污染环境对粉质粘土物理性质影响的试验研究

刘丽波

(大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026)

0 引言

污染土的力学问题属于环境工程和岩土工程的交叉问题，该方面研究始于20世纪70年代，之后发展较快，第一届国际污染土会议在荷兰召开，标志着污染土研究引起世界性的关注[1，3]。近年来，土体污染不仅仅导致水环境的恶化，造成生态破坏，从工程建设的角度，由于污染导致土粒胶体溶蚀，造成工程性质发生变化，例如土颗粒的弹性模量减小，粘聚力和摩擦角降低等。近年来，我国基础建设和工业发展迅速，污染土的现象不断增加，土地污染对工程建设的侵害问题越来越引起关注。国内对于污染土的勘查和分析试验还不是很多，主要集中在从化学成分、微观结构和力学性质等方面的测试，例如李琦[4]取粉质粘土和粉土作为试样，研究了某造纸厂废碱液和清水浸泡30 d后的性质变化。李相然[5]在不同的溶液中对土样进行为期7 d的浸泡，分别为硝酸钾溶液、氢氧化钙溶液和盐酸溶液，然后分别测定其物理力学性质。本文主要对大连原状粘性土的物理性质进行试验研究。

1 腐蚀土的物理性质微观机理[6]

土是岩石经过风化作用后在不同条件下自然形成的历史产物。土中固体可分为原生矿物及次生矿物。原生矿物粒径较大，具有稳定的化学特性，不容易被水侵蚀和风化。次生矿物是由原生矿物化学作用而形成的，可分为可溶性和非溶性两类。土体具有三相性，即固相、液相和气相，土中水为腐蚀性溶液，必然对土颗粒产生化学腐蚀作用。土体细观结构见图1。

据统计，中国土壤的七个常量元素的丰度排列顺序为:Al＞Fe＞K＞Ca＞Na＞Mg＞Ti。作为两性元素的铝在土壤中酸碱环境中很容易产生反应。土壤溶液所包含的典型的几种形态铝的含量，包括Al3+，Al(OH)2+，Al(OH)+2等，都与溶液的酸度正相关。土壤溶液的pH值小于4.5时，溶液中主要以Al3+为主;土壤溶液的pH值等于4.5时，铝和氢氧根的比例近似(见图2)。所以，土壤环境如果呈弱酸或弱碱性，铝容易发生固定作用而积累，迁移能力弱。土壤溶液如果碱性或酸性比较强，那么铝的活性也就强，容易进入水溶液并发生迁移。当土体浸泡在酸碱溶液中时，土中矿物将会发生以下反应:

1)碱性氧化物+酸→盐+水。

2)酸性氧化物+碱→盐+水，酸+碱→盐+水。

各种土体中的矿物成分还会与某些无机盐溶液中的SO24-，SO23-，Cl-，NO3-，F-产生化学反应，产生新成分。而且部分土中复杂的金属化合物也可能经过化学反应，使溶液中离子的浓度发生改变。土体的组成和类型是相当复杂的，所以对应的腐蚀反应也是相当复杂的，需要针对具体的土样进行调查、试验和总结分析，从而对于其本质进行揭示。

2 土的物理性质腐蚀试验

2.1 试样制备

一般来说，室内试验的污染土试样制备分为浸泡试验和淋滤试验，其中浸泡试验更为简单易行，可以有效地模拟颗粒及其胶结物被溶蚀的情况。液塑限联合测定仪见图3。首先通过硫酸(H2SO4)溶液和氯化钠(NaCl)溶液分别对土样进行浸泡，从而使土样产生腐蚀，然后对土样进行物理性质的试验。

本次试验所采用的土样是从大连市某住宅区的地基取来的，属于粘性土。分别选取20 kg土试样依次放在10 kg的0.5%，2%，6%浓度的硫酸(H2SO4)溶液中浸泡，硫酸溶液的配制是通过密度为1.84 g/mL，浓度为98%的浓硫酸与计算获得的溶剂—清水得到的。氯化钠(NaCl)溶液则选择浓度为1%，5%，10%，分别将土样放在其中浸泡。浸泡后风干的土样见图4。配制不同浓度溶液所需溶质和水量见表1。土样首先进行颗粒级配，根据土的分类标准定为粉土。将土样分成7份，分别浸泡在6种溶液中和清水中，浸泡时间为2个月，之后将浸泡液倒出，土粒自然晾干，作为试验之前的准备。

从土样的表面颜色来看，无论是经过氯化钠溶液还是硫酸溶液浸泡之后都没有明显的变化。而从溶液颜色来看，氯化钠溶液并没有因为浸泡土样发生颜色明显的改变，硫酸溶液则因为浸泡土样颜色由无色透明变为棕黄色，从这里可以看出，硫酸和土样里的特定矿物成分可能产生了化学反应，进行了离子交换。

表1 配制不同浓度溶液所需溶质和水量

2.2 密度试验

将试验土样放在圆玻璃片上，直径和高度都大于环刀的尺寸，在环刀内壁涂一层凡士林，将环刀的刀刃向下放在土样上面，均匀地垂直向下用力将切土刀把环刀完全压入土内，使土样填满环刀内，再用切土刀削去环刀外侧的土，刮平上下面后，利用专门的擦布擦净环刀的外侧，将土和环刀的总质量在天平上称量出来，通过表2实验的结果数据可以看出，土的密度随硫酸(H2SO4)浸泡溶液浓度的增加逐渐减小;在随氯化钠(NaCl)浸泡溶液浓度的增加略有增加。

2.3 界限含水率

取风干后的试验土样，首先利用0.5 mm筛进行筛分，筛下土样分别装入三个盛土器皿当中，分别加入相应数量的蒸馏水，分别控制土样的含水率在接近于液限、略微大于塑限和两者之间的状态。通过调土刀将土样调匀，采用光电联合液塑限仪进行试验，液限对应的锥入深度应该控制为(20±0.2)mm，塑限对应的锥入深度则是5 mm，从而获得各土样的液塑限。不同浸泡浓度溶液对应的液塑限见图5。从试验所得数据看，土被化学溶液腐蚀后，不论是塑限wP，液限wL，还是塑性指数IP，都随着溶液浓度的增大而减小。并且当溶液浓度增大到一定程度时，随着浓度的增大，wP，wL，IP减小速率会减小。

2.4 击实试验

分别针对前述不同浓度NaCl和H2SO4溶液浸泡的土试样，采用小筒的标准的轻型击实试验进行试验，获得不同土样的最大干密度和最优含水量。不同H2SO4溶液浸泡土样的最大干密度和最优含水量见图6，1%和10%NaCl溶液土样的击实曲线见图7。由图7可见，随着硫酸浓度增加土样的最大干密度增加，而最优含水量减少。

具体的试验结果数据如下:对应于1%，5%和10%的浓度的盐酸溶液浸泡土，其最优含水率的值分别为19.5%，17.7%和15.6%，其最大干密度的值分别为 2.13 g/cm3，2.10 g/cm3和2.18 g/cm3。对应于0.5%硫酸、2%硫酸和6%硫酸的溶液浸泡土样，其最大干密度分别为2.1 g/cm3，2.11 g/cm3和2.16 g/cm3，最优含水率分别为27.9%，21.3%和20.2%。通过以上的试验结果可以看出，无论是对于硫酸溶液还是对于氯化钠溶液浸泡的土样而言，如果溶液的浓度越高，那么土样的最优含水率就降低，最大干密度也就越大。

3 结语

本文通过对大连地区的粉粘土的浸泡和试验工作表明，酸和碱腐蚀环境对于土的物理力学性质有很大的影响。从试验数据中可以看出，土的密度与硫酸(H2SO4)浸泡溶液的浓度呈负相关。

土的密度随氯化钠(NaCl)浸泡溶液浓度的增加略有增加，这是土体吸附离子效应引起的。无论是盐酸还是硫酸化学溶液浸泡的土，塑限wP，液限wL和塑性指数IP，都与溶液的浓度呈负相关。无论是硫酸溶液还是氯化钠溶液浸泡过的土样，硫酸溶液的浓度越高，土样的最优含水率降低，而最大干密度增大。

污染土的研究还处于初级探索的阶段，没有成熟的理论方法。本文试验初步揭示了土的物理性质与腐蚀效应的关系，为了进一步深刻理解污染条件下水土作用机理，引入相关先进设备如激光、扫描电镜、虚拟测试等是必要的，是今后应进行的内容。

[1] 陈先华，唐辉明.污染土的研究现状及展望[J].地质与勘探，2003，39(1):77-80.

[2] Rajput V S，Higgins A J，Single M E.cleaning of excavated soil contaminated with hazardous organic compounds by washing.Water Environ Res.Sept-Oct 1994 Water Environment Federation，Alexandria，VA，USA，1994:819-827.

[3] Sridharan A，Nagaraj T S，Sivapullaiah P V.Heaving of soil due to acid contamination Geotechnique，1980.

[4] 李 琦，施 斌，王有诚.造纸厂废碱液污染土的环境岩土工程研究[J].环境污染与防治，1999，19(5):16-18.

[5] 李相然，姚志祥，曹振斌.济南典型地区地基土污染腐蚀性质变异研究[J].岩土力学，2004，25(8):1229-1233.

[6] 姚彩霞.城市区域水化学环境下土体细观结构变异分析[D].南宁:广西大学硕士学位论文，2005.