劉 霖，張永鵬，陳 晨

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051)

中國(guó)煤炭資源豐富，煤化工產(chǎn)業(yè)眾多，伴隨著許多污染問(wèn)題，如煤化工廢水處理不當(dāng)，廢水中有機(jī)污染物難被降解，如酚類(lèi)、多環(huán)芳香族化合物、苯類(lèi)等有害物質(zhì)進(jìn)入周?chē)寥?，污染土壤。為使污染土基再利用，采用固化處理法處理污染土，固化土具有良好的力學(xué)特性，可作為地基及路基的基礎(chǔ)性建筑材料。

固化/穩(wěn)定化是處理污染場(chǎng)地的重要方法，利用外摻劑固化污染土壤，將污染物穩(wěn)定在固化土之內(nèi)，防止污染物擴(kuò)散。固化土電阻率是其固有物理參數(shù)，其主要受固化土內(nèi)部孔隙及含水量變化的影響。在污染場(chǎng)地，通過(guò)測(cè)試由于污染物的存在使得固化污染土電阻率變化情況，得到固化土內(nèi)部孔隙及含水量變化，進(jìn)而分析污染場(chǎng)地處理情況。杜盼曉等[1]研究發(fā)現(xiàn)隨Zn2+、Cu2+、Pb2+含量增加，固化土強(qiáng)度逐漸降低。董曉強(qiáng)等[2]以生活污水、造紙廠污水為污染物，考慮強(qiáng)度、電阻率、污染物含量及養(yǎng)護(hù)齡期四者關(guān)系，研究表明水泥土強(qiáng)度隨電阻率增加而增大，電阻率和強(qiáng)度均隨著齡期增加而增大，污染物存在降低水泥土抗壓強(qiáng)度和電阻率。Chen等[3]研究表明，水泥固化Pb(NO3)2污染土，隨著水泥水化反應(yīng)的發(fā)展，電阻率隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加、孔隙度及飽和度降低而增大。米棟云等[4]研究水泥土電阻率及強(qiáng)度特性，研究發(fā)現(xiàn)隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，電阻率及強(qiáng)度均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。劉子文等[5]發(fā)現(xiàn)土體電阻率隨含水率的增加而減小。儲(chǔ)亞等[6]研究表明重金屬污染黏性土電阻率隨孔隙濕密度和體積含水量的增大呈指數(shù)函數(shù)減小。黃鳳鳳等[7]和張少華等[8]考慮固化土電阻率與電流頻率兩者關(guān)系，數(shù)據(jù)顯示，固化土電阻率隨電流頻率的增加而明顯降低。Liu等[9]分析不同養(yǎng)護(hù)齡期柴油污染高嶺土的電阻率特性，研究表明柴油污染的高嶺土的電阻率一般隨著含油量的增加而減小。張輝[10]對(duì)石油烴類(lèi)污染土壤電阻率進(jìn)行測(cè)試，其研究發(fā)現(xiàn)石油烴類(lèi)污染物是引起電阻率變化的主要因素。章定文等[11]將Archie 電阻率公式擴(kuò)展應(yīng)用到固化重金屬污染土領(lǐng)域，固化土電阻率與強(qiáng)度之間近似服從冪函數(shù)關(guān)系。

目前中外主要針對(duì)重金屬污染土進(jìn)行研究，對(duì)有機(jī)污染物土研究較少?，F(xiàn)通過(guò)一系列室內(nèi)強(qiáng)度及電阻率試驗(yàn)，分析水泥固化有機(jī)污染土電阻率及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與污染物含量、齡期之間的關(guān)系，建立預(yù)測(cè)任意有機(jī)污染物含量和任意齡期固化物電阻率公式，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與電阻率的擬合方程。通過(guò)檢測(cè)固化土電阻率，間接反映污染場(chǎng)地固化效果。對(duì)固化有機(jī)物污染場(chǎng)地，污染土壤再利用提供基礎(chǔ)性理論研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用有機(jī)物污染土通過(guò)人工室內(nèi)制備，試驗(yàn)選用砂土粒徑分析見(jiàn)表1，基本物理指標(biāo)見(jiàn)表2。利用腐植酸(humic acid，HA)代替煤制氣廢水中有機(jī)污染物。煤制氣廢水主要從煤氣的洗滌、冷凝和分餾中產(chǎn)生，而煤類(lèi)物質(zhì)為腐殖酸原料兩大來(lái)源之一，且兩者官能團(tuán)基本一致，如羧基、羥基、羰基、醌基、甲氧基、多環(huán)芳香族化合物和含氧、硫的雜環(huán)化合物。

表1 砂土顆粒粒徑分析

表2 砂土基本物理指標(biāo)

1.2 試樣制備

綜合考慮煤制氣廢水中的污染物含量，腐殖酸含量見(jiàn)表3，水泥及水的摻量分別為10%和20%。根據(jù)砂土、腐殖酸、水泥及水四者摻量比例，制備試驗(yàn)所需立方體試樣，放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(設(shè)定溫度為20 ℃，濕度為90%)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28、60、90 d。

表3 腐殖酸含量

1.3 試驗(yàn)方案

采用LCR數(shù)字電橋進(jìn)行電阻率測(cè)試，試驗(yàn)前將不同養(yǎng)護(hù)齡期及污染物含量的試塊表面打磨平整，在表面涂抹一層導(dǎo)電膏，將銅電極板清洗打磨，減小電阻接觸，并將其粘在相對(duì)的兩表面，電阻率測(cè)試時(shí)頻率為50 Hz，待數(shù)字電橋數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，分別測(cè)試試塊三個(gè)相對(duì)表面，取三者平均值，為試驗(yàn)所需電阻率數(shù)值。

加載速率為0.5 kN/s，測(cè)試每組三個(gè)平行試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其平均值為試驗(yàn)所需值。對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，分析無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、電阻率、齡期及污染物含量之間關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水泥固化有機(jī)污染物的電阻率特性

2.1.1 電阻率同污染物含量的關(guān)系

通過(guò)對(duì)不同污染物含量試樣進(jìn)行電阻率測(cè)試，變化規(guī)律及擬合曲線如圖1所示。由圖1可知，試樣在任一養(yǎng)護(hù)齡期，隨污染物含量增加，電阻率逐漸降低；污染物含量與電阻率呈良好的三次函數(shù)關(guān)系。腐殖酸有較強(qiáng)的吸水能力，最大吸水量可以超過(guò)500%，其官能團(tuán)羧基(—COOH)和羥基(—OH)使得土粒帶有負(fù)電荷，增強(qiáng)腐殖酸的吸水能力，且腐殖酸的存在改變固化土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔隙增加[12]。因此，隨腐殖酸含量增加，固化土含水率及孔隙比增加，孔隙水也隨之增加，腐殖酸組分官能團(tuán)中H+發(fā)生解離，可與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物Ca2+、Al3+進(jìn)行交換，削弱水泥的固化效果，導(dǎo)致固化土不密實(shí)，孔隙率增大，從而使得電阻率減小[11]。電阻率在污染物含量為2%之后趨于平緩，為1%～2%，電阻率變化較大。

圖1 污染砂土固化物電阻率與污染物含量關(guān)系

圖2 污染砂土固化物電阻率與齡期關(guān)系

2.1.2 電阻率同齡期的關(guān)系

電阻率與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系及擬合曲線如圖2所示，擬合效果呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系?？芍簩?duì)任何腐殖酸含量固化土，隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，電阻率逐漸增大。在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，固化土內(nèi)水泥水化反應(yīng)逐漸完成，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物填充于孔隙中，孔隙率及含水率逐漸減小，固化土內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，電阻率增大。7～28 d養(yǎng)護(hù)齡期，固化土電阻率增長(zhǎng)較快，28 d后電阻率變化趨于平穩(wěn)；在養(yǎng)護(hù)后期，固化土含水率變化較小，齡期增加對(duì)電阻率影響較弱。污染物含量為4%時(shí)，電阻率隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，變化趨勢(shì)較為平緩，說(shuō)明高污染物含量對(duì)水泥水化反應(yīng)抑制較強(qiáng)，固化土內(nèi)孔隙率及含水率變化緩慢，固化土電阻率隨齡期增加，增長(zhǎng)較慢。

2.2 水泥固化有機(jī)物污染土的強(qiáng)度特性

2.2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同腐殖酸含量關(guān)系

固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨腐殖酸污染物含量變化發(fā)展規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，任意養(yǎng)護(hù)齡期，隨污染物含量增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。腐殖酸具有較強(qiáng)吸水能力，且腐殖酸為大分子有機(jī)物質(zhì)，其主要官能團(tuán)中H+與水化產(chǎn)物中陽(yáng)離子發(fā)生離子交換，產(chǎn)物包裹水泥顆粒，阻礙水泥水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物減少，固化土內(nèi)部膠結(jié)力減弱，孔隙比增加。說(shuō)明腐殖酸的存在，弱化水泥固化效果，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低[13-14]。同一齡期，較于其他低污染物含量，HA4固化土強(qiáng)度降低最大，養(yǎng)護(hù)齡期為60 d時(shí)，HA4抗壓強(qiáng)度較于HA2降低18.3%，說(shuō)明高污染物含量對(duì)水泥水化反應(yīng)影響較大，固化效果削弱較為明顯。

圖3 污染砂土固化物無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與污染物含量關(guān)系

2.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系

固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系如圖4所示。污染物含量一定時(shí)，隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，固化土強(qiáng)度逐漸增大。固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)主要取決于水化產(chǎn)物在試樣內(nèi)部膠結(jié)情況。試樣在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，水泥水化反應(yīng)逐步完善，試樣內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)逐漸形成，水化產(chǎn)物逐漸增多，填充于骨架之中，固化土變得更加密實(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。將HA2固化土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線分為四階段，隨齡期增加，固化土強(qiáng)度分別增加6%、12%、12.1%、5.3%，60 d后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率降低，說(shuō)明60 d齡期水泥水化反應(yīng)較為緩慢。但從HA4固化土強(qiáng)度變化規(guī)律可以看出，在高污染物含量環(huán)境下，固化土水泥水化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，隨齡期增加，其強(qiáng)度增長(zhǎng)較為均勻。

圖4 污染砂土固化物無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系

2.3 電阻率與固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

取養(yǎng)護(hù)齡期為28、60 d，固化土電阻率ρs與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表4，采用二次函數(shù)擬合，擬合曲線如圖5所示。固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨電阻率增大而增大。從圖5中可以看出，低養(yǎng)護(hù)齡期(28 d)，前期隨電阻率增加，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率低于高養(yǎng)護(hù)齡期(60 d)，后期變化則相反。

2.4 固化土電阻率與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相關(guān)性研究缺陷

目前固化土電阻率與抗壓強(qiáng)度之間相關(guān)性研究較少，文獻(xiàn)[2]發(fā)現(xiàn)水泥土抗壓強(qiáng)度與電阻率呈線性增加，主要由于抗壓強(qiáng)度提高，固化土變密實(shí)，孔隙比及含水率減小，導(dǎo)致電阻率增大。文獻(xiàn)[11]研究表明固化土電阻率與抗壓強(qiáng)度之間近視服從冪函數(shù)關(guān)系。就現(xiàn)有研究而言，電阻率與抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系具有間接性，通過(guò)試驗(yàn)得到電阻率及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨孔隙比、含水率、污染物濃度及養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律，間接分析電阻率及抗壓強(qiáng)度相應(yīng)的變化軌跡。兩者之間直接性關(guān)聯(lián)研究缺乏，對(duì)固化土電阻率分析有一定的局限性。

表4 齡期28 d和60 d固化土抗壓強(qiáng)度與電阻率關(guān)系

圖5 齡期28 d和60 d污染砂土固化物的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與電阻率的擬合曲線

3 結(jié)論

(1)水泥固化有機(jī)物污染土電阻率隨腐殖酸污染物含量增大而減小，且在HA1～HA2，降低較為明顯。固化污染土電阻率隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增大，60 d后水泥水化反應(yīng)基本完成，影響很小。

(2)水泥固化有機(jī)物污染土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨腐殖酸污染物含量增加而減小，在HA4時(shí)，影響最大。固化污染土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增大，60 d后，水泥水化反應(yīng)基本完成，齡期增加，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響減小。

(3)水泥固化有機(jī)物污染土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨電阻率增大而增大。

(4)水泥固化有機(jī)物污染土電阻率及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨污染物含量、養(yǎng)護(hù)齡期變化，主要是由于有機(jī)污染物的存在抑制水泥水化反應(yīng)，固化土含水率和內(nèi)部孔隙率的變化。