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简议碳化对水泥固化铅污染土的电阻率特性影响规律

作者:2017-02-10 16:39阅读:文章来源:未知
  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。
  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。
  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)测得土样击实曲线如图1所示,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%。
  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wpb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2)℃,相对湿度在95%以上)±准养护室(温度为(20养护。
  4试验结果与分析
  4.1碳化对固化土电阻率的影响
  水泥固化土的电阻率随碳化时间的变化规律,其中,C9Pb0.5-S等表示水泥掺入量为9%,铅含量为0.5%,采用标准养护的试样。可见,随碳化时间的增加,固化土的电阻率随之增大,且前3d变化较快,后期增长速率降低。水泥的水化产物(氢氧化钙、水化硅酸钙和水化铝酸钙等)与二氧化碳反应生成碳酸钙,碳酸钙在水泥土的毛细孔中逐渐沉积,使得固化土的孔隙体积减小,且孔径较大的孔隙进一步分割成小孔隙,孔隙连通程度降低,因此试样电阻率随之增加。另一方面,碳化作用会明显降低水泥固化土的含水率,导致试样饱和度降低(下文详细分析),因此电阻率明显增大。由式(4)可知试样电阻率增大是由于碳化NC,则rC大于未碳化部分的电阻率r部分的电阻率随着碳化时间增加,试样的碳化深度增大,试样的整体电阻率增大。电阻率增长速率随碳化时间增加逐渐减小是由于先期碳化生成的碳酸钙等沉淀物附着在水泥水化产物表面,阻挡水化产物与二氧化碳接触,阻碍了碳化反应的进一步发生;另外,碳化作用下试样孔隙体积减小,即土体更加密实,二氧化碳在水泥固化土中的扩散速率减小,导致碳化反应速率逐渐减缓。
  4.2水泥掺入量与铅含量对固化土电阻率的影响试样电阻率随水泥掺入量的增加而增大的变化规律。水泥掺入量越大,水泥水化反应产物越多,水化产物填充于土体孔隙,使得固化土孔隙率降低,孔隙连通程度降低;另外,水化反应会消耗水分,水泥掺入量越多消耗的水分就越多,固化土的饱和度降低越明显。因此试样的电阻率随着水泥掺入量的增加而增大。对碳化试样而言,水泥掺入量越大,可碳化的水化产物含量越多,在相同的碳化时间内,试样电阻率增加的幅度越大,即电阻率增加的速率(Δρ/Δt)随水泥掺入量增加而增大。但是另一方面,水泥掺入量越大时土体越密实,二氧化碳在固化土内部的扩散速率降低,这将会导致试样的碳化速率降低,即相同的碳化时间内碳化深度小,因此水泥掺入量对碳化试样电阻率的影响是上述2种作用的综合反映。水泥掺入量对碳化试样的影响,前者大于后者。
  4.3固化土电阻率与孔隙率的关系
  可见,对于每一种铅含量的水泥固化土,随着孔隙率降低,试样的电阻率随之增大。不同铅含量时试样电阻率的变化规律与G.E.Archie中的电阻率模型相似,即电阻率与土体孔隙率近似呈幂函数关系,其相关系数分别为0.86,0.83,0.85和0.83,说明孔隙率能够在较大程度上描述水泥水化反应和碳化作用对水泥固化土电阻率的影响。但是应该注意的是4种铅含量下试样的孔隙率基本均为0.35~0.41,铅含量对试样孔隙率的影响不明显,由此可见试样的平均孔隙率能够有效反映水泥水化和碳化作用对水泥固化土微观结构的影响,但不能有效描述铅含量对土体电阻率的影响。
  4.4固化土电阻率与饱和度的关系
  G.Keller和F.Frischknecht指出饱和度是影响土体电阻率的关键参数之一。对于每一种铅含量的水泥固化土,水泥水化和碳化作用均能够降低土体的饱和度,土体孔隙中液相的连通程度降低,试样电阻率随之增加。4种铅含量下试样的饱和度均为0.25~0.65,铅含量对试样饱和度的影响也不显著,因此碳化后整个试样的平均饱和度也不能全面反映铅含量对土体电阻率的影响。不同铅含量时试样的电阻率与饱和度均近似呈幂函数关系,但其相关性并不显著,说明饱和度是影响非饱和土电阻率的主要参数之一,它能够在一定程度上反映水泥水化反应和碳化作用对试样电阻率的影响,但不能单独作为水泥固化土电阻率的有效表征参数。
  5结论
  本文研究了碳化对水泥固化铅污染土电阻率的影响规律,并建立了固化重金属污染土的电阻率模型,得到以下主要结论:
  (1)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。
  (2)表征参数(N=nt(1+α)100wPb)能有效反映碳化时间、水泥掺入量、铅含量和孔隙率等因素对水泥固化铅污染土电阻率特性的影响。
  (3)Archie电阻率模型可扩展应用于水泥固化重金属污染土领域,即用有效表征参数N替代土体孔隙率n即可。
  (4)水泥固化土的电阻率与强度具有相关关系,电阻率法可以作为一种有效的水泥固化铅污染土性能评价方法。
  (5)水泥固化土的pH值随着铅含量增加而有所降低,碳化后固化土pH值从11~12降低到8~9。
 

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