盧爾聰

（中鐵十五局集團第五工程有限公司 天津 300133）

1 引言

2010年中華人民共和國環(huán)境保護部、中華人民共和國統(tǒng)計局和中華人民共和國農(nóng)業(yè)部三部門聯(lián)合發(fā)布的《第一次全國污染源普查公報》顯示，全國工業(yè)重金屬（鎘、鉻、砷、汞、鉛）年排放0.09萬t。這些污染物進入水體、土體，對周邊環(huán)境造成了嚴重影響，這就要求有相應(yīng)的處理措施。

水泥固化是無機污染廢棄物處理中常用的一種化學(xué)處理手段，主要是指在土體中摻入水泥基固化劑，通過物理、化學(xué)原理對污染物進行固定，降低污染離子在土壤環(huán)境中的溶解遷移。其工程應(yīng)用已有將近50年歷史，大量的工程應(yīng)用案例證明其是經(jīng)濟高效的方法。

盡管世界范圍內(nèi)不少國家已經(jīng)對污染物的固化效果做出了規(guī)范要求或指導(dǎo)標準［1-5］。但固化手段的應(yīng)用時間相對并不長，其長期性能還有待驗證。且固化后的污染物常接觸到地下水體，這對地下水體的安全也是極大的威脅。

許多學(xué)者對重金屬污染土的固化效果與作用機理進行了研究，一些污染物進行水泥基材料固化的效果不好，污染離子會推遲、破壞水泥的水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)。

水泥基固化劑的碳化是通過一系列化學(xué)反應(yīng)，改變水泥水化最終產(chǎn)物。基本化學(xué)反應(yīng)原理：

碳化反應(yīng)可以降低混凝土孔隙液的pH，將氫氧鈣石轉(zhuǎn)化為方解石，造成體積變化，CSH凝膠的脫鈣，鋼筋鈍化膜的破壞，從而造成鋼筋銹蝕等。固化污染土與混凝土不同，水泥含量相對較少，水泥水化反應(yīng)還會受到污染物-水泥基材料反應(yīng)的影響。因此，從理論上，碳化作用對水泥基固化污染土的影響與快速石灰穩(wěn)定化重金屬污染土類似。

近年來，一些學(xué)者對重金屬污染土的危害及防治開始重視［6-9］，并對碳化對固化重金屬污染土效果的影響進行了研究。Mollah等［10-11］對固化Cd、Cr和Zn污染土的碳化作用影響進行了研究，結(jié)果表明水化產(chǎn)物受到了較大影響，重金屬離子的固定得到了強化。章定文等［12］采用室內(nèi)加速碳化試驗方法，分析了碳化作用對水泥固化／穩(wěn)定化鉛污染土淋濾特性，結(jié)果表明，碳化養(yǎng)護試樣的鉛累計溶出量是標準養(yǎng)護試樣的0.68～0.91倍，碳化有利于鉛的固化／穩(wěn)定化。這些研究都表明碳化作用所形成的碳酸鈣對重金屬污染土中重金屬的固化是有利的。

本文將采用普通波特蘭水泥固化的重金屬污染土放入3種不同環(huán)境養(yǎng)護后，測試土樣的強度、微觀結(jié)構(gòu)變化和重金屬離子溶出特性。

2 試驗方法

所采用重金屬污染土取自某電鍍工廠，pH值為8.0，總可溶固體含量為9 300 mg／L，水溶性有機碳（TOC）含量為2.1 mg／L。土樣先放置于105℃干燥至恒重，后研缽碾碎至粒徑500μm以下。經(jīng)過HNO3和HCl酸化后測定重金屬離子含量。見表1。

表1_污染土各離子含量 mg／kg

將干燥后的重金屬污染土和水泥、重蒸餾水充分混合。混合比例設(shè)計見表2。

表2 試樣各組分配比

混合后裝入直徑50 mm的PVC管模具，試樣高度為50 mm。試樣裝好后放入3種養(yǎng)護環(huán)境中，5 d后拆模，總養(yǎng)護時間為28 d。養(yǎng)護環(huán)境為試驗室環(huán)境、CO2環(huán)境、N2環(huán)境。

試驗室環(huán)境實測平均溫度為20℃；CO2環(huán)境為碳化箱，控制箱內(nèi)相對濕度（RH）50%，箱內(nèi)CO2濃度20%；N2環(huán)境為充滿N2的可密封有機玻璃罐。

養(yǎng)護28 d后取出進行無側(cè)限抗壓強度試驗、淋濾試驗和XRD檢測。

3 試驗結(jié)果

3.1 強度變化

無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖1。

圖1 無側(cè)限抗壓強度值

從圖1中可以看出，隨著OPC含量的提高，試驗UCS增高。未添加重金屬污染的試樣在CO2養(yǎng)護環(huán)境下的UCS強度是所有試樣中最高的，達到了12.38 MPa，N2和試驗室條件養(yǎng)護下的UCS強度也達到了將近10 MPa。

在含有重金屬污染條件下，N2養(yǎng)護環(huán)境下試樣的UCS在所有試樣中是最低的，在20%OPC添加情況下，試樣太過松散甚至不能滿足試驗要求；CO2養(yǎng)護環(huán)境下的試樣在OPC摻入比30%和25%時強度均最高，但在20%時較低。

3.2 晶體變化

粉末X射線衍射法用于樣品的定性或定量的物相分析，當待測物質(zhì)化學(xué)成分與物質(zhì)晶型確定時，應(yīng)具有獨立的X射線特征衍射圖譜和數(shù)據(jù)。通常，衍射圖譜包括衍射峰數(shù)量、衍射峰位置、衍射峰強度、衍射峰幾何拓撲等信息。本試驗結(jié)果見表3。

_表3_XRD晶相試驗結(jié)果

試驗室養(yǎng)護環(huán)境下的試樣，氫氧鈣石、方解石、鈣礬石等成分可以檢測出來；N2養(yǎng)護環(huán)境下的試樣，缺失氫氧鈣石，含有大量的鈣礬石和未水化的C3S。碳化環(huán)境下的試樣，氫氧鈣石和石膏是重要成分，鈣礬石在所有試樣中均未檢測出。

從圖2中可以看出碳化養(yǎng)護環(huán)境對OPC水化產(chǎn)物的影響。方解石數(shù)量從多到少的養(yǎng)護環(huán)境依次是：CO2＞試驗室＞N2，CO2環(huán)境下，鈣礬石逐漸分解，方解石和石膏成分逐漸增多。

圖2 晶相變化

3.3 溶出特性

從表4可以看出，試驗室養(yǎng)護環(huán)境下的試樣中重金屬離子溶出量最大，CO2養(yǎng)護環(huán)境下試樣次之，溶出量最小的是N2養(yǎng)護環(huán)境下的試樣。

表4 溶出離子濃度 mg／kg

4 結(jié)論

本文通過UCS、XRD和淋濾試驗對CO2、N2和試驗室環(huán)境下OPC固化重金屬污染土的一系列特性做了研究，得出如下結(jié)論：

（1）隨OPC摻量的提高，試樣的UCS提高，所以理論上會存在一個固化效果、經(jīng)濟最優(yōu)的OPC摻量。

（2）水泥水化過程會受到養(yǎng)護環(huán)境的影響，N2環(huán)境會造成水化產(chǎn)物中氫氧鈣石的缺失，CO2會促進水泥水化中C3S的水化，產(chǎn)生CaCO3；水化產(chǎn)物的變化，最終還會影響到試樣的UCS強度。

（3）CO2提高了試樣中重金屬離子的溶出特性，但試驗結(jié)果顯示效果沒有N2環(huán)境更好，這可能是由于重金屬離子溶出特性受到多種因素的影響，如OPC水化最終產(chǎn)物、水化時間、pH值等。

本文對碳化在重金屬污染土固化中的應(yīng)用做了一系列試驗與研究，對重金屬污染土固化這一目前廣泛應(yīng)用手段的研究將起到借鑒與指導(dǎo)作用。