工业废弃物改良土污染特性试验方法研究

盘 霞，黄 强

（1.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023；2.广西珠委南宁勘测设计院，广西 南宁 530007）

0 引言

目前，人们把粉煤灰、矿渣、铸造废砂等工业废弃物广泛应用于土木工程领域，以解决工业废弃物排放引起的环境问题。人们主要把这些工业废弃物和土混合在一起作为铁路、公路路基的填料来使用，这样不仅能很好地解决如何处理工业废料的难题，还能提高路基填料的强度、透水性，从而达到改良土的填筑性能的目的。然而，随着工业废弃物在土木工程中的应用日益频繁，人们开始担心其带来的负面问题，有些组织机构已经开始研究这种工业废弃物改良土带来的环境问题。但是由于这是一个土木工程和环境工程交叉学科的问题，目前还没有一个权威的试验方法来测定工业废弃物改良土的污染特性。本文提出一种新型试验方法，来研究工业废弃物改良土污染特性。

1 研究基础

为了更好地模拟工业废弃物改良土有毒成分的浸出规律，国内外的学者们研究了各种试验方法模拟真实情况。

目前，国外研究工业废弃物改良土通用的浸出试验方法主要是土柱渗透试验方法。这种试验方法是美国材料试验协会（简称ASTM）在2004出台的试验方法标准，该试验能比较真实地模拟地下水在土壤的运移规律。试验装置四周用软橡皮膜制成（模拟三维），见图1。试验时，把水力梯度调到7～10（加快水流在试样中的浸出时间），入渗流从装置底部流进装置，从顶部流出，定期收集浸出液，测定浸出液离子浓度。目前以美国威斯康星州的Benson教授等人用此试验方法研究工业废弃物在土木工程中的应用最为出名。Benson［1］采用此试验方法对掺粉煤灰公路路基重金属离子在不同渗滤剂作用下的浸出能力进行研究。Taeyoon Lee（2005年）［2］用此试验方法对铸造废砂作为垃圾填埋场的活性的隔离介质时污染物的渗滤特征进行研究。

图1 土柱渗透试验装置示意图

国内的学者研究工业废弃物改良土主要采用的是淋溶柱试验，装置见图2。此装置设定一个高水位槽，让水槽中的浸取液流经试样，然后定时收集浸出液并及时测出浸出液的浓度。此方法是简单模拟雨水在土壤中的运移规律，可以模拟饱和和非饱和两种状态。目前国内的淋容实验没有统一的试验标准，学者们研究不同固体废弃物时，装置会根据实际情况而有所改进。

综上所述，国内学者在研究固体废弃物的污染特性时大都采用淋溶试验方法，这种试验方法主要用来模拟地表水在土壤里入渗时污染物的浸出规律。而国外的学者采用土柱渗透试验方法，采用这种试验方法进行试验时，溶液从土柱下部入渗，上部流出，主要模拟地下水在土壤中运移的规律。本文在结合前人研究的基础上，设计一种新型试验方法，命名为注渗试验方法来研究工业废弃物改良土污染物在地下水中的运移规律。

图2 淋溶装置示意图［3］

2 注渗试验

2.1 试验设计思路及特点

本试验设计宗旨是“化学与土工试验结合，最大程度模拟实际”。本试验在综合国内外试验装置优点的前提下，采用注渗试验装置（详见下页图3）。试验时，把击实好的试样放入试验装置中，往试验装置里注渗滤液，让渗滤液从混合料试样的底部流入，顶部渗出，模拟地下水在土壤中的运移规律。在溶液渗出管下方放置容器，收集渗出液。待渗出液收集满100ml时，测试渗出液的各项污染物指标。目前国内常用的淋溶柱试验模拟的情形接近于自然降雨过程，本文进行的注渗实验模拟更接近于地下水的运移，与实际情况较为接近。

该试验方法具备四个特点：

（1）本研究采取化学试验和土工试验相结合的方式。样品制备前，先测定工业废弃物化学成分，确定超标的化学物质。同时，依据《公路土工试验规程》（JTG.E40－2007）［4］测定各种配合比工业废弃物改良土的物理指标，确定各种配合比改良土的最优含水率。

（2）土样制备考虑土木工程各行业中土工试验土样制备特点。本试验土样制备按《公路土工试验规程》（JTG.E40－2007）中击实试验标准制备各种掺量的改良土试样，与路基填筑采用的试验方法一致，接近实际。若研究的改良土为土木工程别的领域，可结合各自行业土工试验标准来进行土样制备。

（3）试验装置与土工试验装置相匹配。装置的尺寸根据《公路土工试验规程》（JTG.E40－2007）中轻型击实筒的尺寸来定制，这样击实的土样才能放置到装置中。装置中间筒部分使用半刚性的PVC材料制作，未像美国土柱渗透试验方法那样采用软橡皮膜。主要考虑到使用橡胶模，装置制作相对繁琐，而且土样容易发生侧向变形，在大规模改良土填筑中，改良土可认为放置于半无限大的空间，侧向变形细微，不容易发生侧向大变形。

（4）试验所用渗滤液特点。为了研究在不同条件下污染物的渗出规律，试验准备三种渗滤液：去离子水、自来水和PH值与试验地区酸雨相近的酸性溶液。分别模拟不同情况下污染物的浸出特点。渗滤液采取从试验底部流进试验试样、从顶部流出的方式，与地下水运移情形一致，而不是采取自上而下淋溶的方式。

2.2 试验装置

本文设计的试验装置称为注渗试验装置，构造图详见图3。本试验装置由上下底板、中间筒、软管和固定螺丝组成。试验装置中间筒的尺寸是根据《公路土工试验规程》（JTG.E40－2007）轻型击实筒的尺寸来定制，采用半刚性的PVC板制作，管壁厚2mm，内径102mm，内部体积997cm3。装置的上下底板，厚12mm，板中间留有10mm的进出水孔，进出水孔与软管连接。为了增加装置的密封性，上下底板上留有与中间筒内径一样大小的刻槽，刻槽内放置O型环。装置四周用长螺丝固定，试验中，装置可以承受3 MPa的水压。

图3 注渗试验装置示意图

2.3 试样准备和制备

工业废弃物掺入土中改良土的填筑性能，一般掺入废弃物的百分比为10%、20%、30%和50%，试验时也可以根据具体情况掺入不同量的废弃物，制备不同掺量的改良土样。

2.3.1 试样的准备

（1）取要改良的代表土样100kg，风干，碾碎，过0.1mm标准筛。根据《公路土工试验规程》（JTG.E40－2007）测定土样的含水率、比重、级配、液塑限、最大干密度和最优含水率等物理性质指标。

（2）取工业废弃物30kg。制备土样前，测定工业废弃物化学成分，分别确定超过《污水综合排放标准》（GB 8978－1996）［5］和 《生 活 饮 用 水 卫 生 标 准》（GB5749－2006）［6］的化学指标。注渗试验浸出液污染物测试的项目指标，由上述试验确定。测试的指标包含超出《污水综合排放标准》（GB 8978－1996）的指标。

（3）本试验准备三种渗滤液：①用蒸馏水模拟无杂质干扰情况下，改良土污染物的浸出特征；②用自来水模拟一般情况地下水运移时改良土污染物的浸出特征；③用pH值为4.5的醋酸溶液或与取样地区酸雨相符的酸溶液来模拟酸雨影响的情况下改良土污染物的浸出特征。

2.3.2 试样的制备

分别在土中掺入10%、20%、30%、50%的废弃物（土与废弃物总重约3kg），根据《公路土工试验规程》（JTG.E40－2007）土工试验所测得的最优含水率，加水，充分搅拌均匀。依据《公路土工试验规程》（JTG.E40－2007），进行轻型击实试验。将轻型击实仪放置坚硬地面上，在筒壁上涂抹凡士林，将3kg混合土样大致平分为3份，分3层击实，每层锤击27次。锤击时，应让击实锤自由落体垂直落下，锤印遍布土样。每层锤击完毕后，用刀片对击实层面进行拉毛处理，保证两层土的良好接触。击实结束后，用刮土刀削刮套筒内壁，取下套筒，修平顶部多余的土样，用推土器推出筒内试样。试样制备好之后，密闭放置7d备用。

废弃物掺量分别为10%、20%、30%、50%的试样要用3种渗滤液进行2次实验，因此，整个实验共计要制备≥24个土样。

2.4 试验步骤

（1）将制备好的土样放入注渗试验装置中，在土样两端各放置一块滤纸，盖上顶板和底板，拧紧顶底板四周的固定螺丝。

（2）在装置上方放置水槽，用软管连接水槽与装置底部，使渗滤液从装置底部流进，顶部流出（模拟地下水的流动，每个试样只用一种渗滤液进行试验），见图4。排出装置软管中的气泡，把水力梯度I调到I＝5（地下水在土壤中流动的水力梯度约为1，大量的实验证明，即使把水力梯度调节到10，也不会对土壤中重金属浸出规律造成影响，为了加快试验的进程和符合实际试验条件，本试验把1调到5）。

图4 柱渗试验工作示意图

（3）在软管出水口处放置容器收集浸出液。每当浸出液体积达约100ml时，记录浸出液的体积、收集时间、测定浸出液的pH值，并即刻测定浸出液污染物浓度，测定的指标包含工业废弃物中超出《污水综合排放标准》（GB 8978－1996）的化学指标。直到浸出液收集达7d时终止实验（实验证明，当试验时间达到7d以上，样品中污染物的浓度变化很小，基本趋于稳定，为了节省时间，降低成本，故只进行7d实验）。

（4）以上步骤结束后，换试样进行试验。

（5）数据处理。

3 试验方法的应用

目前注渗试验已在国内得到初步应用，并取得一定的成果。孙树林等在铸造废砂改良土重金属浸出试验研究中，采用该注渗试验方法，得出铸造废砂改良土浸出物中，只有Fe、Mn、Pb没有满足《生活饮用水卫生标准》、PH值对重金属的浸出影响较大的结论，结论与实际检测结果较为相符。［7］李玲等在掺膨胀土粉煤灰的重金属浸出试验研究中，也采用该注渗试验方法，得出粉煤灰改良土中Fe、Mn离子浸出浓度较大，超过《生活饮用水卫生标准》的结论，结果与实际检测结果也相近。［8］

4 结语

（1）注渗试验是以美国的土柱渗透试验方法（ASTM D 3987）为基础，结合我国的《土工试验规程》而设计，有一定的理论依据。

（2）注渗试验方法在国内得到初步的应用，在研究铸造废砂改良土和粉煤灰改良膨胀土重金属浸出特性方面，取得一定的成果，有实践应用意义。

（3）其他的工业废弃物，例如矿渣、钢渣在土木工程的应用与铸造废砂和粉煤灰颇为相似，因此，注渗试验是可以在工业废弃物改良土污染物特性研究中广泛应用的。

综上所述，注渗试验是一种值得在环境工程和岩土工程交叉学科研究中推广的试验方法。