柴油污染土的含水量计算方法与界限含水量变化规律

曾玲玲 周梦学 王 钢 刘松玉 洪振舜

(1福州大学土木工程学院, 福州 350108)(2均和房地产土地评估咨询有限公司, 厦门 361004)(3东南大学岩土工程研究所, 南京 210096)



柴油污染土的含水量计算方法与界限含水量变化规律

曾玲玲1周梦学2王 钢1刘松玉3洪振舜3

(1福州大学土木工程学院, 福州 350108)(2均和房地产土地评估咨询有限公司, 厦门 361004)(3东南大学岩土工程研究所, 南京 210096)

以2种天然沉积土和钙基膨润土、钠基膨润土为源土,配置具有不同柴油含量及不同目标含水量的柴油污染土,进行柴油污染土的含水量测定及界限含水量试验研究．提出了柴油污染土的起始可挥发含油量的概念,建立了能够同时考虑柴油挥发性和黏土矿物对柴油吸附作用的含水量计算方法．结果表明,以天然沉积土为源土的含油污染土的液限和塑限均随含油量的增加呈先增大后减小的趋势;以钙基膨润土和钠基膨润土为源土的含油污染土的液限随含油量的增加而减小,塑限则呈相反的变化规律．柴油污染对塑限的影响明显大于对液限的影响．以钙基膨润土和钠基膨润土为源土的含油污染土的塑性指数随含油量的增加而减小,以天然沉积土为源土的含油污染土的塑性指数则呈相反的变化规律．

柴油污染土;含水量;挥发性;界限含水量;塑性指数

石油及其制品作为一种重要能源被大量使用．据不完全统计,全世界每天生产超过2×106t石油,而其中的10%在开采、炼制、运输及使用过程中抛洒或泄漏于环境中[1],对环境造成了严重污染,且对土壤环境的污染尤为典型．例如,海湾战争中,由于大面积的油田遭受破坏,大量土地受到了石油污染[2]．

石油引起土体污染,造成环境破坏,对植物生长以及人类生存健康造成影响[3]的同时,也改变了土体的力学性状[4-8]．原油污染降低了砂土的强度及其内摩擦角,增大了土体压缩性[4-5],降低了土体的渗透性[6]和地基承载力[7]．对于细粒土,掌握石油污染土的体物理性状是明确石油污染对细粒土工程性状影响的重要手段．大量的研究结果表明,界限含水量与细粒土力学性状有着密切的联系[8-12]．洪振舜等[8]分析了土体的压缩性状与液限及含水量的关系;Zeng等[9]建立了软黏土变形分析方法;Shi等[10]分析了混合土的液限变化规律及其与强度的关系;Singh等[11]基于Skempton等[12]提出的土体压缩指数与液限的相关关系式,导入石油烃污染液黏滞系数,提出了石油污染土的压缩指数经验关系式．

对于石油污染土的界限含水量,Khosravi等[13]通过试验研究指出,高岭土柴油污染后的液限随着含油量的增大呈现先增大后减小的趋势,塑限呈现单调降低的变化规律,但该研究中没有考虑柴油挥发性对含水量测试的影响．Kermani 等[14]基于烘干过程中石油全部挥发的假定,提出烘干法中石油污染土含水量的计算方法．然而,Khamehchiyan等[5]研究发现,石油在烘干过程中仅有部分会产生挥发,烘干法计算含水量时需要同时考虑石油的挥发量和残留量,基于此修正了含水量的计算方法,并得出了原油污染土的液限和塑限均随原油含量增大而减小的变化规律．

本文以2种天然沉积土以及钙基膨润土、钠基膨润土为源土,配置具有不同柴油含量的污染土,研究了柴油污染土的油挥发量随含油量的变化规律,并提出了土颗粒吸附作用引起的起始可挥发含油量概念．基于此,结合文献[5]中的含水量计算公式,提出了同时考虑柴油挥发性和黏土矿物对柴油吸附作用的柴油污染黏土含水量计算方法,并研究了柴油污染对土体界限含水量的影响规律．

1 试样及方案

1.1 源土

本试验中采用了人工配置污染土的方法,所用源土取自江苏省泰州市和福建省福州市未经石油污染的天然沉积土,以及购买的钙基膨润土和钠基膨润土．通过XRD试验分析出福州土和泰州土的主要黏土矿物成分为伊利石,膨润土的主要黏土矿物成分为蒙脱石．表1为试验用土的主要物理性状指标．液塑限试验土样采用干法过筛处理,将天然含水量土样风干,过0.5 mm筛后进行液塑限试验．液限测定采用碟式仪,塑限测定采用搓条法．图1为所用4种源土的塑性图．图中,wL,IP分别为柴油污染土的液限和塑性指数．由图可知,4种源土的塑性指数与液限的关系都位于黏土粉土分类线的上方,归类于黏土．表1给出了福州土、钙基膨润土和钠基膨润土的自由膨胀率．由表可知,福州土为非膨胀性土,钙基膨润土为微弱膨胀性土,而钠基膨润土为强膨胀性土．

表1 源土试样的物理性状指标

图1 源土的塑性图

1.2 试样制备

本试验中污染物选用中国石化公司的0#柴油,该柴油为典型挥发性有机污染物,密度为0.839 g/cm3,凝固点为-21 ℃,黏滞系数为3.56～4.05 MPa·s,流动性较好．根据土样中添加水和污染物的顺序不同,人工制备污染土可分为湿法和干法．为保证柴油与土颗粒能够充分接触,本文采用干法进行柴油污染土制备．干土的制备与液塑限试样制备的方法相同,风干土过0.5 mm筛,按不同的柴油含量与干土配合比混合,通过搅拌使得柴油与土样混合均匀．为防止柴油挥发,搅拌均匀后用多层保鲜膜密封．Carter[15]研究发现,干土与水混合后需1～2 d达到平衡,与油混合后则需5～7 d才能达到平衡．因此,本试验中先加入油5 d后再加入蒸馏水平衡2 d,试验共计7 d．

1.3 试验方案

污染度定义为含油量,即污染物质量相对于干土质量的百分含量．Meegoda等[16]将含油量高于3%的土定义为危险污染物．Khamechchiyan等[5]指出,当含量油高于16%时会有过量的油从土样中流出．因此,本试验选定的含油量为0%,4%,8%,12%．

在进行界限含水量试验之前,需要明确柴油污染土的烘干挥发性状．首先,研究不同含油量对土中柴油烘干性状的影响,配置目标含油量为0%,4%,8%,12%的4种柴油污染土,设定含水量均为源土液限,油水平衡后进行烘干试验．为进一步验证不同含水量对柴油挥发量的影响,配置具有相同含油量(4%)的柴油污染土,并设定4种不同的目标含水量(约为源土液限的0.7～1.5倍)．

2 黏土中柴油的烘干挥发率及其对含水量的影响

土体的含水量通常定义为土中孔隙水的质量与干土质量的比值,一般采用在105 ℃烘箱中进行的烘干法．需要注意的是,当土中混有一定质量的柴油时,柴油与水不相溶,105 ℃时不但水分蒸发,土中的柴油也会同时产生挥发．土力学中传统的含水量计算方法未考虑土中柴油挥发的影响．Khamechchiyan等[5]基于土体含水量的定义,考虑挥发性污染物在土中的残留率及其在烘干过程中的挥发量,推导出烘干法试验中油污染土的含水量计算表达式为

(1)

式中,Wt为湿土质量;Wd为105 ℃下烘干后的质量;n为烘干前土中的含油量;m为烘干后土中油的残留率,即烘干后土中的残留含油量与烘干前土中含油量的比值,但文献[5]中未对参数m进行试验验证和说明．童玲[17]将式(1)改写为

(2)

式中,k为土中油的挥发率,即烘干后土中油的挥发量与烘干前土中含油量的比值．

式(1)和(2)成立的前提条件为土中柴油的挥发量与含油量所构成的直线过原点．

以泰州土、福州土、钙基膨润土和钠基膨润土为源土,配置含油量为0%,4%,8%,12%且含水量均为源土液限的土样,通过烘干法测得的土中油挥发量与含油量的关系曲线如图2所示．图中,ne为土中油的挥发百分数,即土中柴油的挥发质量与含油总质量的比值；R2为相关系数．由图可知,油的挥发量随着含油量的增加呈线性增加的关系,但其关系式没有经过原点,说明在105 ℃高温下,柴油污染土中仍然存在可挥发的起始含油量(即挥发量为0时相交于横坐标的含油量)．当土中的含油量小于起始可挥发含油量时,土中柴油不会挥发．从图中还可以看出,起始挥发含油量与源土性状有关,泰州土、福州土和钙基膨润土的起始挥发含油量约为3.33%,钠基膨润土约为6.58%．起始挥发含油量可以理解为黏土颗粒对油的吸附作用所致．文献[18]指出,可以利用钠基膨润土对油类物质的吸附作用进行含油废水处理．当土中的含油量大于起始可挥发含油量后,柴油的挥发量与土中的含油量成正比,土中油的挥发量与含油量的关系可以表示为

ne=λ(n-ne0)

(3)

式中,ne0为土中油的起始挥发含油量;λ为比例常数,反映了土中油的挥发量随土中含油量增加而增大的关系,其值由两者所成直线的斜率确定,并随源土性质的改变而变化．对于泰州土、福州土和钙基膨润土,λ=0.88;对于钠基膨润土,λ=0.69．

图2 土中油的挥发量与含油量的关系曲线

基于本文提出的起始挥发含油量的概念,同时考虑黏土矿物吸附作用与柴油挥发性状,对式(1)和(2)进行修正得到

(4)

与式(1)、(2)相比,式(4)引入了起始挥发含油量ne0,因此在计算柴油污染土含水量时不仅考虑了柴油的挥发性,同时考虑了黏土对柴油的吸附作用．为了进一步验证式(4)能否考虑不同含水量对柴油挥发量的影响,对泰州土、钙基膨润土和钠基膨润土配置了相同含油量和不同含水量的污染土,进行烘干试验．利用式(4)对烘干试验结果进行分析,将得到的含水量wmea与实际设定的含水量wdes进行比较,结果见图3．由图可见,利用式(4)可以计算出柴油污染土中水与干土的相对含量．

图3 修正含水量计算结果与实配值的对比

3 柴油污染对土体的物理状态指标

3.1 界限含水量变化规律

利用式(4)可以计算得到含油污染土的液限和塑限．图4给出了柴油污染土的液限与源土液限的比值随着含油量的变化曲线．由图可知,以福州土和泰州土为源土的含油污染土的液限随着含油量的增加呈现先增大后减小的变化规律,而以钙基膨润土和钠基膨润土为源土的含油污染土的液限则随含油量的增加而减小．含油量小于12%时,4种源土配置的柴油污染土的液限与源土液限的比值变化不大,在0.9～1.1范围之内．

图5给出了柴油污染土塑限与源土塑限的比值随着含油量的变化曲线．图中,wP为柴油污染土的塑限．由图可知,以福州土和泰州土为源土的含油污染土的塑限随着含油量的增加呈先增大后减小的变化规律,而以钙基膨润土和钠基膨润土为源土的含油污染土塑限则随含油量的增加而增大．柴油污染土的塑限与源土塑限的比值变化范围比液限的变化范围大．当含油量为12%时,其值变化范围为0.8～1.3．

3.2 塑性指数变化规律

图6显示了4种含油污染土的塑性指数与源土塑性指数比值的变化规律．由图可知,以2种天然土作为源土得到的柴油污染土的塑性指数均随着含油量的增加而增大，且以泰州土为源土的含油污染土的增加幅度更大,当含油量为12%时,其塑性指数为源土的1.4倍．以钠基膨润土和钙基膨润土为源土的含油污染土的塑性指数均随着含油量的增大而减小，且以钙基膨润土为源土的含油污染土的减小趋势更为明显,当含油量为12%时,其塑性指数为源土的0.5倍．文献[19-20]指出,土体的界限含水量决定于土体固相和液相之间的相互作用力,而液相双电层的厚度则决定了这一作用的强弱．因此,柴油加入对不同土体液塑限的改变可以归结于柴油对土体液相双电层厚度的影响．

图4 柴油污染土液限与源土液限比值随含油量的变化曲线

图5 柴油污染土塑限与源土塑限比值随含油量的变化曲线

图6 柴油污染土塑性指数与源土塑性指数比值随含油量的变化曲线

对于以钙基膨润土为源土的含油污染土,随着含油量的增大,液限和塑性指数减小,从而造成不同含油量的钙基膨润土在塑性图中的位置发生明显变化(见图7)．源土的塑性指数与液限的关系位于黏土粉土分类线上方,该柴油污染土归为黏土;参入柴油后位却于黏土粉土分类线下方,该柴油污染土则归为粉土．而对于以2种天然沉积土和钠基膨润土为源土的柴油污染土的土性分类则没有发生明显变化．

图7 不同含油量钙基膨润土在塑性图中的位置

4 结论

1) 采用烘干法测定柴油污染土含水量时,鉴于黏土矿物的吸附作用,土中的柴油存在起始可挥发含油量,土中含油量需要大于起始可挥发含油量才会产生挥发,之后挥发量与土中含油量成正比,进而提出了同时考虑黏土矿物对柴油吸附作用与柴油挥发性的柴油污染土含水量计算方法．

2) 以2种伊利石为主要黏土矿物成分的天然沉积土(泰州土和福州土)为源土所配置的柴油污染土的液限随含油量的增加呈现先增大后减小的趋势,而以钠基膨润土和钙基膨润土为源土的柴油污染土均随着含油量的增加呈现单调减小的趋势,试验所得柴油污染土液限变化范围为源土的0.9～1.1倍．

3) 柴油含量对土体塑性指数的影响规律更为明显,以泰州土和福州土为源土的柴油污染土塑性指数均随着含油量的增加而增大,而以2种膨润土为源土的塑性指数均随着柴油量的增加而减小,试验所得柴油污染土塑性指数变化范围为源土塑性指数的0.5～1.4倍,加入柴油后钙基膨润土由黏土变为粉土．

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Calculation method for water content of diesel oil contaminated soils and changing laws in Atterberg limit

Zeng Lingling1Zhou Mengxue2Wang Gang1Liu Songyu3Hong Zhenshun3

(1College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)(2Junhe Real Estate Appraisal & Consultant Co., Ltd., Xiamen 361004, China)(3Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

By taking two natural clays and two clay minerals of calcium bentonite and sodium bentonite as the source of soil, the diesel oil contaminated soils with different contents of diesel oil and different water contents were prepared. The tests for the water contents and the Atterberg limits of the diesel oil contaminated soils were performed. A new concept was proposed for describing the initially volatile contents of the diesel oil contaminated soils, and a new calculation method for the water contents of the diesel oil contaminated soils was described by considering both the volatility of diesel oil and the adsorption of diesel oil by clay particles. The results that show the liquid limits and the plastic limits of the diesel oil contaminated soils prepared with original natural clays increase firstly and then decrease with the increase of the content of diesel oil. The liquid limits of the diesel oil contaminated soils prepared with two clay minerals of calcium bentonite and sodium bentonite decrease monotonously with the increase of the content of diesel oil, but contrary trends are found for the plastic limits. The influence of diesel oil on the plastic limits is obviously greater than that on the liquid limits. In addition, the plasticity indices of the diesel oil contaminated soils prepared with two clay minerals of calcium bentonite and sodium bentonite decrease monotonously with the increase of the content of diesel oil, but contrary changing laws are found for the diesel oil contaminated soils prepared with natural clays.

diesel oil contaminated soils; water content; volatility; Atterberg limit; plasticity index

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.028

2016-07-06. 作者简介: 曾玲玲(1983—)，女，博士，副教授，linglz413@126.com.

国家自然科学基金重点资助项目(41330641)、福建省杰出青年科学基金资助项目(2016J06010).

曾玲玲,周梦学,王钢,等.柴油污染土的含水量计算方法与界限含水量变化规律[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(6):1278-1283.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.028.

TU411

A

1001-0505(2016)06-1278-06