(溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

隨著人類生產(chǎn)力不斷發(fā)展，生活水平不斷提高，環(huán)境污染變得越來越嚴(yán)重，其中，廢水、廢渣已成為土壤的重要污染源。這些污染物質(zhì)進(jìn)入土體，改變土體的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，破壞土體或地下構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致地基土工程性質(zhì)惡化，從而使工程建設(shè)活動產(chǎn)生安全隱患。因此，迫切需要對污染場地進(jìn)行環(huán)境評估與工程處理[1]。

以上試驗研究多是對水泥固化單一類型的重金屬或酸堿污染土進(jìn)行的研究，而實際工程中，污染土的污染物質(zhì)復(fù)雜多樣，特別是在溫州地區(qū)，有些工業(yè)廢水含有大量的重金屬、堿類、鹽類和油脂。目前，針對這些復(fù)雜污染物污染土的研究，尤其是關(guān)于溫州軟土被污染后的相關(guān)研究還鮮有系統(tǒng)性研究成果的報道。

針對水泥固化幾種不同類型的污染土，進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和掃描電鏡(SEM)試驗，涉及到重金屬、鹽類、有機(jī)物3個方面。采用Pb(NO3)2、NaCl、油脂作為污染物，人工配制摻有相關(guān)污染物的溫州軟粘土，研究了在不同污染物濃度、水泥摻量、齡期下的水泥固化后的強(qiáng)度特性和微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用的污染土由室內(nèi)人工制備而成。試驗用土選取溫州地區(qū)的軟粘土，試驗用土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of experimental soil

試驗中重金屬污染源采用Pb(NO3)2，因為Pb(NO3)2的溶解度較高；鈉鹽污染源采用NaCl分析純，因為NaCl溶解度高且無毒；油脂類污染源采用植物油，因為植物油常溫下為液態(tài)且取材方便。

設(shè)計污染物在干土中的含量為1 000、10 000、30 000 mg/kg，即分別為干土重量的0.1%、1%、3%。不含污染物的普通水泥土用0%表示。

試驗中所用的水泥為強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，綜合考慮工程實際情況和室內(nèi)試驗的方便，最終決定水泥摻量分別為干土重量的4%、8%、12%。

說明 選取本例意在突出“所求線段與已知線段間數(shù)量關(guān)系”的多樣性，其實除了相等關(guān)系與倍數(shù)關(guān)系外，還有可能通過比例和方程等構(gòu)建相等關(guān)系．

1.2 試驗方法

將試驗所用的土樣進(jìn)行烘干、加工成粉末狀，然后再烘干，最后進(jìn)行過篩處理(200目)。根據(jù)試驗設(shè)計的污染物濃度、水泥摻入量，量取一定質(zhì)量的烘干土并計算出這些烘干土所需的水泥用量、污染物用量。以對溫州土進(jìn)行人工擊實試驗得出的最優(yōu)含水率，作為本試驗實際摻水量，量取一定量的去離子水，用磁力攪拌機(jī)將污染物充分溶解于去離子水中，得到污染物溶液。將烘干后的土粉和相應(yīng)配比用量的水泥摻在一起，并且攪拌均勻，然后加入配制好的污染物溶液，再次充分?jǐn)嚢?，達(dá)到各組分均勻性良好。

采用人工擊實法制樣，分3層擊實制成高10 cm、直徑5 cm的柱狀試樣，脫模、稱重、放入密封的塑料袋中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度20±3 ℃，相對濕度95%)，養(yǎng)護(hù)至設(shè)計齡期(7、14、28 d)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗采用YSH-2型，控制軸向應(yīng)變速度為1 mm/min，掃描電鏡試驗中觀測圖像放大10 000倍。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 齡期對強(qiáng)度的影響

圖1為不同污染物含量的污染土，摻入4%、8%、12%的水泥固化穩(wěn)定后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線。對于未污染的土，經(jīng)過養(yǎng)護(hù)后，水泥固化土的強(qiáng)度逐漸提高，養(yǎng)護(hù)前7 d水泥固化土的強(qiáng)度提高較大，之后隨著養(yǎng)護(hù)期的增加強(qiáng)度增加緩慢，特別是7～14 d之間，強(qiáng)度幾乎不變。

由圖1(a)可以看出，隨著齡期的變化水泥固化NaCl污染土的強(qiáng)度變化趨勢與未摻入污染的水泥土類似，都是隨著齡期的增長強(qiáng)度提高，并且都是前7 d增長最快，7～14 d增長緩慢，幾乎不變，而14～28 d增速又稍有提高。對比分析前期的增長速率，污染物的濃度越低，前7 d的增長速率越大，當(dāng)不含污染物，且水泥摻量為12%時，增長速率最大，對應(yīng)的7天強(qiáng)度最高。對于濃度為3%的NaCl的強(qiáng)度隨著齡期的增加提高較小，特別是水泥含量較低(4%水泥)時，養(yǎng)護(hù)齡期的增加強(qiáng)度只有小幅度的提高。

通過圖1(b)可以看出，水泥固化油脂污染土的強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律跟無污染水泥土有較大區(qū)別，水泥固化油脂污染土的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加提高較為明顯，增長線性較好，增長速率大致相同。相對于無污染的水泥固化土以及NaCl污染的水泥固化土而言，7～14 d的增長速率有較大提高。但是，7～14 d的強(qiáng)度值與NaCl的7～14 d的強(qiáng)度值相差較大。同樣，油脂含量越低，隨著養(yǎng)護(hù)期的增加，強(qiáng)度提高越明顯，同樣，增長速率越大，相反油脂含量越大時，強(qiáng)度提高不太明顯，增長速率較小，當(dāng)油脂含量為3%，水泥摻入量為4%時，養(yǎng)護(hù)齡期的增加對水泥固化油脂污染土的強(qiáng)度幾乎沒有影響，只略有提高。

圖1 摻入不同污染物水泥固化土強(qiáng)度隨齡期變化Fig. 1 Variation of strength of cemented soils mixed with different pollutants with curing

由圖1(c)可以看出，隨著齡期的增加水泥固化Pb(NO3)2污染土的強(qiáng)度變化趨勢與無污染水泥土有較大區(qū)別，但與水泥固化油脂污染土的強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律相似，但對于Pb(NO3)2含量為3%，水泥摻入量為4%時，養(yǎng)護(hù)齡期的增加對水泥固化Pb(NO3)2污染土的強(qiáng)度影響較明顯。

2.2 水泥摻量對強(qiáng)度的影響

圖2 摻入不同污染物水泥固化土強(qiáng)度隨水泥摻量變化Fig. 2 Variation of strength of cemented soils mixed with different pollutants with cement

通過圖2(a)可以發(fā)現(xiàn):離子濃度較低時，水泥固化NaCl污染土的強(qiáng)度與水泥固化無污染土接近；離子濃度較高時，對強(qiáng)度有較大影響，特別是NaCl摻量為30 000 mg/kg時，水泥固化NaCl污染土的強(qiáng)度與水泥固化無污染土的強(qiáng)度差別較大，不但變化曲線的趨勢有所不同，強(qiáng)度差別更是較為明顯。可能是少量的NaCl導(dǎo)致水泥固化土產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、空隙較少的水化產(chǎn)物，而隨著NaCl摻量的增加，水化產(chǎn)物變得結(jié)構(gòu)疏松，空隙增多、變大，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

通過圖2(b)可以發(fā)現(xiàn):無論油脂濃度高低，3個齡期內(nèi)水泥固化油脂污染土隨著水泥摻入量的增加，強(qiáng)度都逐漸提高，0.1%油脂的變化曲線與水泥固化無污染土接近，但隨著油脂濃度的增大，變化曲線發(fā)生較為明顯的差別;3個不同齡期時的變化曲線整體相似，3種油脂含量下的強(qiáng)度在0%、4%、12%水泥時都較為相近，但在8%水泥時相互差別都較大。

通過圖2(c)可以發(fā)現(xiàn):3個齡期內(nèi)，3種Pb(NO3)2含量下，水泥固化Pb(NO3)2污染土的強(qiáng)度都隨著水泥摻入量的增加而提高；水泥固化Pb(NO3)2污染土的強(qiáng)度變化曲線的斜率隨著水泥摻入量的增加基本不變，這與水泥固化未污染土的強(qiáng)度變化曲線的斜率隨著水泥摻入量的增加先增加后減小不同，可見在Pb(NO3)2的影響下，水泥固化土的強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加時的變化更加均勻。

2.3 污染物含量對強(qiáng)度的影響

圖3為摻入不同污染物且污染物摻量不同的土，摻入4%、8%、12%的水泥固化穩(wěn)定后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨污染物摻量的變化曲線。對于摻入NaCl的固化土而言，可分為兩種情況：1)當(dāng)水泥摻量大于等于8%時，水泥固化土的強(qiáng)度隨著NaCl摻量的增加而降低。2)當(dāng)水泥摻量不大于4%時，NaCl污染土在被水泥固化后其強(qiáng)度隨著NaCl摻量的增加先逐漸增加而后又降低，且都在NaCl摻量為1%時強(qiáng)度達(dá)到最大。說明在一定范圍內(nèi)NaCl對水泥有一定的活性激發(fā)和早強(qiáng)作用[15]。

圖3 摻入不同污染物水泥固化土強(qiáng)度隨污染物摻量變化Fig. 3 Variation of strength of cemented soils mixed with different pollutants with pollutant

對于摻入油脂的情況，從圖3(b)可以看出，水泥固化油脂污染土的強(qiáng)度變化曲線較為相似，都表現(xiàn)出了隨油脂摻入量的增加而降低，且各個齡期的規(guī)律一致。根據(jù)水泥摻量的不同也可以分為兩種情況：當(dāng)油脂摻量較小時，油脂的摻入對水泥固化土的強(qiáng)度影響尤為明顯，微量的油脂就可使水泥固化土的強(qiáng)度有較大幅度的降低；當(dāng)油脂摻量大于0.1%時，只有水泥摻量為8%的水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著油脂摻量的增加繼續(xù)大幅度降低，其他水泥摻量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨油脂摻量的增加繼續(xù)降低，但降低幅度很小。說明了油脂對水泥固化土的強(qiáng)度發(fā)展有較大的阻礙作用，使水泥土的膠結(jié)作用減弱，最終導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低?？赡苁怯椭瑢λ喙袒劣形锢淼母綦x作用，包裹在水泥土顆粒表面，導(dǎo)致水化反應(yīng)變?nèi)?，結(jié)構(gòu)性較差，從而強(qiáng)度明顯降低。油脂的存在使得水泥的水化反應(yīng)在某一階段受到阻滯，不能充分發(fā)揮自身的作用，最終導(dǎo)致水泥的加固效果減弱[16]。

對于摻入Pb(NO3)2的水泥固化土，由圖3(c)可以看出，Pb(NO3)2對水泥固化過程的影響比較復(fù)雜，當(dāng)水泥摻量為12%時，水泥固化Pb(NO3)2污染土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著Pb(NO3)2濃度的增加而降低，且降低幅度較大；當(dāng)水泥摻量為8%時，水泥固化Pb(NO3)2污染土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著Pb(NO3)2濃度的增加先降低，再略微增加，而后又降低，總體表現(xiàn)為降低趨勢；在水泥摻量不大于4%時，水泥固化Pb(NO3)2污染土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著Pb(NO3)2濃度的增加先增加后降低，并且都在Pb(NO3)2濃度為1%時達(dá)到最大強(qiáng)度。分析其原因可能是當(dāng)Pb(NO3)2濃度較低時，孔隙水中的Pb2+容易在由于水泥產(chǎn)生的堿性環(huán)境下，生成的一氧化鉛水合物xPbO ·yH2O，具有一定的膠結(jié)作用，從而具有較高的強(qiáng)度；而Pb(NO3)2濃度較高時或有較高的水泥摻入量時，孔隙水中的OH-就會與Pb2+反應(yīng),生成少量的亞鉛酸[Pb(OH)4]2-，從而使固化土的膠結(jié)作用減弱，強(qiáng)度降低。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)研究

圖4是掃描電鏡放大10 000倍下的12%水泥摻量，污染物摻量分別為1%和3%并養(yǎng)護(hù)28 d土樣的微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片。

比較圖4(a)、(b)可知，摻入3%NaCl的情況下水泥固化土的結(jié)構(gòu)較為松散，空隙較多。而摻量為1%NaCl的情況下，結(jié)構(gòu)性較好，并且有較多的水泥凝膠體與粘土顆?；ハ嗄z結(jié)而形成的纖維狀結(jié)晶體。其原因可能是Cl-對水泥固化土的水化反應(yīng)有阻礙作用或者是Cl-腐蝕了水化硅酸鈣膠體，從而在摻入3%NaCl的水泥固化土中看不到C—S—H生成。

比較圖4(c)、(d)可知，摻入油脂的情況下水泥固化土的結(jié)構(gòu)都較為松散，結(jié)構(gòu)性較差，空隙較大、較多。在摻入1%的油脂時，出現(xiàn)了較薄的石針狀的水泥水化產(chǎn)物，但邊緣較為圓滑；油脂摻量達(dá)到3%時，石針狀結(jié)構(gòu)消失，變?yōu)榱溯^為薄的片狀和塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加松散，邊緣更加圓滑。分析其原因，一方面，油脂對水泥固化土進(jìn)行了物理的包裹，隔離了水泥顆粒之間以及水泥與土顆粒之間的接觸，使其水化反應(yīng)受阻。另一方面，油脂的摻入改變了水泥固化土中的pH值，不利于水泥土中水泥的水化反應(yīng)，從而結(jié)構(gòu)性相對NaCl的影響下更差。

通過圖4(e)、(f)可以發(fā)現(xiàn)，在1%Pb(NO3)2時，水泥固化土體的塊狀較大，且相互接觸較為緊密，但在3%Pb(NO3)2時，水泥固化土體變得扁平且如同碎屑，孔隙較多，結(jié)構(gòu)性很差。原因可能是Pb2+在水泥土顆粒間產(chǎn)生了化學(xué)抑制作用，影響了水化產(chǎn)物的形成，并且減弱了原本土顆粒間的相互粘結(jié)，從而使水泥土的結(jié)構(gòu)變得薄而零碎。

3 結(jié)論

對受NaCl、油脂、Pb(NO3)2污染的溫州軟粘土進(jìn)行了水泥固化后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和掃描電鏡(SEM)試驗，分析了其在不同影響因素下的力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)特性，得出以下主要結(jié)論：

1)在NaCl的影響下，水泥固化污染土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化與無污染水泥土的相似；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化在NaCl摻量為0.1%、1%時與無污染物時相似，但NaCl摻量為3%時差別較大；當(dāng)水泥摻量不大于4%時，固化水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨NaCl摻量的增加先提高后降低，體現(xiàn)出了一定范圍內(nèi)的早強(qiáng)作用。

2)在油脂的影響下，水泥固化污染土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化與無污染水泥固化土的差別較大，增長速率較為均勻，但在3%油脂的影響下，其強(qiáng)度隨齡期的增加幾乎沒有提高；當(dāng)水泥摻入量增加時，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高情況較為復(fù)雜，與無污染物時差別較大；其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨油脂摻量的增加而降低，微量的油脂摻入就可以使水泥固化土的強(qiáng)度有很大的降低。

3)在Pb(NO3)2的影響下，水泥固化污染土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化較為均勻，在低水泥摻量(小于4%)時也表現(xiàn)出早強(qiáng)作用，高水泥摻量時則降低了固化土的強(qiáng)度。

4)SEM結(jié)果表明，在3種污染物的影響下，水泥固化土的結(jié)構(gòu)都變得疏松多孔，且污染物濃度越大，結(jié)構(gòu)性越差；污染物濃度較低時，有C—S—H纖維狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，較高時則無纖維狀晶體出現(xiàn)，反而變?yōu)檩^為疏松的薄片狀結(jié)構(gòu)；油脂對水泥固化土的影響最大，結(jié)構(gòu)改變最為明顯，NaCl和Pb(NO3)2都會對水泥水化產(chǎn)物的形成起抑制作用。

5)綜合分析水泥固化3種污染物污染土的強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)：油脂對水泥固化土的影響最大，油脂影響下水泥固化土的強(qiáng)度最低，與無污染情況下相差最大；Pb(NO3)2影響下水泥固化土的早期強(qiáng)度比NaCl影響下水泥固化土的早期強(qiáng)度低，但28 d強(qiáng)度二者相差不大。

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