碱渣固化锌污染土的工程性质试验研究

杨秀红 何 洋 柯 然

(合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

1 概述

随着工业的快速发展，重金属污染问题也越来越严峻。固化/稳定法是目前常用的治理重金属污染土的技术之一。固化/稳定法采用机械搅拌将重金属污染土与固化剂搅拌处理，通过一系列物理化学反应达到固化污染物的目的。常用的固化剂有水泥、粉煤灰、石灰等[1,2]。关于利用水泥、粉煤灰、石灰等固化污染土已开展了大量的研究。查阅文献发现[3]：利用水泥固化低浓度的重金属污染土，其工程特性都符合相关标准要求；但对于高浓度的重金属污染土，滤出液的重金属浓度较高，不符合标准。只能通过提高水泥掺量来满足要求，水泥掺量的提高就会大大增加治理成本，所以，必须研制新的固化剂来满足稳定的工程特性和低成本的双重要求。查阅资料发现[4]，碱渣中含有大量的CaCO3,CaCl2,SiO2,CaO等化学成分，具有一定的胶结强度，可用于土体的改良。而且，碱渣是氨碱法制碱过程中排放的废弃物，大量的碱渣堆积形成一片白海，对周围的环境造成了极大的污染。据统计，我国每年用于碱渣排放的费用约为1 000万元[5]。所以，用碱渣代替水泥作为新的固化剂改良污染土可以变废为宝，一举两得。

因此，针对碱渣固化锌污染土的强度特性、淋滤特性，本文通过无侧限抗压强度试验、TCLP试验，主要研究了初始锌离子浓度与碱渣掺量对碱渣固化锌污染土的工程特性、淋滤特性及微观结构变化的影响。

2 实验材料与方法

2.1 试验材料

试验用土取自芜湖市某小区工地粘土，取土深度3.0 m～3.5 m，呈黄褐色，硬塑状态,原状土的基本物理力学性质指标见表1。

表1 土的基本物理性质指标

碱渣取自山东市潍坊某碱厂，主要成分有CaCO3,CaCl2,SiO2,CaO等，具体成分如表2所示。污染物选用六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)。

表2 碱渣的化学组成[7] %

2.2 试验方法

2.2.1设计配合比

为比较不同碱渣掺量和不同锌离子浓度对固化锌污染土工程特性、淋滤特性及微观结构变化的影响，本试验设计碱渣与干土的质量比为20%,30%,40%,50%,60%；污染物采用六水合硝酸锌，含量分别为5 000 mg/kg,10 000 mg/kg,20 000 mg/kg,30 000 mg/kg。

2.2.2试样制备

首先将试验用土和碱渣放在烘干箱(温度100 ℃)中烘干24 h，取出土样碾碎，过2 mm筛。根据设计的含水率(30%)和锌离子浓度，将水与硝酸锌混合搅拌，使其充分溶解。根据设计的碱渣掺量，将干土与碱渣搅拌均匀，加入锌离子溶液，继续搅拌使各掺量混合均匀。以试验用土的最大干密度的90%为标准，将土样制成φ5×5 cm的柱状试样，放入密封的塑料袋中，放在养护箱(温度20%，相对湿度95%)中养护28 d。

3 实验结果与分析

3.1 碱渣固化锌污染土的强度特性分析

图1为锌离子浓度和碱渣掺量对固化锌污染土的无侧限强度影响。从图1中可以看出，对任一锌离子浓度，试样的无侧限抗压强度均随着碱渣掺量的增加呈先增大后减小的趋势,在碱渣掺量为30%时取到峰值，所以本试验中碱渣的最优配比为30%。无侧限抗压强度的明显增加，是因为碱渣中的一些物质与土体颗粒质之间存在离子交换或水化反应等，生成具有胶结作用的凝胶体，使试样整体变得更加密实。无侧限抗压强度的减小是因为纯碱渣的强度几乎没有，所以掺入大量的碱渣后，没有参与水化反应的多余碱渣由于本身的性质使得试样强度降低。

从图1中可以得到，无侧限抗压强度随锌离子浓度的增加而减小。查阅文献可知，锌离子属于两性金属，这一特征使得锌的部分氢氧化物可逐渐溶解于水中，形成Ca[Zn(OH)3H2O]2等沉淀，这些沉淀物包裹了碱渣颗粒，使之不能与土中的水结合，从而抑制了水化反应的进行，所以无侧限抗压强度随锌离子的增大呈下降趋势。这一结果也与魏明俐等研究的高于临界浓度0.05%，强度随锌离子浓度的增加而减小的试验结果相一致。

3.2 碱渣固化锌污染土的淋滤特性分析

如图2所示为不同锌离子掺量、不同碱渣掺量下浸出液中锌离子的滤出浓度。从图2可以看出，浸出液中锌离子浓度随碱渣掺量的增加而减小，这一结果说明碱渣对于锌离子有着良好的固化作用。初始锌离子浓度低于1%时，浸出液中锌离子的滤出浓度随碱渣掺量的增加变化不大，较为稳定，且滤出浓度低于环境允许限值100 mg/L。这是因为碱渣与土的一系列物理化学反应形成了CSH类的水化凝胶体，这些微孔隙物质具有极大的比表面积和表面能，一方面可以吸附重金属离子，另一方面还可以通过胶结包裹作用将金属离子稳定在土体内。所以碱渣掺量越高，固化效果越好。

4 结语

本文通过对人工制备的不同碱渣掺量与不同Zn2+浓度的污染土进行无侧限试验、淋滤实验研究，来探索锌污染土的工程性质。得到了如下结论：

1)无侧限抗压强度随着锌离子浓度的增加呈下降趋势。2)无侧限抗压强度随着碱渣掺量的增加先增大后减小，在碱渣掺量为30%时得到最大值。3)锌离子含量较低时，固化效果良好；锌离子含量较高时，滤出液中锌离子浓度随碱渣掺量的增加而下降。