水泥和碱渣固化含铅重金属污染土特性试验研究

陈文亮，高海峰，瞿晨瑶

(1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院)，浙江 杭州 310020；4.台州市水利工程质量与安全事务中心，浙江 台州 318000)

固化/稳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[1-2]。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了一系列水泥及其他添加剂固化重金属污染土技术研究，取得了丰富的研究成果[3-11]，推动了固化/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遭淘汰，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[12]。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于碱渣的工程力学性质[13]及其作为填埋场防渗垫层[14]、地基填垫材料[15-17]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[18]研究了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66h以上；方迪等[19]以碱渣为添加剂研究了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。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验土样物理化学指标见表1。试验前先将土样放入烘箱中，在105℃下烘干，过1mm多孔筛。

表1 土体物理化学指标

试验固化剂采用水泥和碱渣，掺量为干土质量(Sb/Sd)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)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[20]，其在干土中的含量(WP)分别为800，2000，5000，25000，50000mg/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[21]。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(25min)，装入成型筒内，静压3min后脱模制成直径5cm，高度10cm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、3、7、14、28、56、90d。试验方法参照ASTM D2166-06，轴向应变速率1%/min。

1.2.3毒性浸出试验

毒性浸出试验采用TCLP[22]和SPLP[23]，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28d的试样风干，粉碎研磨，过1mm多孔筛；试验时，液固比20∶1，浸提时间18h；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。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降低，且随着WP的增加，其降低程度也越大，这与Tashiro等[24]研究结果一致，其主要原因在于Pb等重金属氧化物与水泥浆发生反应，影响了水泥的水化初期的硬化和强度的发展。

图1 不同Sb/Sd下水泥固化土无侧限抗压强度变化曲线

固化剂为水泥和碱渣时，Sb/Sd=20%、WP=50000mg/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，但降低固化土的长期强度，固化土14d强度提高了10%～25%，90d强度降低了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，提高水泥固化土的早期强度，但同时，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发展。

图2 不同Ss/Sb下水泥固化土无侧限抗压强度变化曲线

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28d的固化土粉末TCLP和SPLP浸出液中浓度图如图3所示。试验结果表明，不同浸提方法浸出液中浓度随Sb/Sd的增大逐渐减小；随着WP的增加，浸出液中浓度也逐渐变大，且当WP=50000mg/kg时，浸出液中浓度均大于5mg/l，超出我国《危险废物填埋污染控制标准》允许值。

图3 不同Sb/Sd下水泥固化土粉末浸出液浓度

对比3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，浸提剂为去离子水浸出液中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=50000mg/kg、不同Ss/Sb条件下，养护龄期为28d的固化土粉末TCLP和SPLP浸出液中浓度如图4所示。与单一掺入水泥固化剂相比，3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，且浸出液中浓度均未超过5mg/l。

图4 不同Ss/Sb下水泥固化土粉末浸出液浓度

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

分析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，被置换，从而被固定。

3 结语

以碱渣为添加剂，研究了水泥固化含铅重金属污染土的强度及毒性浸出特性，分析了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)碱渣的掺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。