嵇 其 偉，聞 一 江，王 升 位

(1.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000； 2.建華建材科技(江蘇)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009； 3.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科技與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

塑性混凝土由于具有彈性模量小、抗壓強(qiáng)度高和防滲性能好等特點(diǎn)，常作為一種垂直防滲墻被廣泛應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)工程和污染場(chǎng)地管控工程[1-3]。強(qiáng)度和滲透性是評(píng)價(jià)塑性混凝土防滲墻的重要參數(shù)，一般要求28 d齡期強(qiáng)度不低于2 MPa，28 d滲透系數(shù)不低于1×10-7cm/s[4]。

目前，大量學(xué)者開展了塑性混凝土墻強(qiáng)度和滲透性方面的研究，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和滲透性均與塑性混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[5-7]。同時(shí)，有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)隨著塑性混凝土孔隙的變化，其pH值和電導(dǎo)率也會(huì)隨之發(fā)生改變[8-10]。為此，學(xué)者們常采用電導(dǎo)率和pH 表征塑性混凝土強(qiáng)度和滲透性，進(jìn)而作為一種快速獲取塑性混凝土墻工程參數(shù)的方法。劉松玉等[11]對(duì)連云港水泥混合土進(jìn)行電阻率(電導(dǎo)率的倒數(shù))和強(qiáng)度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)水泥混合土強(qiáng)度與電阻率之間存在一定關(guān)聯(lián)。車冬日等[12]開展了混凝土強(qiáng)度和理化性質(zhì)指標(biāo)(pH和電導(dǎo)率)的測(cè)定，并提出了利用混凝土前期pH和電導(dǎo)率表征其后期強(qiáng)度的方法。Chrisp[13]針對(duì)普通水泥土開展了滲透試驗(yàn)和電導(dǎo)率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)隨著電導(dǎo)率的增加而增大，兩者呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性。填埋場(chǎng)和污染場(chǎng)地中重金屬鉛離子污染普遍存在，鉛離子會(huì)對(duì)塑性混凝土水化碳化反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響塑性混凝土工程性質(zhì)。Cao等[14]開展了鉛離子對(duì)磷酸鎂水泥土抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響研究，發(fā)現(xiàn)重金屬鉛離子會(huì)參與水泥土水化和碳化反應(yīng)，進(jìn)一步對(duì)水泥土后期強(qiáng)度產(chǎn)生影響。杜延軍等[15]對(duì)鉛污染固化土的強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，提出鉛離子會(huì)參與水泥水化反應(yīng)，生成難溶解的水化硅酸鉛，進(jìn)而延緩固化土中膠結(jié)物的水化反應(yīng)。通過(guò)以上研究可以發(fā)現(xiàn)塑性混凝土的工程性質(zhì)與pH、電導(dǎo)率均存在一定關(guān)聯(lián)，但受重金屬鉛離子污染的塑性混凝土工程性質(zhì)與理化性質(zhì)指標(biāo)(pH和電導(dǎo)率)存在何種關(guān)系尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

為了解決以上問(wèn)題，本文以福建標(biāo)準(zhǔn)砂、河北膨潤(rùn)土、42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥和鉛離子溶液組成的鉛污染塑性混凝土為研究對(duì)象，開展了4種鉛離子濃度和3個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期條件下塑性混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)定了強(qiáng)度試驗(yàn)后塑性混凝土的pH和電導(dǎo)率，進(jìn)一步分析并建立了塑性混凝土強(qiáng)度、滲透系數(shù)與pH、電導(dǎo)率的定量關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)材料選用砂、膨潤(rùn)土、水泥和含鉛離子水。其中，水泥選用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其初凝時(shí)間為155 min，終凝時(shí)間為190 min，28 d抗壓強(qiáng)度為50.3 MPa；砂選用產(chǎn)自福建省的標(biāo)準(zhǔn)砂；膨潤(rùn)土選用產(chǎn)自河北省的膨潤(rùn)土。福建標(biāo)準(zhǔn)砂粒徑分布通過(guò)篩分法測(cè)定，河北膨潤(rùn)土粒徑分布采用馬爾文激光粒度儀(馬爾文公司，英國(guó))測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。按土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了河北膨潤(rùn)土基本指標(biāo)[16]，測(cè)定的指標(biāo)有比重、液限、塑限、膨脹性和陽(yáng)離子交換量，其結(jié)果見表1。塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，其配合比參數(shù)應(yīng)控制在如下范圍：① 用水量可控制在250～330 kg/m3；② 砂率都在60%～95%；③ 膠材用量應(yīng)在210～300 kg/m3，其中膨潤(rùn)土和土的摻量應(yīng)在70～130 kg/m3；④ 水膠比一般在0.7～1.0[17]。因此，塑性混凝土配合比中水膠比(水摻量/水泥+膨潤(rùn)土摻量)控制為0.9，砂摻量為1 600 kg/m3，水泥摻量為220 kg/m3，膨潤(rùn)土摻量為90 kg/m3。重金屬鉛離子選用氯化鉛進(jìn)行配置，文獻(xiàn)[18]采用氯化鉛質(zhì)量為膨潤(rùn)土質(zhì)量的0.1%，1%和3%進(jìn)行試驗(yàn)，為此，本文選用氯化鉛質(zhì)量為膨潤(rùn)土質(zhì)量的0%，0.1%，1%和3%進(jìn)行制樣，各試樣材料用量如下：水膠比0.9，水為279 kg/m3，砂1 600 kg/m3，水泥220 kg/m3，膨潤(rùn)土90 kg/m3，氯化鉛0，0.09，0.90，2.70 kg/m3。

表1 膨潤(rùn)土物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 砂和膨潤(rùn)土顆粒級(jí)配曲線

1.2 制 樣

將4種鉛離子濃度配置的塑性混凝土分別攪拌均勻后壓入環(huán)刀中。每種鉛離子濃度試樣制備6個(gè)試樣，共計(jì)24個(gè)試樣，為保證試樣均勻密實(shí)，將塑性混凝土分3層裝入，每層試樣壓入后進(jìn)行充分振搗。每個(gè)試樣制備好養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，脫模后的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)YH-40B型恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(騰義達(dá)建筑器材有限公司，河北)。該標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱溫度可控制在(20±1) ℃，相對(duì)濕度可控制在95%以上，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7，14 d和28 d。

1.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

塑性混凝土強(qiáng)度采用YYW-Ⅱ應(yīng)變式無(wú)側(cè)限壓力儀(滄州科興儀器設(shè)備有限公司，河北)進(jìn)行測(cè)定，其加載速率為2 mm/min，分別對(duì)齡期7，14 d和28 d塑性混凝土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.4 滲透試驗(yàn)

塑性混凝土滲透試驗(yàn)采用RST-1型柔性壁滲透儀(南京土壤儀器廠，南京)進(jìn)行測(cè)定，分別對(duì)齡期7，14 d和28 d塑性混凝土進(jìn)行滲透試驗(yàn)。滲透試驗(yàn)前先將試樣進(jìn)行抽真空飽和，飽和后的試樣放入滲透儀中進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)壓力選擇為200 kPa。在固結(jié)壓力作用下，觀察排水管液面水位不再變化，即為固結(jié)穩(wěn)定。此時(shí)，對(duì)試樣施加滲透壓力，滲透壓力選擇為180 kPa。在滲透壓力作用下，每間隔2 h讀取排水管液面水位，待滲透流速穩(wěn)定結(jié)束滲透試驗(yàn)。

1.5 pH和電導(dǎo)率測(cè)定試驗(yàn)

氫離子濃度指數(shù)(pH)采用上海越平PHS-3CU型pH計(jì)(上海越平科學(xué)儀器有限公司，上海)進(jìn)行測(cè)定，物體傳導(dǎo)電流的能力(電導(dǎo)率)采用雷磁DDS-307A型電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，上海)進(jìn)行測(cè)定。分別對(duì)養(yǎng)護(hù)7，14 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的試樣取樣5 g，將其碾壓后放入50 mL離心管中，同時(shí)按土水質(zhì)量比為1∶5取去離子水50 mL放入離心管中，充分振蕩30 min使兩者混合均勻，待靜止后分別測(cè)定塑性混凝土的pH和電導(dǎo)率。其中，pH和電導(dǎo)率均每隔4 min測(cè)定一次，直至測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，測(cè)定時(shí)的溫度均為室溫25 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛離子濃度對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響

開展了不同鉛離子濃度和養(yǎng)護(hù)齡期塑性混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土強(qiáng)度均逐漸減?。欢谙嗤U離子濃度作用下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，塑性混凝土強(qiáng)度逐漸增大，所有塑性混凝土強(qiáng)度均在5～10 MPa之間，其均滿足工程強(qiáng)度要求(即28 d齡期強(qiáng)度不低于2 MPa)。鉛離子一方面會(huì)抑制水泥水化反應(yīng)[19]，隨著鉛離子濃度的增加，碳酸鈣等碳化產(chǎn)物的生成量會(huì)降低，進(jìn)而塑性混凝土強(qiáng)度會(huì)降低；另一方面重金屬離子會(huì)影響塑性混凝土中膨潤(rùn)土的土水相互作用，降低結(jié)合水膜的含量[20]。在綜合影響下，隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土強(qiáng)度逐漸減小。而塑性混凝土養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，水泥水化和碳化反應(yīng)生成的碳酸鈣(CaCO3)含量越高，從而其內(nèi)部孔隙越小，塑性混凝土越密實(shí)，強(qiáng)度也就越大[18]。

圖2 混凝土強(qiáng)度隨鉛離子濃度的變化

2.2 鉛離子濃渡對(duì)塑性混凝土滲透性的影響

開展了不同鉛離子濃度和養(yǎng)護(hù)齡期的塑性混凝土的滲透試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土滲透系數(shù)均逐漸增大；而在相同鉛離子濃度作用下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，塑性混凝土滲透系數(shù)逐漸減小，所有塑性混凝土滲透系數(shù)均小于1.0×10-7cm/s，均滿足工程防滲要求。塑性混凝土滲透系數(shù)隨鉛離子濃度和齡期的變化規(guī)律與強(qiáng)度正好相反，同樣，鉛離子加入一方面會(huì)影響碳化后的生成物[19]，另一方面影響膨潤(rùn)土周圍的結(jié)合水含量[20]，進(jìn)而導(dǎo)致塑性混凝土孔隙增大。因此，隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土滲透系數(shù)逐漸增大。而隨著齡期的增加，碳化后的生成物越多，塑性混凝土越致密，孔隙越小，進(jìn)而塑性混凝土的滲透系數(shù)越小。

圖3 滲透系數(shù)隨鉛離子濃度的變化

2.3 鉛離子濃度對(duì)不同齡期塑性混凝土理化性質(zhì)指標(biāo)的影響

2.3.1對(duì)pH的影響

開展了不同鉛離子濃度和養(yǎng)護(hù)齡期塑性混凝土的pH測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，隨著鉛離子濃度的增加，pH不斷減??；在相同鉛離子濃度作用下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，pH也不斷減小。這是由于鉛離子會(huì)與孔隙溶液中的氫氧根離子(OH-)反應(yīng)，使得孔隙溶液中OH-減少，從而導(dǎo)致土體pH降低。鉛離子的存在會(huì)抑制氫氧化鈣(Ca(OH)2)和水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)的生成，鉛離子主要生成的產(chǎn)物為碳酸鉛(PbCO3)和硅酸鉛(PbSiO3)，有少量的鉛離子依附于CaCO3表面[15]。同理，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水化和碳化反應(yīng)更充分，生成了更多碳酸鉛和碳酸鈣，使得塑性混凝土孔隙中OH-減少，pH降低。

圖4 pH隨鉛離子濃度的變化

2.3.2對(duì)電導(dǎo)率的影響

開展了不同鉛離子濃度和養(yǎng)護(hù)齡期塑性混凝土的電導(dǎo)率測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，隨著鉛離子濃度的增加，電導(dǎo)率逐漸增大，電導(dǎo)率增加速率逐漸減?。辉谙嗤U離子濃度作用下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，電導(dǎo)率逐漸減小。通過(guò)圖4和圖5的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，pH和電導(dǎo)率與鉛離子濃度、養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律正好相反。一方面隨著鉛離子濃度的增加，塑性混凝土內(nèi)可導(dǎo)電離子就越多；另一方面鉛離子會(huì)抑制碳化后的生成物[19]和降低膨潤(rùn)土周圍的結(jié)合水含量[20]，導(dǎo)致塑性混凝土有效孔隙之間的連接增大，所以塑性混凝土導(dǎo)電率會(huì)增加。而隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，塑性混凝土的水化和碳化更為充分，大量的離子不斷生成產(chǎn)物，使得可連接的孔隙減小，導(dǎo)電性變差，從而導(dǎo)致塑性混凝土電導(dǎo)率降低[21]。

圖5 電導(dǎo)率隨鉛離子濃度的變化

2.4 pH與電導(dǎo)率之比與塑性混凝土工程性質(zhì)的關(guān)系

從圖2、圖4和圖5中可以發(fā)現(xiàn)，混凝土強(qiáng)度和pH隨Pb2+濃度、齡期變化的規(guī)律類似，即隨著Pb2+濃度和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土強(qiáng)度和pH均減小，電導(dǎo)率隨著Pb2+濃度和齡期的增加卻增大，說(shuō)明塑性混凝土強(qiáng)度與pH成正比，與電導(dǎo)率成反比。為此，本文以pH與電導(dǎo)率之比作為參數(shù)，建立pH/電導(dǎo)率與塑性混凝土7，14 d和28 d強(qiáng)度的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在不同鉛離子濃度和養(yǎng)護(hù)齡期條件下，隨著pH/電導(dǎo)率的增加，塑性混凝土強(qiáng)度不斷增大，兩者存在較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.89)，兩者關(guān)系為

圖6 pH/σ與強(qiáng)度的關(guān)系

qu=11.49-4.64×exp[(1.98-p/σ)/1.50]

(1)

式中：qu為塑性混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；p為塑性混凝土pH；σ為塑性混凝土電導(dǎo)率，ms/cm。

同理，建立了pH/電導(dǎo)率與塑性混凝土7，14 d和28 d滲透系數(shù)的關(guān)系，如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，不同鉛離子濃度和養(yǎng)護(hù)齡期條件下，隨著pH/電導(dǎo)率的增加，塑性混凝土滲透系數(shù)不斷減小，兩者存在較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.98)，兩者關(guān)系為

圖7 pH/σ與滲透系數(shù)的關(guān)系

k=0.31+2.24×exp(-1.09p/σ)

(2)

通過(guò)以上研究可以發(fā)現(xiàn)，pH和電導(dǎo)率可以綜合反映受污染塑性混凝土生成產(chǎn)物種類和水化反應(yīng)程度，進(jìn)一步可表征不同鉛離子濃度塑性混凝土在不同齡期下孔隙大小。為此，采用pH/電導(dǎo)率綜合描述受鉛污染塑性混凝土7，14 d和28 d的強(qiáng)度和滲透系數(shù)具有一定合理性。

3 結(jié) 論

(1) 在塑性混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)中，在相同齡期時(shí)，塑性混凝土強(qiáng)度隨鉛離子濃度的增加而減小，滲透系數(shù)隨鉛離子濃度增加而增大；在鉛離子相同時(shí)，塑性混凝土強(qiáng)度隨齡期的增加而增大，滲透系數(shù)隨齡期的增加而減小。這主要是由于鉛離子會(huì)抑制塑性混凝土碳化后的產(chǎn)物，并降低膨潤(rùn)土周圍的結(jié)合水含量，從而導(dǎo)致塑性混凝土孔隙增大，故塑性混凝土強(qiáng)度降低、滲透系數(shù)增加。而齡期越大，水泥水化和碳化越充分，塑性混凝土越致密，孔隙越小，故其強(qiáng)度越大，滲透系數(shù)越小。

(2) 對(duì)于塑性混凝土pH和電導(dǎo)率的測(cè)定，在相同齡期作用下，塑性混凝土pH隨著鉛離子濃度的增加而減小，電導(dǎo)率隨鉛離子濃度的增加而增大；在相同鉛離子濃度作用下，pH和電導(dǎo)率隨著齡期的增大均減小。這主要是由于鉛離子濃度的增加，改變了水泥水化和碳化的產(chǎn)物，消耗更多OH-，pH即越小，同時(shí)鉛離子濃度越大，可導(dǎo)電離子和塑性混凝土連通孔隙越大，故電導(dǎo)率也就越大。而齡期越大，水化和碳化程度越充分，孔隙中的離子生成的穩(wěn)定的產(chǎn)物越多，消耗更多的OH-和離子，故pH和電導(dǎo)率越小。

(3) pH和電導(dǎo)率可以綜合反映塑性混凝土產(chǎn)物種類和水化反應(yīng)程度，進(jìn)而可反映塑性混凝土的孔隙大小。為此，對(duì)于不同鉛離子濃度條件下齡期分別為7，14 d和28 d的塑性混凝土，用pH與電導(dǎo)率之比來(lái)描述塑性混凝土強(qiáng)度和滲透性，它們之間呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。