不同浓度ZnCl2污染粉质黏土强度特性试验

吴 炎，丁姝昱，赵浩楠，潘子晴，张志军，胡 坤

(1.常州大学怀德学院，江苏 靖江 214500；2.常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 213164)

重金属在土体中迁移、转化以及积累过程中，会与土颗粒发生相应的物理化学变化，引起土体强度特性的改变。现阶段工业化的快速发展带动了电镀产业的兴起，以往电镀废水的无序排放使得土体重金属含量超标，引起土体重金属污染，其中以镀锌企业为代表的ZnCl2污染土最为典型[1]。对于污染土的研究，是以1985年在荷兰召开的第一届国际污染土会议作为起点，而我国直到20世纪80年代同济大学才开始对污染物在土体中的迁移进行研究[2]。近些年，一批学者对于污染土的工程性质做了相应的研究。Ladd等[3,4]通过试验，发现污染土对土体的抗剪强度和应力-应变关系的影响不明显；而Ratnaweera等[5]对细粒污染土的研究表明，细粒土的抗剪强度随着污染物浓度的增加而减小，其应力-应变关系曲线随着污染物浓度的增加而降低。朱春鹏等[6]通过室内试验探究了酸碱条件下土体的应力-应变关系以及孔隙水压力的变化规律。储亚[7]等着重研究电阻率与重金属污染土中金属离子浓度之间的关系，建立了多因素的回归方程。张志红等[8]对金属污染土的力学特性进行了研究，得出金属离子浓度增加，强度降低的相关结论。刘志彬等[9]利用电镜扫描方法得出，随着孔隙液Zn2+浓度的增大，膨润土的孔隙液pH值和土样比表面积减小，颗粒直径增大的结论。

然而，对于不同学者，其结论也存在差异性，甚至结论完全相反。同时，国内对污染土的研究集中在酸碱污染[10,11]，对重金属污染的研究并不多[12,13]。很多学者室内试验皆采用Zn(NO3)2·6H2O作为试验药品[14,15]，但是实际工程中ZnCl2污染更具有代表性。针对上述问题，本文选取泰州靖江地区典型的粉质黏土，通过室内试验，探究ZnCl2浓度对粉质黏土强度特性的影响，对重金属污染场地的评价有一定的指导意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用的土样取自泰州靖江市的某一建筑工地，原状土为靖江市典型土层中的粉质黏土，取土深度3～5 m。根据GBT 50123-2019《土工试验方法标准》对其进行常规土工试验，其物理力学性质指标如表1所示，全量化学分析结果如表2所示。将土样风干磨碎后过2 mm筛备用。

表1 原状土的基本物理力学性质指标

表2 原状土的全量化学分析

试验所采用的重金属污染物为国药集团生产的ZnCl2分析纯，试验采用蒸馏水。考虑到土体含水量对试验结果会产生较大影响，故采用击实试验测定土样的最优含水率作为其含水量，测得试验土样的最大干密度为1.706 g/cm3，最优含水率为18.4% ，如图1所示。

图1 击实试验结果

1.2 试验方法

将备用的土样称量3 kg，每份分别装入事先准备好的拌盆(用保鲜膜包裹)中，对已经配置的氯化锌溶液磁力搅拌12 h后均匀喷洒入土样中，采取人工拌合的方式进行充分搅拌。根据土壤风险管控标准及相关学者的研究[16～18]，试验设计ZnCl2浓度(氯化锌质量与干土质量的比值)为5(0.5%)，10(1%)，20(2%)，30(3%) g/kg 。

本次直剪试验与压缩试验土样的制备采用电动击实的方法，每次击实分三层，每层击打23次，每层试样的高度相等。控制每组样品的含水率为18.4%，密度为1.706 g/cm3，且密度与含水率的误差值不超过±0.02 g/cm3和±1%，通过该方法来判断样品是否合格。击实后将ZnCl2污染土样两端用滤纸覆盖并用透水石封盖放置待用。为保证无侧限抗压强度试验污染土样的制备则采用专用击实模具分6次击实，制成污染土样进行实验。为降低误差，每种ZnCl2污染土样取2组试样进行平行实验。

2 试验结果与分析

2.1 界限含水率试验

图2显示了土体液塑限随ZnCl2浓度的变化情况，从图2中可以看出，随着ZnCl2浓度的增加，土体的液限和塑限的变化规律都呈现出先降低再增加最后降低的趋势。两者的极小值点都出现在0.5%ZnCl2浓度处。但是两者区别在于极大值点不一样，塑限的极大值点是在1%ZnCl2污染处，而液限的极大值点则在未污染土处，但是液限、塑限各自两个极大值点相差并不大，都在1%以内。图3显示了土体塑性指数随ZnCl2浓度的变化情况，从图3中可以看出，塑限指数的变化规律与液塑限相同，尤其在0.5%处，整体呈现“台阶”式下降。

图2 土体液塑限随ZnCl2浓度变化

图3 土体塑性指数随ZnCl2浓度变化

2.2 直剪试验

由于直剪试验采用抗剪强度计算内聚力、内摩擦角时抗剪强度的取值带有一定主观性，因此首先对不同浓度污染土在不同压力下污染土的剪切位移与剪应力的关系进行分析。从图4～7可以看出，在100，200，300 kPa压力下，未污染土的剪应力总是大于ZnCl2污染土的剪应力，且在100 kPa压力下，未污染土的抗剪强度超过污染土的抗剪强度的30%。随着法向压力的增加，未污染土与ZnCl2污染土之间的剪应力差值逐渐变小，直至在400 kPa压力下，0.5%ZnCl2污染土的抗剪强度大于未污染土。在不同浓度的ZnCl2污染土中，除100 kPa外，其余三种压力下，0.5%ZnCl2污染土的抗剪强度皆大于其他种污染情况。

图4 100 kPa下污染土样的剪应力

图5 200 kPa下污染土样的剪应力

图6 300 kPa下污染土样的剪应力

图8显示了土中ZnCl2浓度与粘聚力c、内摩擦角φ的关系，从图8中可以看出，随着土中ZnCl2浓度的增加，土体的粘聚力与内摩擦角变化趋势相反，粘聚力先急剧降低再增加最后趋于平缓，而内摩擦角则先增加再降低而后趋于平缓。土体被ZnCl2污染后，粘聚力皆小于未污染土，即使ZnCl2浓度增加使得粘聚力增加也远小于未污染土，污染后土体粘聚力最大值比未污染土体粘聚力降低了30%，污染后土体粘聚力的极小值比未污染土降低了73.34%，变化幅度非常大。内摩擦角的变化则相对小很多，污染后土体稳定的内摩擦角比未污染的小23.1%，其原因解释如下。

(1)ZnCl2溶液具有弱酸性，土体受ZnCl2污染初期，其含有的胶结物被侵蚀溶解，土体的粘结强度迅速下降。对污染前后的土体进行电镜扫描，其结果如图9所示，从图9a至9e，团聚的土体颗粒宽度迅速减小，颗粒物之间的粘结从紧密到松散，尤其是从图9a至9b表现的最为明显。图中团聚颗粒的宽度呈现先下降又增加的趋势，这与土体粘聚力的变化是一致的。

图9 ZnCl2污染土电镜扫描图

(2)土体颗粒带有负电荷，随着ZnCl2溶液的增加，土体颗粒表面聚集大量金属阳离子，这就使得扩散层的结合水膜变薄，颗粒距离变短，土颗粒之间的凝聚力增强，土体的强度增加。但是从图8中可以看出，由于胶结物质对土强度的贡献更大，土体粘聚力整体是下降的。

(3)从表2中可以看出，土中除了含有大量的SiO2外，还有少量的游离氧化物，而游离氧化物对土体的强度具有较大贡献，当ZnCl2浓度增加后，土体pH进一步下降，一部分游离氧化物产生酸化反应，从而降低土体的强度。

2.3 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度是评价地基承载力的重要指标，而由于试验用土为非饱和土，因此对于无限抗压强度将进行定性分析。从图10中可以看出，随着ZnCl2浓度的增加，土体的无侧限抗压强度呈现断崖式下降，而后缓慢降低，趋于平缓。ZnCl2浓度从0到0.5%这段区间，土体的无侧限抗压强度下降了65.6%，而ZnCl2浓度在0.5%到3%这段区间，污染土的无侧限抗压强度降低幅度为22.1%，因此，在ZnCl2浓度为0.5%时，是土体无侧限抗压强度的关键节点。

图10 土中ZnCl2浓度与无侧限抗压强度关系

2.4 压缩固结试验

压缩固结试验采用气压固结仪进行实验，试样在不同压力下的压缩模量与压缩系数和ZnCl2浓度的关系如图11所示。

图11 土中ZnCl2浓度与压缩模量及压缩系数关系

从图11中可以发现，污染土的压缩模量随ZnCl2浓度的增加呈现出先增大后减小的趋势，压缩系数与压缩模量的变化趋势相反，随ZnCl2浓度的增加而先减小后增大。但是，压缩系数与压缩模量的极值点出现在ZnCl2浓度为0.5%处，ZnCl2浓度在1%～2%处变化幅度最大，且在ZnCl2浓度大于2%时，污染土的压缩模量小于未污染土、压缩系数大于未污染土。

不同固结压力下，压缩模量与压缩系数也会发生变化，而压缩模量与压缩系数的变化趋势相反，因此着重讨论压缩模量与土中ZnCl2浓度及固结压力的关系，如图12所示。从图12中可以看出，虽然压缩模量在变化的过程中出现起伏，但是具有一定规律性，尤其是随着固结压力的增加，土体的压缩模量整体呈增大趋势，而土体中ZnCl2浓度的影响在0.5%处体现得最为明显，峰值点位于压力固结800 kPa、浓度0.5%处。对于土体压缩性的变化从图9中可以更好地解释，即在电镜扫描图中，土颗粒之间空隙越大，则压缩性越大。

图12 压缩模量与土中ZnCl2浓度及固结压力关系

3 结 论

本文采用击实法对污染前后的重塑土样进行界限含水率试验、室内直剪试验、无侧限抗压强度实验、压缩固结试验，研究了不同浓度ZnCl2污染粉质黏土的强度特性，并得出以下结论：

(1)随着ZnCl2浓度的增加，土体的液限和塑限以及塑性指数都呈现出先降低再增加最后降低的振荡变化趋势，极小值点出现在ZnCl2浓度为0.5%处。

(2)土中ZnCl2浓度的增加，使得土体粘聚力先急剧降低再增加最后趋于平缓，而内摩擦角则先增加再降低而后趋于平缓，两者的极值点都出现在0.5%处，土体粘聚力整体下降，且污染后土体粘聚力的极小值比未污染土降低了73.34%。

(3)ZnCl2污染土体粘结强度变化的主导因素是颗粒间的胶结物被侵蚀溶解，游离氧化物含量降低，结合水膜的厚度对强度的影响较低。

(4)土体的无侧限抗压强度随ZnCl2浓度的增加呈现断崖式下降后趋于平缓。ZnCl2浓度为0.5%是无侧限抗压强度变化的关键节点。压缩模量与压缩系数两者变化趋势相反，前者先增加后减小、后者先减小后增大。ZnCl2浓度为0.5%是无侧限抗压强度变化的关键节点以及压缩模量变化的极值点。