碳化对水泥固化铅污染土的电阻率特性影响规律

　　摘要：为确保重金属污染场地再开发利用的稳定性和安全性，采用室内加速碳化试验研究碳化对水泥固化铅污染土电阻率特性的影响规律。人工配制不同铅含量的污染土，采用水泥固化后进行室内加速碳化试验，分析碳化作用对固化土电阻率和pH值的影响规律，并讨论固化土的电阻率与无侧限抗压强度的相关关系。试验结果表明，碳化作用下水泥固化铅污染土的电阻率随着碳化时间和水泥掺入量的增加而增大，随着铅含量、孔隙率和饱和度的增加而减小。提出一个能够有效反映碳化时间、水泥掺入量和铅含量等因素对固化土电阻率影响的表征参数，采用该参数替代Archie电阻率模型中的土体孔隙率即可将Archie电阻率模型扩展应用到水泥固化重金属污染土领域。固化土的pH值随着铅含量增加而有所降低；碳化后固化土的pH值从11～12降低到8～9。固化土的电阻率与强度具较好的对应关系，电阻率法可作为一种有效的水泥固化铅污染土性能评价方法。

　　关键词：土力学；水泥固化铅污染土；碳化；电阻率；电阻率模型；pH值；无侧限抗压强度

　　1、引言

　　固化/稳定化技术是重金属污染场地修复最为经济有效的方法之一。水泥由于其经济性成为固化/稳定化技术最常用的固化剂。目前，国内外关于水泥固化重金属污染土的研究主要集中于固化土体的物理力学性能和重金属淋滤特性等。周围环境的物理化学作用(如碳化作用、干湿循环、冻融循环和化学物质侵蚀等)对固化污染土稳定性影响的研究较少。

　　碳化是指空气中的CO2气体通过水泥土(或水泥石等)中的孔隙、毛细通道等进入土体与氢氧化钙、水化硅酸钙等水泥水化产物反应生成碳酸钙，孔隙水溶液pH值降低的过程。水泥石或混凝土的碳化效应研究已取得丰富的研究成果。如B.Pandey等均指出水泥石碳化后的强度会增大；方永浩等研究发现碳化后水泥石的大孔隙体积减小，孔径变细，总孔隙率降低，抗渗性能增强；R.Kumar和B.Bhattacharjee研究发现水泥石在碳化作用下孔隙溶液pH值会从13降低到8。T.V.Gerven和G.Cornelis曾指出碳化对水泥固化含重金属废弃物的影响主要表现为孔隙水pH值降低，水泥石孔隙率降低及含重金属的氢氧化物转化为碳酸盐。

　　V.Kauris和K.Hammer研究指出随着溶液pH值的降低，重金属的溶解性会增强，Pb2+和Zn2+在偏酸性环境下会形成可溶性羟基金属化合物，As2+和Cr2+在偏酸性环境下会形成含氧酸根离子。碳化效应虽然能够增大水泥石的强度，减小孔隙率，但是碳化效应导致的孔隙溶液pH值的降低会改变重金属的赋存形态，并改变重金属化合物的溶解度，进而会改变水泥固化土中重金属的溶出特性。

　　水泥固化重金属污染土的碳化特性研究成果较少。A.Tabbaa和N.Boes对一个水泥固化重金属污染场地5a后的性质进行了检测，发现污染土的pH值下降到6.5左右，但是固化处理28d时pH值为10～11；毒性淋滤浸出试验结果显示5a后重金属的溶出浓度变大，甚至高于安全限值(28d时溶出浓度低于安全限值)，并指出导致污染场地性能变化的主要原因是碳化效应。因此，为确保固化处理重金属污染场地再开发利用的安全性，有必要研究碳化作用对水泥固化重金属污染土的性能的影响。

　　岩土体的电阻率是表征其导电性的基本参数，是岩土体的固有物理性质指标之一。由于电阻率测试技术具有方便、快捷且可连续测试等优点，该技术在岩土工程领域开始受到重视。影响岩土体电阻率的主要因素有土体含水率、孔隙率、饱和度和孔隙溶液离子浓度等，这些因素也是影响水泥固化土宏观力学特性和微观结构特征的主要因素。另外，重金属的溶出特征与土体孔隙率、孔隙溶液重金属离子浓度和重金属的赋存形态等密切关联，因此将电阻率技术引入水泥固化/稳定化重金属污染土的加固机制分析与效果评价等方面具有坚实的理论基础。本文在总结水泥固化材料电阻率特性的基础上，以水泥固化铅污染土为研究对象，分析碳化作用对固化土电阻率的影响规律，建立水泥固化铅污染土的电阻率模型；分析碳化对固化土pH值的影响规律。

　　2、水泥固化材料电阻率特性

　　国内外不少学者探讨了电阻率测试技术在水泥固化材料方面应用的潜能。Z.J.Li等基于电磁感应原理开发了一种非接触式电阻率测试技术，该技术可有效地消除电阻率测试中接触电阻和极化现象的影响，并基于此技术研究了水泥水化过程中电阻率的变化特征，建立了水泥初凝和终凝时间与电阻率的相关关系，反映水泥水化的全过程。K.Komine将土颗粒、孔隙水和水泥水化产物的电阻串联或并联，构建了水泥土的假想电阻率结构模型，并采用电阻率检测技术评价了化学注浆材料的力学性能。董晓强等评价了酸性或碱性环境侵蚀作用下水泥土电阻率的变化规律，提出了一种基于电流变化的水泥土损伤模型。刘松玉等系统评价了含水率、饱和度、水灰比以及养护龄期等因素对水泥土电阻率的影响规律，并建立了水泥土无侧限抗压强度和现场标贯击数与电阻率的经验关系，探讨了电阻率法在水泥土搅拌桩桩身质量检测中的应用。D.W.Zhang等还讨论了盐分对水泥土电阻率的影响规律，提出了考虑盐分影响的水泥土电阻率经验模型。

　　G.E.Archie建立了经典的饱和土电阻率模型(简称Archie模型)：wnf....(1)式中：ρ，ρw分别为土体电阻率和孔隙水电阻率；n为土体孔隙率；f为一个反映土体内孔隙连通程度的经验参数。

　　G.Keller和F.Frischknecht对Archie电阻率模型进行了修正，建立了经典非饱和土电阻率模型：rwanfSb.....(2)式中：Sr为饱和度，a和b为经验参数。

　　Archie模型以及改进的非饱和土电阻率模型是否适用于水泥固化重金属污染土有待验证。碳化效应对水泥固化重金属污染土电阻率的影响也有待深入分析。

　　3、试验材料与方法

　　3.1试验材料

　　试验用土取自南市京江宁区东南大学九龙湖校区土木交通大楼建设工地地表下2m处。土样相对密度为2.72，砂粒、粉粒和黏粒的含量分别为11.0%，66.3%和22.7%，塑限和液限分别为16.9%和44.0%，塑性指数为27.1，是一种典型的低液限黏土。按照土体室内压实试验方法(ASTMD698—07)测得土样击实曲线，该土样的最佳含水率为12.4%，最大干密度为1.91g/cm3。基于土样击实试验结果，同时考虑到制样过程中水分的蒸发损失以及水泥水化反应需要消耗的水分，本试验选用含水率为18%。

　　试验采用连云港赣榆县东旺水泥有限公司生产的普通硅酸盐425#水泥作为固化剂。水泥相对密度为3.10，X射线荧光光谱分析测得其主要化学成分为CaO65.0%、SiO219.0%、Al2O36.5%。

　　由于硝酸铅具有较高的溶解度，且硝酸根离子对水泥水化反应的干扰较小，因此采用硝酸铅作为本试验的铅污染源。

　　3.2试验方法

　　根据陈蕾等的研究成果，本试验选用的铅含量pbw分别为0，1000，5000，25000mg/kg，即0%，0.1%，0.5%和2.5%的干土质量，下文中用Pb(y)(y=0.0，0.1，0.5，2.5)表示。水泥掺入量(水泥质量与干土质量的比值)取9%，12%和15%，下文中用C(x)(x=9，12，15)表示。具体试验步骤如下：

　　(1)根据土的设计含水率，将相应比例的硝酸铅试剂充分溶解于一定质量的去离子水中，得到相应铅离子含量的硝酸铅溶液。将过2mm筛的干土与相应比例的水泥充分混合，加入配置好的硝酸铅溶液，搅拌均匀(搅拌时间约10min)。

　　(2)采用静压法将搅拌均匀的土料制成直径5cm，高度10cm的柱状样，控制试样密度为1.90g/cm3。将制好的试样放入自封袋密封，然后送入标准养护室(温度为(20.2)℃，相对湿度在95%以上)养护。

　　(3)试样养护28d后进行加速碳化试验。加速碳化试验方法参考规程，养护条件为温度(20.2)℃，相对湿度(75.2)%，CO2浓度(20.2)%。试样采用全接触方法进行碳化，下文中采用C(x)Pb(y)-CO2表示碳化试样。根据碳化深度测试结果，全接触碳化7d时整个试样可完全碳化，因此碳化时间分别取8h，1d，3d和7d。碳化后量测试样的质量和体积，测试不同碳化时间试样的电阻率和无侧限抗压强度(强度测试方法参见黏性土无侧限抗压强度试验方法(ASTMD2166—06))，然后测试整个试样的含水率，并在距试样端面3cm处取样测试土样的pH值(pH值测试方法参见土壤pH值试验方法(ASTMD4972—01))。由于试样在碳化过程中未碳化部分的水泥水化反应和火山灰反应还在继续进行，因此在试样碳化的同时，设置对比试样(下文中用C(x)Pb(y)-S表示)进行相同时间(8h，1d，3d，7d)的标准养护，并测试其密度、含水率、pH值、电阻率和无侧限抗压强度。所有测试结果均取3个平行试样的平均值。

　　值得注意的是，本文的全接触碳化试样是碳化部分和未碳化部分的组合体，所测得的密度、含水率、电阻率和强度以及计算得到的孔隙率和饱和度等参数均表示整个试样的宏观物理、电学或力学特性。

　　3.3试验仪器与原理

　　采用GWINSTEK公司生产的LCR–817型电阻率测试仪测试试样的电阻率。测试原理(二相电极法)与测试试验照片。电阻率测试时，需在2个电极片上施加2kPa的压力，以保证试样和电极片接触良好，避免接触电阻对测试结果的影响，且该压力对试样剪切强度的影响可以忽略。阻率测试频率选用2kHz，以避免土体极化效应和双电层松弛效应对测试结果的影响。所有试样在电阻率测试时，温度均控制在(20.2)℃。

　　试样的电阻率.可由下式确定：UAsIH...(3)式中：ΔU为试样两端的电压；I为流过试样的电流；sA为试样的横截面积，2sA.πD/4，D为试样的直径；H为试样的高度。

　　碳化试样不是均匀体，整个试样由表及里可以分为完全碳化、部分碳化和未碳化3个区域。为简单起见，假定试样由完全碳化和未碳化两部分构成，如图4所示。参考K.Komine中的串并联电阻率模型，建立碳化作用下水泥固化土的电阻率概念模型。