水泥和碱渣固化含铅重金属污染土特性试验研究

边天奇 安晓宇 元光宗

摘 要：【目的】改良重金属污染土修复工程中常用的水泥固化/稳定法技术。【方法】以“氨碱法”制碱工艺的碱渣作为添加剂，通过室内试验研究水泥固化含铅重金属污染土的无侧限抗压强度及毒性浸出特性。【结果】固化土强度随养护龄期的增大逐渐提高，随铅离子含量的增大逐渐减小；与单一水泥固化含铅重金属污染土相比，碱渣的掺入使水泥固化土早期强度提高10%～25%，长期强度降低20%～30%，固化土对铅离子的吸附性能得到提高，不同浸出方法中浸出液铅离子浓度随碱渣掺入量的增大逐渐降低。【结论】碱渣的掺入提高了固化剂对铅离子的吸附性能，与等量单一水泥相比，其浸出液中铅离子浓度大幅度降低。

关键词：固化/稳定技术；含铅重金属污染土；水泥；碱渣；无侧限抗压强度；毒性浸出

中图分类号：X53         文献标志码：A        文章编号：1003-5168（2023）10-0083-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.017

Abstract： [Purposes] To improve the The Solidification and Stabilization （S/S） immobilization technologies that are the most commonly selected treatment options for metals-contaminated sites. [Methods] The unconfined compressive strength and leaching toxicity characteristics of lead-contaminated soil stabilized/solidified by using cement and soda residue are studied. [Findings] The unconfined compressive strength gradually increases along with curing age， but decreases with the lead concentration of the spiked soil; Comparing with soil solidified by using cement， the addition of soda residue results in increasing in the early strength of cement solidified soil by  10% ～ 25%， but results in reducing in its long-term strength by 20% ～ 30%， and the addition of soda residue reduces lead concentration of leachate and increases the cement adsorption performance. [Conclusions] The addition of soda residue improves the adsorption performance of the curing agent on Pb2+， and compared with the same amount of single cement， the concentration of Pb2+ in the leachate is greatly reduced.

Keywords： stabilized/solidified;lead-contaminated soil;cement;soda residue;unconfined compressive strength; leaching characteristics

0 引言

水泥基材料固化/穩定重金属污染土技术是欧美发达国家较为常用的一种污染土修复技术，其机理及工程应用已有系统的研究［1］。国内研究起步相对较晚，近年来，相关学者结合我国重金属污染日趋严重的形势开展一系列水泥及其他添加剂固化重金属污染土技术研究，取得丰富的研究成果［2-8］，推动固化/稳定技术在我国污染土修复及治理工程中的进一步发展。

“氨碱法”制碱工艺在发达国家已被淘汰，我国仍大量使用，碱渣作为该工艺排放的废弃物对环境已造成影响［9］。目前，国内学者针对碱渣废弃物治理及资源化利用研究主要集中在碱渣的工程力学性质［10］及其作为填埋场防渗垫层［11］、地基填垫材料［12-13］适用性方面，利用碱渣作为水泥固化重金属污染土的添加剂研究不多。曹煊［14］研究碱渣对重金属离子的动力吸附作用及pH值、温度等影响因素，其结果表明，碱渣对重金属离子具有很强的截留能力，重金属离子穿透单一碱渣层时间在66 h以上；方迪等［15］以碱渣为添加剂研究水泥固化脱硫底泥特性，其结果显示以碱渣作为添加剂水泥固化底泥重金属离子析出量与以粉煤灰、膨润土作为添加剂的效果相当。上述文献均表明碱渣对重金属离子具有较强的吸附作用，但未就碱渣作为添加剂水泥固化土的无侧限抗压强度变化及机理进行分析。

基于以上分析，本研究通过室内试验，以碱渣作为添加剂，研究水泥固化含铅重金属污泥的无侧限抗压强度及毒性浸出特性。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验使用的不含铅土样取自天津市滨海新区中心生态城，土样物理化学指标见表1、表2。试验前先将土样放入烘箱中，在105 ℃下烘干，过1 mm多孔筛。

试验固化剂采用水泥和碱渣，掺量为干土质量（Sb/Sb）的7.5%、10%、15%、20%。试验所用水泥为普通硅酸盐325水泥（OPC），主要组成成分质量比为：SiO2（21.5%）、Al2O3（5.14%）、Fe2O3（3.35%）、CaO（64.5%）、MgO（1.13%）；添加剂碱渣（SR）取自天津港东疆港区碱渣堆场，其干基化学成分质量比分别为：CaCO3（43.6%）、CaSO4（8.2%）、CaCl2（11.2%）、CaO（7.2%）、NaCl（4.3%）、Al2O3（2.6%）、Fe2O3（0.8%）、SiO2（6.4%）、Mg（OH）2（13.6%）、H2O（6.3%）。固化剂中碱渣含量（Ss/Sb）分别为10%、20%、30%、40%。

试验中铅污染源采用硝酸铅［16］，其在干土中的含量（WP）分别为800、2 000、5 000、25 000、50 000 mg/kg。

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备。制样前，先根据不同固化剂设计配比方案，采用K型坍落度测试仪测定混合土流动性在10%时的去离子水掺入量［17］。将硝酸铅溶入去离子水中，在磁力搅拌机中充分搅拌，得到硝酸铅溶液。按设计配比方案掺入水泥、碱渣，烘干土样，搅拌至均匀（25 min），装入成型筒内，静压3 min后脱模制成直径5 cm、高度10 cm的柱状试样。

1.2.2 无侧限抗压强度试验。将制备好的试样装入塑料袋中，密封后放入标准养护箱内养护（温度20 ℃，相对湿度大于85%），养护时间为1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d。试验方法参照ASTM D2166-06，轴向应变速率为1%/min。

1.2.3 毒性浸出试验。毒性浸出试验采用TCLP［18］和SPLP［19］，TCLP浸提剂分别采用去离子水（pH=6.80）和优级纯冰醋酸（pH=2.88）；SPLP浸提剂采用去离子水稀释硝酸和硫酸混合液（pH=5.00）。试验前，将养护时间为28 d的试样风干，粉碎研磨，过1 mm多孔筛；试验时，液固比为20∶1，浸提时间为18 h；试验完成后，采用原子吸收光谱仪测定上清液中重金属离子含量。

2 试验结果

2.1 无侧限抗压强度

固化剂为单一水泥时，不同Sb/Sd和WP条件下，固化土无侧限抗压强度随养护龄期的变化曲线如图1所示。由图1可以看出，固化土强度随养护龄期的增大逐渐增大，但随着WP的增加，固化土强度增长趋势逐渐变缓。污染土经水泥固化后其强度在不同养护龄期均比未污染土低，且随着WP的增加，其降低程度也越大，这与Tashiro等［20］研究结果一致，其主要原因在于Pb等的重金属氧化物与水泥浆发生反应，影响水泥水化初期的硬化和强度的发展。

固化剂为水泥和碱渣时，Sb/Sd=20%、WP=50 000 mg/kg、不同Ss/Sb条件下，固化土无侧限抗压强度随养护龄期变化曲线如图2所示。试验结果表明，碱渣的掺入提高了水泥固化土的早期强度，但降低了固化土的长期强度，固化土14 d强度提高10%～25%，90 d强度降低20%～30%，且随着碱渣掺入量的增加，其提高和降低程度也越大。其原因在于碱渣属于高吸水、高碱性材料，碱渣的掺入提高了水泥水化初期的硬化速度，提高了水泥固化土的早期强度。同时，碱渣中又含有NaCl等易溶于水的盐类，影响了水泥固化土长期强度的发展。

2.2 毒性浸出特性

固化剂为单一水泥时，不同Sb /Sd和WP条件下，养护龄期为28 d的固化土粉末TCLP和SPLP浸出液中浓度如图3所示。试验结果表明，不同浸提方法浸出液中Pb2+浓度随Sb /Sd的增大逐渐减小；随着WP的增加，浸出液中Pb2+浓度也逐渐变大，且当WP=50 000 mg/kg时，浸出液中Pb2+浓度均大于5 mg/L，超出我国《危险废物填埋污染控制标准》允许值。

对比三种不同浸提剂试验结果可以看出，浸提剂为冰醋酸时，水泥固化土粉末浸出液中浓度小于其他两种方法；浸提剂为去离子水时，浸出液中Pb2+浓度略大于硝酸和硫酸混合液，这与文献［16］研究结果一致。

固化剂为水泥和碱渣时，Sb/Sd=20%、WP=  50 000  mg/kg、不同Ss/Sb条件下，养护龄期为28 d的固化土粉末TCLP和SPLP浸出液中Pb2+浓度如图4所示。与单一掺入水泥固化剂相比，三种浸提剂试验结果变化趋势一致，即冰醋酸最小，去离子水最大，且浸出液中Pb2+浓度均未超过5 mg/L。

随着固化剂中碱渣掺入量的增大，浸出液中Pb2+浓度逐渐下降，碱渣掺入量达到固化剂总量的40%时，Pb2+浓度下降200%，说明碱渣对重金属Pb2+离子的吸附性能大于等量的水泥。

产生上述现象的原因在于碱渣的掺入提高了固化土粉末浸出液的pH值，激发了水泥、碱渣、土的重金属离子交换的化学反应，Pb2+被置换，从而被固定。

3 结论

以碱渣为添加剂，研究水泥固化含铅重金属污染土的强度及毒性浸出特性，分析碱渣掺入量对固化土的影响，得出以下结论。

①水泥和碱渣固化含铅重金属污染土无侧限抗压强度随养护龄期的增大逐渐提高，但随着铅污染源含量的增大，强度逐渐减小。

②碱渣的摻入提高了水泥固化土的早期无侧限抗压强度，但降低了水泥固化土的长期强度。

③浸出液中Pb2+浓度随固化剂掺量的增加而减小，但随着铅污染源含量的增大而增大。

④碱渣的掺入提高了固化剂对Pb2+的吸附性能，与等量单一水泥相比，其浸出液中Pb2+浓度大幅度降低。

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收稿日期：2023-02-23

基金項目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金项目（TKS20220102）。

作者简介：边天奇（1995—），男，本科，工程师，研究方向：环境岩土工程。

通信作者：安晓宇（1988—），男，硕士，高级工程师，研究方向：土工离心模型试验技术。