朱超鵬　潘林有　余闖　王輝　蔣吉方　廖饒平

摘要：

在不同水泥摻量和齡期條件下對(duì)NaCl、油脂、Pb（NO3）2污染的溫州軟土進(jìn)行水泥固化處理后，土體的強(qiáng)度得到改善。為進(jìn)一步得出水泥固化處理對(duì)于不同污染土的處理效果，對(duì)水泥固化穩(wěn)定不同的污染土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)研究。分析了不同污染物類型、污染物摻入量、水泥摻入量以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥固化污染土強(qiáng)度特性的影響以及不同污染物濃度下水泥固化土微觀結(jié)構(gòu)的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明：NaCl在一定范圍內(nèi)促進(jìn)了水泥固化土早期強(qiáng)度的提高；油脂使水泥固化土的強(qiáng)度明顯降低，壓縮性增大；Pb（NO3）2摻入到土體中后，水泥固化土的強(qiáng)度總體上略有降低，摻入量與強(qiáng)度之間大致呈線性關(guān)系。隨著水泥摻入量及齡期的增加，水泥固化污染土的強(qiáng)度會(huì)有顯著提高。掃描電鏡（SEM）結(jié)果分析得出：由于污染物的作用，污染物濃度的增加使固化土中孔隙增多，結(jié)構(gòu)變得疏松。

關(guān)鍵詞：水泥；污染土；強(qiáng)度；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2018）03011707

Abstract：

Under the condition of different cement content and curing time of NaCl， grease， Pb（NO3）2 pollution in Wenzhou soft soil cement solidification processing， the strength of the soil have been improved. In order to further obtain the treatment effect of different contaminated soil during cement solidification process， unconfined compressive strength tests and microstructure studies were conducted on different cement solidified contaminated soil. The effect of pollution type， pollution content， cement content， curing time on the cement solidified soil strength characteristics was analyzed. Furthermore， the difference of the microstructure of cement solidified soil with different pollutants concentration was also analyzed. The results show that within a certain range， the NaCl concentration promotes cement solidification of the early strength； grease content makes the cement solidification soil strength reduce obviously and compressibility increase； after Pb（NO3）2 was dropped into the soil， the strength of the cement solidification is reduced in general. A linear relationship appears between the strength and admixing amount. The cement solidification soil strength enhances with the increase of cement content and curing time. Scanning electron microscopy（SEM） results indicate that the increase of contaminate leads to the rise of porosity and loose structure of the solidified soils.

Keywords：cement； contaminated soils； strength； microstructure

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(dòng)產(chǎn)生安全隱患。因此，迫切需要對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行環(huán)境評(píng)估與工程處理[1]。

近年來，學(xué)者們對(duì)污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用十分重視。其中，固化穩(wěn)定法因具有施工技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，是工程上處理被污染土體的主要方法[2]。水泥以其工程性能良好、材料廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用到固化穩(wěn)定法處理污染土的工程中[3]。眾多學(xué)者對(duì)水泥固化污染土進(jìn)行了研究。Pandey等[4]認(rèn)為金屬的存在會(huì)使水泥和土工聚合物的壓縮強(qiáng)度降低。Zhang等[5]通過實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過鹽溶液浸泡后，Cl-會(huì)延緩SO2-4引起的混凝土膨脹。Horpibulsuk等[6]研究表明，水泥土在NaCl溶液浸泡條件下，含鹽量的增加會(huì)使固化體的液限、塑限和塑性指數(shù)均逐漸減小，抗壓強(qiáng)度有所降低。Cuisinier等[7]在水泥固化NaCl污染土的研究中發(fā)現(xiàn)，NaCl的存在并未破壞水泥土的強(qiáng)度，反而使其強(qiáng)度增大。陳四利等[810]進(jìn)行了污水環(huán)境對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響試驗(yàn)、化學(xué)侵蝕條件下水泥土的滲透時(shí)間以及水泥土的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水泥土在污水浸泡等條件下強(qiáng)度降低，內(nèi)摩擦角以及黏聚力降低。杜延軍等[11]研究了水泥固化鋅污染后的高嶺土，研究得出隨鋅離子濃度增加，固化污染土的強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。董曉強(qiáng)等[12]對(duì)污水浸泡情況下的水泥土強(qiáng)度和電阻率特性進(jìn)行了研究，得出了礦渣硅酸鹽水泥土和普通硅酸鹽水泥土的電阻率與其抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性。查甫生等[13]研究了水泥對(duì)重金屬污染土的固化，得出被金屬污染物污染后的土體強(qiáng)度有所降低，而水泥摻入量和齡期的增加使土體強(qiáng)度逐漸提高。

以上試驗(yàn)研究多是對(duì)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(shí)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(duì)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(bào)道。

針對(duì)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(yàn)，涉及到重金屬、鹽類、有機(jī)物3個(gè)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(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

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

1.2試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)的污染物濃度、水泥摻入量，量取一定質(zhì)量的烘干土并計(jì)算出這些烘干土所需的水泥用量、污染物用量。以對(duì)溫州土進(jìn)行人工擊實(shí)試驗(yàn)得出的最優(yōu)含水率，作為本試驗(yàn)實(shí)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)嚢瑁_(dá)到各組分均勻性良好。

采用人工擊實(shí)法制樣，分3層擊實(shí)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(duì)濕度95%），養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期（7、14、28 d）。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YSH2型，控制軸向應(yīng)變速度為1 mm/min，掃描電鏡試驗(yàn)中觀測(cè)圖像放大10 000倍。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1齡期對(duì)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(duì)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(shì)與未摻入污染的水泥土類似，都是隨著齡期的增長(zhǎng)強(qiáng)度提高，并且都是前7 d增長(zhǎng)最快，7～14 d增長(zhǎng)緩慢，幾乎不變，而14～28 d增速又稍有提高。對(duì)比分析前期的增長(zhǎng)速率，污染物的濃度越低，前7 d的增長(zhǎng)速率越大，當(dāng)不含污染物，且水泥摻量為12%時(shí)，增長(zhǎng)速率最大，對(duì)應(yīng)的7天強(qiáng)度最高。對(duì)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(shí)，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(zhǎng)線性較好，增長(zhǎng)速率大致相同。相對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)速率越大，相反油脂含量越大時(shí)，強(qiáng)度提高不太明顯，增長(zhǎng)速率較小，當(dāng)油脂含量為3%，水泥摻入量為4%時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期的增加對(duì)水泥固化油脂污染土的強(qiáng)度幾乎沒有影響，只略有提高。

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(shì)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(duì)于Pb（NO3）2含量為3%，水泥摻入量為4%時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期的增加對(duì)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(duì)強(qiáng)度的影響

圖2為摻入不同污染物且污染物摻量不同的土樣，摻入4%、8%、12%的水泥固化穩(wěn)定后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化曲線。由圖2可以看出：經(jīng)過養(yǎng)護(hù)后，水泥固化土的強(qiáng)度逐漸提高，強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。原因是在加入較多水泥后，混合土體的pH值會(huì)呈堿性。水泥越多，堿性越強(qiáng)。在這種環(huán)境下，水泥和污染土體中的硅圖2摻入不同污染物水泥固化土強(qiáng)度隨水泥摻量變化

通過圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)：離子濃度較低時(shí)，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(shí)，對(duì)強(qiáng)度有較大影響，特別是NaCl摻量為30 000 mg/kg時(shí)，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(shì)有所不同，強(qiáng)度差別更是較為明顯?？赡苁巧倭康腘aCl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(gè)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(gè)不同齡期時(shí)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(shí)都較為相近，但在8%水泥時(shí)相互差別都較大。

通過圖2（c）可以發(fā)現(xiàn)：3個(gè)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(shí)的變化更加均勻。

2.3污染物含量對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大。說明在一定范圍內(nèi)NaCl對(duì)水泥有一定的活性激發(fā)和早強(qiáng)作用[15]。

對(duì)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(gè)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(shí)，油脂的摻入對(duì)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(shí)，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(duì)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?duì)水泥固化土有物理的隔離作用，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(duì)于摻入Pb（NO3）2的水泥固化土，由圖3（c）可以看出，Pb（NO3）2對(duì)水泥固化過程的影響比較復(fù)雜，當(dāng)水泥摻量為12%時(shí)，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(shí)，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(shì)；在水泥摻量不大于4%時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)或有較高的水泥摻入量時(shí)，孔隙水中的OH-就會(huì)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

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(duì)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(yàn)和掃描電鏡（SEM）試驗(yàn)，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(shí)與無污染物時(shí)相似，但NaCl摻量為3%時(shí)差別較大；當(dāng)水泥摻量不大于4%時(shí)，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(zhǎng)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(shí)，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(shí)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(shí)也表現(xiàn)出早強(qiáng)作用，高水泥摻量時(shí)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(shí)，有C—S—H纖維狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，較高時(shí)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(duì)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(huì)對(duì)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(duì)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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（編輯胡玲）