碳化对水泥固化重金属污染土的作用研究

卢尔聪

（中铁十五局集团第五工程有限公司 天津 300133）

1 引言

2010年中华人民共和国环境保护部、中华人民共和国统计局和中华人民共和国农业部三部门联合发布的《第一次全国污染源普查公报》显示，全国工业重金属（镉、铬、砷、汞、铅）年排放0.09万t。这些污染物进入水体、土体，对周边环境造成了严重影响，这就要求有相应的处理措施。

水泥固化是无机污染废弃物处理中常用的一种化学处理手段，主要是指在土体中掺入水泥基固化剂，通过物理、化学原理对污染物进行固定，降低污染离子在土壤环境中的溶解迁移。其工程应用已有将近50年历史，大量的工程应用案例证明其是经济高效的方法。

尽管世界范围内不少国家已经对污染物的固化效果做出了规范要求或指导标准［1-5］。但固化手段的应用时间相对并不长，其长期性能还有待验证。且固化后的污染物常接触到地下水体，这对地下水体的安全也是极大的威胁。

许多学者对重金属污染土的固化效果与作用机理进行了研究，一些污染物进行水泥基材料固化的效果不好，污染离子会推迟、破坏水泥的水化反应和火山灰反应。

水泥基固化剂的碳化是通过一系列化学反应，改变水泥水化最终产物。基本化学反应原理：

碳化反应可以降低混凝土孔隙液的pH，将氢氧钙石转化为方解石，造成体积变化，CSH凝胶的脱钙，钢筋钝化膜的破坏，从而造成钢筋锈蚀等。固化污染土与混凝土不同，水泥含量相对较少，水泥水化反应还会受到污染物-水泥基材料反应的影响。因此，从理论上，碳化作用对水泥基固化污染土的影响与快速石灰稳定化重金属污染土类似。

近年来，一些学者对重金属污染土的危害及防治开始重视［6-9］，并对碳化对固化重金属污染土效果的影响进行了研究。Mollah等［10-11］对固化Cd、Cr和Zn污染土的碳化作用影响进行了研究，结果表明水化产物受到了较大影响，重金属离子的固定得到了强化。章定文等［12］采用室内加速碳化试验方法，分析了碳化作用对水泥固化／稳定化铅污染土淋滤特性，结果表明，碳化养护试样的铅累计溶出量是标准养护试样的0.68～0.91倍，碳化有利于铅的固化／稳定化。这些研究都表明碳化作用所形成的碳酸钙对重金属污染土中重金属的固化是有利的。

本文将采用普通波特兰水泥固化的重金属污染土放入3种不同环境养护后，测试土样的强度、微观结构变化和重金属离子溶出特性。

2 试验方法

所采用重金属污染土取自某电镀工厂，pH值为8.0，总可溶固体含量为9 300 mg／L，水溶性有机碳（TOC）含量为2.1 mg／L。土样先放置于105℃干燥至恒重，后研钵碾碎至粒径500μm以下。经过HNO3和HCl酸化后测定重金属离子含量。见表1。

表1_污染土各离子含量 mg／kg

将干燥后的重金属污染土和水泥、重蒸馏水充分混合。混合比例设计见表2。

表2 试样各组分配比

混合后装入直径50 mm的PVC管模具，试样高度为50 mm。试样装好后放入3种养护环境中，5 d后拆模，总养护时间为28 d。养护环境为试验室环境、CO2环境、N2环境。

试验室环境实测平均温度为20℃；CO2环境为碳化箱，控制箱内相对湿度（RH）50%，箱内CO2浓度20%；N2环境为充满N2的可密封有机玻璃罐。

养护28 d后取出进行无侧限抗压强度试验、淋滤试验和XRD检测。

3 试验结果

3.1 强度变化

无侧限抗压强度试验结果见图1。

图1 无侧限抗压强度值

从图1中可以看出，随着OPC含量的提高，试验UCS增高。未添加重金属污染的试样在CO2养护环境下的UCS强度是所有试样中最高的，达到了12.38 MPa，N2和试验室条件养护下的UCS强度也达到了将近10 MPa。

在含有重金属污染条件下，N2养护环境下试样的UCS在所有试样中是最低的，在20%OPC添加情况下，试样太过松散甚至不能满足试验要求；CO2养护环境下的试样在OPC掺入比30%和25%时强度均最高，但在20%时较低。

3.2 晶体变化

粉末X射线衍射法用于样品的定性或定量的物相分析，当待测物质化学成分与物质晶型确定时，应具有独立的X射线特征衍射图谱和数据。通常，衍射图谱包括衍射峰数量、衍射峰位置、衍射峰强度、衍射峰几何拓扑等信息。本试验结果见表3。

_表3_XRD晶相试验结果

试验室养护环境下的试样，氢氧钙石、方解石、钙矾石等成分可以检测出来；N2养护环境下的试样，缺失氢氧钙石，含有大量的钙矾石和未水化的C3S。碳化环境下的试样，氢氧钙石和石膏是重要成分，钙矾石在所有试样中均未检测出。

从图2中可以看出碳化养护环境对OPC水化产物的影响。方解石数量从多到少的养护环境依次是：CO2＞试验室＞N2，CO2环境下，钙矾石逐渐分解，方解石和石膏成分逐渐增多。

图2 晶相变化

3.3 溶出特性

从表4可以看出，试验室养护环境下的试样中重金属离子溶出量最大，CO2养护环境下试样次之，溶出量最小的是N2养护环境下的试样。

表4 溶出离子浓度 mg／kg

4 结论

本文通过UCS、XRD和淋滤试验对CO2、N2和试验室环境下OPC固化重金属污染土的一系列特性做了研究，得出如下结论：

（1）随OPC掺量的提高，试样的UCS提高，所以理论上会存在一个固化效果、经济最优的OPC掺量。

（2）水泥水化过程会受到养护环境的影响，N2环境会造成水化产物中氢氧钙石的缺失，CO2会促进水泥水化中C3S的水化，产生CaCO3；水化产物的变化，最终还会影响到试样的UCS强度。

（3）CO2提高了试样中重金属离子的溶出特性，但试验结果显示效果没有N2环境更好，这可能是由于重金属离子溶出特性受到多种因素的影响，如OPC水化最终产物、水化时间、pH值等。

本文对碳化在重金属污染土固化中的应用做了一系列试验与研究，对重金属污染土固化这一目前广泛应用手段的研究将起到借鉴与指导作用。