水泥固化镍污染土的压缩特性试验研究★

黄 惠 邵 俐 刘 佳

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)



水泥固化镍污染土的压缩特性试验研究★

黄 惠 邵 俐 刘 佳

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

通过压缩试验，探讨了不同镍离子浓度、不同水泥掺量的水泥固化镍污染土的压缩特性，分析了水泥固化镍污染土的压缩指数Cc、压缩模量Es1-2与镍离子浓度和水泥掺量的关系，结果表明,污染土中镍离子浓度越高，固化土的结构性越差，压缩指数Cc、压缩模量Es1-2越低；随水泥掺量增大，镍离子含量较高的水泥固化污染土的压缩指数Cc和压缩模量Es1-2增长幅度明显。

水泥，镍离子，重金属，压缩指数

0 引言

近年来，随着我国城市化发展，产业布局不断调整，在很多大城市中心区以及周边区域的大型工厂逐步搬离迁出，其中就有残留污染风险较大的化工厂、钢铁厂、炼油厂等。由于这些企业设备陈旧，工业废料排放技术欠缺等原因，大量有毒有害重金属、有机污染物等渗入土壤中，致使企业原场地成为“毒地”。污染场地上建设商用或民用建筑，将严重影响居民的身体健康。

水泥系材料固化技术在治理重金属污染方面应用广泛，在污染场地修复中占有极高的分量，是一种非常具有市场前景的资源化地基处理技术。在固化土方面，以前多考虑固化后土体的强度特性，很多研究仅仅停留在强度这一特定指标，而忽略了其压缩性。压缩性过大将会引起建筑物较大的沉降变形，限制了固化土的使用范围。国外发达国家研究了重金属对水泥水化反应及强度影响的相关工程实例[1]，与国外相比，国内有关重金属污染土特性的研究起步较晚，研究较多的重金属主要有Zn，Cu，Pb等。魏明俐等[2,3]对锌污染土进行了水泥固化，分析了锌污染固化土的压缩指数Cc、压缩模量Es1-2与水泥掺量以及锌离子浓度的关系。张亚梅[4]对多种重金属影响水泥水化反应的具体情况做了研究，结果表明，重金属离子浓度达到一定量时，水泥的初凝和终凝的时间全部会延迟，不同种离子对水泥水化反应的影响大小有差异；而对于镍离子，同样作为主要的重金属污染元素，对其固化土压缩特性影响的研究较少。

本文针对镍污染土的固化，进行了压缩试验，探讨镍离子浓度、水泥掺入量，以及龄期对固化镍污染土的压缩指数Cc、压缩模量Es1-2的影响。

1 试验材料

试验所用的镍污染土在室内人工制备而成。试验用土取自上海地区某基坑的粘土，其物理力学指标见表1。化学试剂为六水合硝酸镍 (Ni(NO3)2·6H2O)，潮解性、溶解性较强(有较强的阳离子活性)，同时硝酸根对固化剂的化学反应干扰很小。本试验所用的水泥为42.5号普通硅酸盐水泥，掺入量是烘干土重量的12%，16%，20%，用C12，C16，C20表示。

表1 试验土的基本物理力学指标

2 试验方法

将烘干的土样粉碎并过1 mm筛，掺入试验设计的水泥，并用机械方式搅拌均匀，掺入重金属以试验方案称量相应的硝酸盐重量，并加入相应体积(底泥的含水量)的水中充分搅拌5 min以上。制样时将土分成3层装入直径为5 cm,高为10 cm的柱形模具，制样之前将模具的内壁及封盖均匀地涂一层凡士林便于脱模。将搅拌器中强制搅拌后的土每层振动2 min以排除试样的气泡，再装入下一层直至填满。成型1 d后，将试样脱模并用塑料袋密封放置在标准养护箱内，养护温度(20±3)℃，相对湿度95%。试样养护至设计龄期后，进行压缩固结试验。加荷等级一般为5级，每级加载后，隔30 min记录一次百分表读数(精确至0.01 mm)。若相邻两次读数变化量小于0.01 mm时，认为沉降稳定，然后加次级荷载。将试验成果整理汇总。

3 结果与分析

3.1 镍离子浓度对水泥土压缩特性的影响

随着污染土中离子浓度的增大，水泥固化土的压缩曲线在屈服后均变陡峭，压缩性陡增，且压缩指数Cc都伴随着镍离子含量的增加而降低，具体变化规律如图1所示。

Hopribulsuk等[5]研究发现：当污染土中的含水率不变时，固化土的压缩指数Cc随着水泥掺量的增加而增大。污染土中重金属镍离子的量越高，水泥的水化反应就会滞后甚至停滞，固化效果越差。因此土中镍离子浓度对水泥固化镍污染土的压缩指数Cc的影响显著。

工程上，一般取用压缩应力P在100 kPa～200 kPa范围内的压缩模量值，即Es1-2。在不同龄期(7 d，14 d，28 d)时，压缩模量Es1-2随镍离子浓度的变化规律如图2所示。

由图2可以看出，在各个龄期(7 d，14 d，28 d)时，压缩模量Es1-2都随镍离子浓度的增大而减小。如在28 d龄期、水泥掺入量为12%时，未污染的水泥固化土的压缩模量Es1-2值为8.45 MPa，镍离子浓度较低的水泥固化污染土(Ni 0.1)的压缩模量Es1-2值为7.12 MPa，镍离子浓度较高的水泥固化污染土(Ni 1)的压缩模量Es1-2值为5.02 MPa。可见，镍离子浓度对土体的压缩性能有较大影响。

3.2 水泥掺量对压缩特性的影响

随着水泥掺入量的增加，水泥固化镍污染土的压缩指数Cc也有所增加，压缩指数的变化规律如图3所示。由图3可见，水泥掺入量较高、镍离子浓度较低的水泥固化污染土屈服后的压缩指数Cc较大，会产生较大变形，易造成工程隐患，设计中应加以注意。

产生上述现象的原因归结于水泥水化反应产生的胶结物可以有效地改善水泥固化土的压缩性。由于镍离子与水泥颗粒结合形成的不溶物质覆盖在水泥颗粒上，犹如一层保护膜，隔开了水泥颗粒与水，从而抑制了水泥水化反应。因此，随着水泥掺量的提高，必然有更多的水泥颗粒参与反应，水泥水化反应相应得到增强。

压缩模量Es1-2随水泥掺量的变化规律如图4所示。

由图4可以看出，在各个龄期(7 d，14 d，28 d)时，压缩模量Es1-2都随水泥掺量的增大而增大。如在28 d龄期、镍离子浓度为1%时，水泥掺量较低(12%)固化土的压缩模量Es1-2值为5 MPa，水泥掺量为16%固化污染土的压缩模量Es1-2值为7.3 MPa，水泥掺量较高(20%)固化污染土的压缩模量Es1-2值为13 MPa。可见，水泥掺量对土体的压缩性能有较大影响。

4 结语

1)镍离子浓度对水泥固化土的压缩特性具有很大的影响。随着镍离子浓度的增大，水泥固化污染土的压缩指数Cc和压缩模

量Es1-2都变小，土体的结构性减弱。

2)水泥掺入量对于水泥固化镍污染土的压缩特性具有明显影响。随着水泥掺入量的增加，水泥固化镍污染土的压缩指数Cc和压缩模量Es1-2均有所增加，且镍离子含量较高的水泥固化污染土的增长幅度较明显。

[1] Yin Chunyang,Shaaban M G,Mahmud H B.Chemical stabilization of scrap metal yard contaminated soil using ordinary Portland cement[J].Building And Environment,2007，42(2):794-802.

[2] 魏明俐,杜延军,张 帆.水泥固化锌污染黏土的压缩特性试验研究[J].土木工程学报,2011,44(Z2):165-168.

[3] 魏明俐,杜延军,张 帆.水泥固化/稳定锌污染土的强度 和变形特性试验研究[J].岩土力学,2011，32(Z2):306-312.

[4] 张亚梅,孙 伟,施 展.掺重金属氧化物水泥浆体的性能和结构[J].建筑材料学报,2002(3):274-278.

[5] Horpibulsuk S,Bergado D T.Lorenzo G A.Compressibility of cement-admixed clays at high water content[J].Geotechnique,2004，54(2):151-154.

Compressibility of cement solidified/stabilized nickel contaminated soil★

Huang Hui Shao Li Liu Jia

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai200093,China)

To investigate the compressibility of cement solidified/stabilized nickel contaminated soil, a series of oedometer tests were performed. The effects of nickel concentration and cement content on yield stress and compression index were investigated. It is found that nickel concentration and cement content have considerable influence on the structure of cement solidified nickel contaminated soil. The structure of the soil degraded with increasing nickel concentration. With the increase of cement content, the compression index and compression modulus of the cement solidified soil with high nickel content were significantly increased.

cement, nickel, heavy metal, compression index

1009-6825(2016)32-0073-03

2016-09-07★:上海市科学技术委员会(项目编号：13230502300)资助

黄 惠(1990- )，男，在读硕士； 邵 俐(1969- )，女，副教授； 刘 佳(1987- )，女，在读硕士

TU432

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