨是“化學(xué)與土工試驗(yàn)結(jié)合，最大程度模擬實(shí)際”。本試驗(yàn)在綜合國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)的前提下，采用注滲試驗(yàn)裝置（詳見下頁(yè)圖3）。試驗(yàn)時(shí)，把擊實(shí)好的試樣放入試驗(yàn)裝置中，往試驗(yàn)裝置里注滲濾液，讓滲濾液從混合料試樣的底部流入，頂部滲出，模擬地下水在土壤中的運(yùn)移規(guī)律。在溶液滲出管下方放置容器，收集滲出液。待滲出液收集滿100ml時(shí)，測(cè)試滲出液的各項(xiàng)污染物指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)常用的淋溶柱試驗(yàn)?zāi)M的情形接近于自然降雨過程，本文進(jìn)行的注滲實(shí)驗(yàn)?zāi)M更接近于地下水的運(yùn)移，與實(shí)際情況較為接近。

該試驗(yàn)方法具備四個(gè)特點(diǎn)：

（1）本研究采取化學(xué)試驗(yàn)和土工試驗(yàn)相結(jié)合的方式。樣品制備前，先測(cè)定工業(yè)廢棄物化學(xué)成分，確定超標(biāo)的化學(xué)物質(zhì)。同時(shí)，依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG.E40－2007）［4］測(cè)定各種配合比工業(yè)廢棄物改良土的物理指標(biāo)，確定各種配合比改良土的最優(yōu)含水率。

（2）土樣制備考慮土木工程各行業(yè)中土工試驗(yàn)土樣制備特點(diǎn)。本試驗(yàn)土樣制備按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG.E40－2007）中擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制備各種摻量的改良土試樣，與路基填筑采用的試驗(yàn)方法一致，接近實(shí)際。若研究的改良土為土木工程別的領(lǐng)域，可結(jié)合各自行業(yè)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行土樣制備。

（3）試驗(yàn)裝置與土工試驗(yàn)裝置相匹配。裝置的尺寸根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG.E40－2007）中輕型擊實(shí)筒的尺寸來(lái)定制，這樣擊實(shí)的土樣才能放置到裝置中。裝置中間筒部分使用半剛性的PVC材料制作，未像美國(guó)土柱滲透試驗(yàn)方法那樣采用軟橡皮膜。主要考慮到使用橡膠模，裝置制作相對(duì)繁瑣，而且土樣容易發(fā)生側(cè)向變形，在大規(guī)模改良土填筑中，改良土可認(rèn)為放置于半無(wú)限大的空間，側(cè)向變形細(xì)微，不容易發(fā)生側(cè)向大變形。

（4）試驗(yàn)所用滲濾液特點(diǎn)。為了研究在不同條件下污染物的滲出規(guī)律，試驗(yàn)準(zhǔn)備三種滲濾液：去離子水、自來(lái)水和PH值與試驗(yàn)地區(qū)酸雨相近的酸性溶液。分別模擬不同情況下污染物的浸出特點(diǎn)。滲濾液采取從試驗(yàn)底部流進(jìn)試驗(yàn)試樣、從頂部流出的方式，與地下水運(yùn)移情形一致，而不是采取自上而下淋溶的方式。

2.2 試驗(yàn)裝置

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置稱為注滲試驗(yàn)裝置，構(gòu)造圖詳見圖3。本試驗(yàn)裝置由上下底板、中間筒、軟管和固定螺絲組成。試驗(yàn)裝置中間筒的尺寸是根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG.E40－2007）輕型擊實(shí)筒的尺寸來(lái)定制，采用半剛性的PVC板制作，管壁厚2mm，內(nèi)徑102mm，內(nèi)部體積997cm3。裝置的上下底板，厚12mm，板中間留有10mm的進(jìn)出水孔，進(jìn)出水孔與軟管連接。為了增加裝置的密封性，上下底板上留有與中間筒內(nèi)徑一樣大小的刻槽，刻槽內(nèi)放置O型環(huán)。裝置四周用長(zhǎng)螺絲固定，試驗(yàn)中，裝置可以承受3 MPa的水壓。

圖3 注滲試驗(yàn)裝置示意圖

2.3 試樣準(zhǔn)備和制備

工業(yè)廢棄物摻入土中改良土的填筑性能，一般摻入廢棄物的百分比為10%、20%、30%和50%，試驗(yàn)時(shí)也可以根據(jù)具體情況摻入不同量的廢棄物，制備不同摻量的改良土樣。

2.3.1 試樣的準(zhǔn)備

（1）取要改良的代表土樣100kg，風(fēng)干，碾碎，過0.1mm標(biāo)準(zhǔn)篩。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG.E40－2007）測(cè)定土樣的含水率、比重、級(jí)配、液塑限、最大干密度和最優(yōu)含水率等物理性質(zhì)指標(biāo)。

（2）取工業(yè)廢棄物30kg。制備土樣前，測(cè)定工業(yè)廢棄物化學(xué)成分，分別確定超過《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978－1996）［5］和 《生 活 飲 用 水 衛(wèi) 生 標(biāo) 準(zhǔn)》（GB5749－2006）［6］的化學(xué)指標(biāo)。注滲試驗(yàn)浸出液污染物測(cè)試的項(xiàng)目指標(biāo)，由上述試驗(yàn)確定。測(cè)試的指標(biāo)包含超出《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978－1996）的指標(biāo)。

（3）本試驗(yàn)準(zhǔn)備三種滲濾液：①用蒸餾水模擬無(wú)雜質(zhì)干擾情況下，改良土污染物的浸出特征；②用自來(lái)水模擬一般情況地下水運(yùn)移時(shí)改良土污染物的浸出特征；③用pH值為4.5的醋酸溶液或與取樣地區(qū)酸雨相符的酸溶液來(lái)模擬酸雨影響的情況下改良土污染物的浸出特征。

2.3.2 試樣的制備

分別在土中摻入10%、20%、30%、50%的廢棄物（土與廢棄物總重約3kg），根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG.E40－2007）土工試驗(yàn)所測(cè)得的最優(yōu)含水率，加水，充分?jǐn)嚢杈鶆?。依?jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG.E40－2007），進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)。將輕型擊實(shí)儀放置堅(jiān)硬地面上，在筒壁上涂抹凡士林，將3kg混合土樣大致平分為3份，分3層擊實(shí)，每層錘擊27次。錘擊時(shí)，應(yīng)讓擊實(shí)錘自由落體垂直落下，錘印遍布土樣。每層錘擊完畢后，用刀片對(duì)擊實(shí)層面進(jìn)行拉毛處理，保證兩層土的良好接觸。擊實(shí)結(jié)束后，用刮土刀削刮套筒內(nèi)壁，取下套筒，修平頂部多余的土樣，用推土器推出筒內(nèi)試樣。試樣制備好之后，密閉放置7d備用。

廢棄物摻量分別為10%、20%、30%、50%的試樣要用3種滲濾液進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)，因此，整個(gè)實(shí)驗(yàn)共計(jì)要制備≥24個(gè)土樣。

2.4 試驗(yàn)步驟

（1）將制備好的土樣放入注滲試驗(yàn)裝置中，在土樣兩端各放置一塊濾紙，蓋上頂板和底板，擰緊頂?shù)装逅闹艿墓潭萁z。

（2）在裝置上方放置水槽，用軟管連接水槽與裝置底部，使?jié)B濾液從裝置底部流進(jìn)，頂部流出（模擬地下水的流動(dòng)，每個(gè)試樣只用一種滲濾液進(jìn)行試驗(yàn)），見圖4。排出裝置軟管中的氣泡，把水力梯度I調(diào)到I＝5（地下水在土壤中流動(dòng)的水力梯度約為1，大量的實(shí)驗(yàn)證明，即使把水力梯度調(diào)節(jié)到10，也不會(huì)對(duì)土壤中重金屬浸出規(guī)律造成影響，為了加快試驗(yàn)的進(jìn)程和符合實(shí)際試驗(yàn)條件，本試驗(yàn)把1調(diào)到5）。

圖4 柱滲試驗(yàn)工作示意圖

（3）在軟管出水口處放置容器收集浸出液。每當(dāng)浸出液體積達(dá)約100ml時(shí)，記錄浸出液的體積、收集時(shí)間、測(cè)定浸出液的pH值，并即刻測(cè)定浸出液污染物濃度，測(cè)定的指標(biāo)包含工業(yè)廢棄物中超出《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978－1996）的化學(xué)指標(biāo)。直到浸出液收集達(dá)7d時(shí)終止實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到7d以上，樣品中污染物的濃度變化很小，基本趨于穩(wěn)定，為了節(jié)省時(shí)間，降低成本，故只進(jìn)行7d實(shí)驗(yàn)）。

（4）以上步驟結(jié)束后，換試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

（5）數(shù)據(jù)處理。

3 試驗(yàn)方法的應(yīng)用

目前注滲試驗(yàn)已在國(guó)內(nèi)得到初步應(yīng)用，并取得一定的成果。孫樹林等在鑄造廢砂改良土重金屬浸出試驗(yàn)研究中，采用該注滲試驗(yàn)方法，得出鑄造廢砂改良土浸出物中，只有Fe、Mn、Pb沒有滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、PH值對(duì)重金屬的浸出影響較大的結(jié)論，結(jié)論與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果較為相符。［7］李玲等在摻膨脹土粉煤灰的重金屬浸出試驗(yàn)研究中，也采用該注滲試驗(yàn)方法，得出粉煤灰改良土中Fe、Mn離子浸出濃度較大，超過《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的結(jié)論，結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果也相近。［8］

4 結(jié)語(yǔ)

（1）注滲試驗(yàn)是以美國(guó)的土柱滲透試驗(yàn)方法（ASTM D 3987）為基礎(chǔ)，結(jié)合我國(guó)的《土工試驗(yàn)規(guī)程》而設(shè)計(jì)，有一定的理論依據(jù)。

（2）注滲試驗(yàn)方法在國(guó)內(nèi)得到初步的應(yīng)用，在研究鑄造廢砂改良土和粉煤灰改良膨脹土重金屬浸出特性方面，取得一定的成果，有實(shí)踐應(yīng)用意義。

（3）其他的工業(yè)廢棄物，例如礦渣、鋼渣在土木工程的應(yīng)用與鑄造廢砂和粉煤灰頗為相似，因此，注滲試驗(yàn)是可以在工業(yè)廢棄物改良土污染物特性研究中廣泛應(yīng)用的。

綜上所述，注滲試驗(yàn)是一種值得在環(huán)境工程和巖土工程交叉學(xué)科研究中推廣的試驗(yàn)方法。