重金属离子污染粉砂土力学性能试验研究

袁玉卿, 王夏伟, 杨俊锋, 樊兴伟, 周 婧, 张 业

(1.河南大学土木建筑学院,开封 475004；2.河南大学开封市工程修复与材料循环工程技术研究中心,开封 475004)

重金属污染的土体，其各项力学性能会产生不同层次的改变。重金属进入土体后，会使土体的物质组成和内部结构发生改变，土体将会出现颗粒团聚、骨架颗粒松散等现象，进而影响土体的液、塑限和渗透系数，造成土体强度降低[1-4]。此外，研究发现[5-9]，随着金属离子掺量的降低，土体的各项力学性能，包括无侧限抗压强度、黏聚力、内摩擦角、抗剪强度等都会出现不同程度的降低。Meegoda等[10]利用实验发现，金属离子含量升高会使细粒土的抗剪强度逐渐降低，且应力应变随浓度增加而减小。Turer[11]发现铅盐、锌盐和碱可以促进高岭土体积的膨胀。针对这些特性，Mulligan等[12]分析了重金属污染土对力学性能的影响方式，并提出使用表面活性剂来修复污染土。刘刚等[13]、贺瑶瑶等[14]发现铬离子通过生成新物质及改变土体微观结构来改变土体力学性能。

粉砂土介于细砂土和粉土之间,毛细作用强烈,使得重金属离子更容易通过毛细作用随外界水进入粉砂土体内,造成粉砂土的污染,引起土体的膨胀加剧,或造成土体强度逐渐减小。为了探究污染粉砂土力学性质的变化特征,借助无侧限抗压强度试验、直接剪切试验、X射线衍射分析试验研究污染土的力学性能和内部结构变化,为后续金属离子污染土的研究提供理论和数据支撑。

1 污染土稳定性与微观试验

为了研究不同重金属离子含量对粉砂土力学性质的作用,利用硝酸铜[Cu(NO3)2·3H2O]和硝酸铬[Cr(NO3)3·9H2O]配制金属离子污染土。以土样的最优含水率和最大干密度配制离子含量为0.5%、1%、2%的污染土样,探索不同重金属离子掺量下粉砂土最大抗压强度和抗剪强度变化关系,研究污染土力学性能变化与内部结构之间的联系。

1.1 无侧限抗压试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[15],采用素土及3种离子含量的铜离子和铬离子污染土共7组土样,每组制备6个试件,将土样润湿后密封并静置1 d。试件尺寸为φ50 mm×50 mm,压实度95%。将试件密封并置于养护室养护7 d。

打开电子万能试验机电源,调整加压板使其刚好与试件接触并开始加载,速率控制在1 mm/min。观测并记录数据变化以及土样形状变化。待试件破坏后,停止加载并记录所得应力-应变曲线。清理加压台并开始下一组试验。

对各组试验结果进行分析时,需要对每组6个试件试验结果分别进行分析。去除误差较大的数据并计算每组试件的最大抗压强度平均值,绘制离子掺量与最大抗压强度关系曲线。

1.2 直剪试验

粉砂土具有较强的毛细作用。金属离子经毛细作用进入到土体中,从而导致土体的抗剪强度的改变,进而影响到土体承载力的大小。因此通过直剪试验研究重金属污染对土体抗剪强度的影响。

对0.5%、1%、2%铬离子含量土,0.5%、1%、2%铜离子含量土与素土7种工况下的试件进行直剪试验。将土样浸润24 h后制备试件,每种掺量下制备2组,每组4个共56个土样,将制备好的试样养护7 d进行试验。将养护好的试件分组装入直剪仪内,取每种掺量下两组试验结果的平均值作为依据进行直剪试验分析。

1.3 污染土X射线衍射试验

土体的抗压与抗剪强度主要和土体内部组分的结构和形态有关,因此,为更加直观地解释重金属污染粉砂土性能改变的原因,利用污染粉砂土进行X射线衍射分析。依据铬离子和铜离子污染后粉砂土体微观结构的改变情况,来解释污染粉砂土性能改变的原因。

试验采用X射线衍射分析仪,得到土样的衍射光谱,对不同离子掺量下的衍射光谱进行物相检索,由光谱的不同峰值得出不同离子掺量下土体内主要物质的各种组成情况,从而说明被重金属铬离子和铜离子不同程度污染的粉砂土内部组成成分的变动情况。试验采用素土及铬离子和铜离子掺量分别为0.5%、1%、2%的7种土样进行X射线衍射分析。

通过对试验数据的拟合分析,分辨峰值较强的元素类别。通过对衍射曲线的分析,找出不同工况下主要组成元素含量的变化情况,并得出相应结论。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压试验结果分析

对素土和不同离子含量下试件抗压强度数据分析,得到不同掺量下试件最大抗压强度关系曲线如图1、图2所示。

图1 最大抗压强度与铬离子掺量关系Fig.1 Relationship between the maximum compressive strength and chromium ion content

图2 最大抗压强度与铜离子掺量关系Fig.2 Relationship between the maximum compressive strength and the content of copper ion

由图1可知,随着铬离子含量的增加,试件的最大抗压强度整体呈增长态势。当离子含量在0～0.5%时,土样的最大抗压强度有所下降。当离子含量在0.5%～2%时,土样的最大抗压强度从0.053 MPa增加至0.157 MPa,涨幅超过100%。说明铬离子含量的升高对土体的抗压强度反而有一定的增强作用。

由图2可知,当离子含量在0.5%～1%时,最大抗压强度略微提高,但试件最大抗压强度整体呈减小趋势。重金属铜离子含量在0～2%时,土样最大抗压强度由0.071 2 MPa减小至0.04 2 MPa,降幅近100%。说明铜离子含量的提高会导致抗压强度的减小。

2.2 直剪试验结果分析

借助两种金属离子污染土的直剪试验数据,分析得到两种金属离子污染土垂直压应力与剪应力关系,如图3、图4所示。

图3 铬污染土剪应力与垂直压应力关系Fig.3 Relationship between shear stress and vertical compressive stress of chromium contaminated soil

图4 铜污染土剪应力与垂直压应力关系Fig.4 Relationship between shear stress and vertical compressive stress of copper contaminated soil

由图3、图4得,铬离子、铜离子污染土剪应力随着垂直压应力的提高而增大,并且随着离子掺量的升高,污染土样的剪应力也随之减小。2%铬离子污染土比素土剪应力减少约7%,2%铜离子污染土比素土剪应力减少约9.7%,说明土体抗剪强度随离子含量的升高而减小。但铜离子土比铬离子土的剪应力变化更明显。

2.3 X射线衍射结果分析

对不同含量铬离子污染土的衍射分析结果进行拟合得图5所示曲线。

图5 不同铬离子掺量衍射图Fig.5 Diffractogram of different chromium content

由图5所示,经对比,铬离子污染土衍射图中,衍射峰值较强处所对应的化合物均为SiO2。在26°和51°处的衍射峰,虽然有一定的变化但整体变化趋势不大。但在20°处衍射峰值随着离子掺量增加而减小,37°处衍射峰值随离子掺量增加而逐渐增加。因此,重金属铬离子的掺入,对SiO2化合物的含量影响较小。铬离子主要通过改变粉砂土内部分SiO2化合物的形态,从而导致粉砂土性能的改变。

对不同含量铜离子污染土的衍射分析结果进行拟合得图6所示曲线。

图6 不同铜离子掺量衍射图Fig.6 Diffractogram of different copper ion content

由图6可知,经与标准PDF(powder diffraction file)卡片比对后,发现粉砂土中所含SiO2化合物的形态有所不同但含量较高。经对比,在20°、26°、37°处,衍射峰值基本保持不变。但在51°处,衍射峰值随着离子掺量的增加而不断降低。因此,铜离子的掺入会导致粉砂土内SiO2减小,从而导致力学性能的改变。

由XRD结果分析可得,铬离子污染土的SiO2化合物含量几乎不变,而形态发生变化,其抗压强度随金属离子含量增加而逐渐增大。铜离子污染土的SiO2化合物含量变小,其抗压强度随金属含量升高而降低。此外,铜离子土的抗剪强度下降程度也比铬离子土高。因此,判断铬离子、铜离子污染土主要通过改变SiO2的含量来削弱土样的力学性能。

2.4 机理分析

土的抗压与抗剪强度取决于土体微观成分的形态、数量,以及土的颗粒构成、结构形态等因素。土体内部成分种类和数量的改变,将导致土的黏聚力、内摩擦角等的改变,从而改变土体的力学性能。土体结构的改变,也会使土损失一定的黏聚力,造成土体抗剪强度的减小。由X射线衍射试验可知,铬离子和铜离子的掺加,引起土体内SiO2形态和数量的变化,改变了土体微观结构；力学实验也表明,这些离子的掺加,导致了土体抗压、抗剪强度的明显变化。

3 结论

借助无侧限抗压试验、直剪试验、X射线衍射分析,探究重金属污染对粉砂土力学性质的影响,得出以下结论。

(1)重金属离子含量的升高会使土体的力学性能出现不同程度的变化,从而改变土体的工程性质。在工程建设中应尽量避免使用重金属污染土,或采取措施整治后使用。

(2)随着铬离子含量的升高,粉砂土的无侧限抗压强度也逐渐升高,最大抗压强度提高超过一倍；然而铜离子污染后的土无侧限抗压强度则显著下降,降幅接近100%。

(3)铬离子、铜离子污染的粉砂土,抗剪强度都明显下降。铜离子比铬离子对土体抗剪强度影响更大,降幅约为9.7%；铬离子影响较小,降幅约为7%。

(4)铬离子会部分改变粉砂土中SiO2化合物的形态,从而导致土体性能的改变；铜离子主要通过减少粉砂土内SiO2化合物的含量,引起土体性能的改变。