USST_Arts_117101342水泥固化镍污染土的力学性能研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 4.62MB 70 页 15积分

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摘要

重金属污染与其他污染因素相比，污染范围广、持续时间长，不易在生物循

环和能量交换中分解，因此，重金属污染土的固化处置方法是环境岩土工程界的

重点、难点和热点研究课题之一。

本文针对上海地区主要重金属污染元素之一—镍离子，采用水泥系材料进行

固化/稳定，通过室内试验和理论分析，研究了水泥固化镍污染土的应力-应变关系、

强度特性、压缩特性以及微观结构特征。

本文主要研究成果为：

1.通过无侧限抗压强度试验，分析了镍离子浓度、水泥掺入量、龄期对水泥固

化镍污染土的应力-应变关系、强度、破坏应变与变形模量的影响。当镍离子浓度

1%时土样呈现脆性破坏特征，镍离子浓度>1%时土样呈现塑性破坏特征，镍离子

浓度大于 0.1%时水泥固化镍污染土的强度明显降低。

2.研究了水泥固化镍污染土的综合含水量对强度特性的影响。得到了最佳综合

含水量的变化规律，随着龄期的增长和镍离子浓度的降低，最佳综合含水量增大。

3.通过一维压缩试验，定量分析了镍离子浓度、水泥掺入量对水泥固化镍污染

土的屈服固结应力

、压缩指数 Cc和压缩模量 Es1-2 的影响规律；基于孔隙指数 IV

和孔隙指数差△

探讨了镍离子浓度和水泥掺入量对水泥固化镍污染土的压缩特

性及结构性的影响。

4.通过对不同配比、不同龄期试样的强度进行统计拟合分析，得到了由某一龄

期强度预测另一龄期强度的经验公式和由某一水泥掺入量强度预测另一水泥掺入

量强度的经验公式。

5.采用微观扫描电镜技术，对水泥固化镍污染土的微观结构进行了分析。重金

属离子含量越低，水泥掺入量越高，龄期越长，固化土的孔隙越少越小，细小颗

粒越少，结构性越好，强度越高。

关键词：固化重金属镍无侧限抗压强度预测水泥

ABSTRACT

Comparing with other pollution factors, heavy metal pollution is not only in a large

range and a long duration, but also difficult to be decomposed in the biological cycle

and energy exchange. Therefore, the question of how to deal with heavy metal

contaminated soils has caused extensive concern of relevant experts in environmental

geotechnical engineering circles.

This paper is focused on nickel, one of the main heavy metal pollutants in

Shanghai, using cement materials for consolidation/stabilization, studied the

stress-strain relationship, strength characteristics, deformation and microstructure of

cement solidified nickel contaminated soils through the indoor experiment and

theoretical analysis.

Specific contents are as follows:

1. By unconfined compressive strength test, this paper studied the influence of the

nickel content, cement content and curing time to the stress-strain relationship, strength,

deformation of cement solidified nickel contaminated soils.

2. The influence of comprehensive water content to strength characteristics of cement

solidified nickel contaminated soils was studied in this paper. The changing rule of best

comprehensive water content is also achieved. As the increase of age and the decrease

of nickel iron content, the best comprehensive water content of the cement solidified

nickel contaminated soils will be enhanced.

3. Through one dimensional compression test, quantitatively analyze the influence law

of nickel ion content, cement content to the yield consolidation stress (Py') ,the

compression index (Cc) and the compression modulus (Es1-2) of cement solidified nickel

contaminated soils; Based on the porosity index IV and porosity index difference △IV,

discussed the influence of nickel ion concentration and cement content to the

compression and structural characteristics of cement solidified nickel contaminated

soils.

4. Via the strength fitting analysis of samples of different ratios, different ages, age

strength forecast experience formula and cement mortar strength prediction formula are

obtained based on a certain.

5. Using scanning electron microscope technology, microstructure of cement solidified

nickel contaminated soils is analyzed in this paper. The lower nickel ion content, higher

cement content and the longer age make smaller less pore, less tiny particles, better

constitutive property and the higher strength.

Key word： solidification， heavy metal， nickel， unconfined

compressive strength， prediction， cement

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

1.1 研究背景及意义 ............................................................................................... 1

1.2 国内外的研究现状 ........................................................................................... 2

1.2.1 水泥固化重金属污染土的强度特性 ........................................................ 2

1.2.2 水泥固化重金属污染土压缩特性 ............................................................ 4

1.2.3 水泥固化重金属污染土微观结构研究 .................................................... 5

1.3 存在问题 ........................................................................................................... 6

1.4 论文的主要内容 ............................................................................................... 7

第二章水泥固化镍污染土的力学特性试验研究 .................................................... 8

2.1 概述 ................................................................................................................... 8

2.2 试验概况 ........................................................................................................... 8

2.2.1 试验材料 .................................................................................................... 8

2.2.2 试验方案和试验方法 ................................................................................ 8

2.3 水泥固化镍污染土应力—应变关系 .............................................................. 11

2.4 水泥固化镍污染土无侧限抗压强度 ............................................................. 21

2.4.1 镍离子含量对强度的影响 ...................................................................... 21

2.4.2 龄期对强度的影响 .................................................................................. 23

2.4.3 水泥掺入量对强度的影响 ...................................................................... 24

2.4.4 综合含水量对强度的影响 ...................................................................... 25

2.5 水泥固化镍污染土破坏应变 ......................................................................... 29

2.5.1 破坏应变 εf与离子浓度的关系 .............................................................. 29

2.5.2 破坏应变 εf与强度的关系 ...................................................................... 30

2.6 水泥固化镍污染土的变形模量 E50 ............................................................... 31

2.7 本章小结 ......................................................................................................... 33

第三章水泥固化镍污染土的压缩特性 .................................................................. 34

3.1 概述 ................................................................................................................. 34

3.2 试验概况 ......................................................................................................... 34

3.2.1 试验材料 .................................................................................................. 34

3.2.2 试验方案和试验方法 .............................................................................. 34

3.3 镍离子含量对压缩特性的影响 ..................................................................... 36

3.4 水泥掺入量对压缩特性的影响 ..................................................................... 40

3.5 龄期对压缩特性的影响 ................................................................................. 41

3.6 采用孔隙指数 IV归一化 ................................................................................ 43

3.7 基于孔隙指数差△

V的压缩特性分析 .......................................................... 45

3.8 本章小结 ......................................................................................................... 46

第四章水泥固化镍污染土强度的预测 .................................................................. 47

4.1 概述 ................................................................................................................. 47

4.2 与龄期相关的强度预测方法 ......................................................................... 47

4.3 与水泥掺入量、离子浓度相关的强度预测方法 ......................................... 50

4.6 本章小结 ......................................................................................................... 52

第五章水泥固化镍污染土的微观结构研究 .......................................................... 53

5.1 概述 ................................................................................................................. 53

5.2 试验概况 ......................................................................................................... 53

5.2.1 试验材料 .................................................................................................. 53

5.2.2 试验方案和试验方法 .............................................................................. 53

5.3 试验结果分析 ................................................................................................. 54

5.3.1 镍离子含量对微观结构的影响 .............................................................. 54

5.3.2 水泥掺入量对微观结构的影响 .............................................................. 55

5.3.3 龄期对微观结构的影响 .......................................................................... 56

5.4 本章小结 ......................................................................................................... 58

第六章结论与展望 .................................................................................................. 59

6.1 结论 ................................................................................................................. 59

6.2 展望 ................................................................................................................. 60

参考文献 .................................................................................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 66

致谢 .......................................................................................................................... 67

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

随着都市化的迅速发展，郊区乡镇工业蓬勃兴起，加速了工业“三废”、城市

生活垃圾和汽车尾气等的排放，给城市土壤带来了严重的环境污染问题。有毒有

害物质侵入地表以下后，不仅会污染地下水或形成有害气体，影响人们的身体健

康，还会大大降低工程结构、地下构造物、地下设施等的稳定性和耐久性，带来

工程质量和安全隐患[1]。

近年来，对于钢铁厂、化工厂、造纸厂等的重金属污染事件的报道屡见不鲜，

如天光化工厂的镉中毒事件、陕西凤翔千名儿童血铅超标事件、山东省南涑河砷

化物超标事件等。目前重金属污染元素主要以 Cd、Zn、Pb、Ni 等为主[2]，与其他

污染因素比，重金属污染源不仅污染范围广、持续时间长，而且不易在生物循环

和能量交换中分解，因此，如何处理重金属污染土壤受到广泛关注。

伴随着我国的城市扩张和产业布局调整，很多位于城市中心区的企业都逐步

实施了退城进远郊、关停并转的工作。由于这些企业工业“三废”排放技术的不

完善，严重影响了周边生态环境。2010 年，由中华人民共和国环境保护部、中华

人民共和国国家统计局和中华人民共和国农业部三部门联合发布的《第一次全国

污染源普查公报》指出：目前全国工业废水中重金属（包括铬、砷、汞、铅等）

污染物进入环境水体的年排放量为 900 t，对排放区及其周边生态环境造成了极大

危害。对于污染源普查结果中提出的农业污染源问题，中国环保部门将继续加强

土壤污染的防治工作和农业生产的环境监管，推进农村环境的综合整治；而对于

城市中的工业污染场地，绝大部分将被重新开发为民用住宅和商用建筑。因此，

必须采取相应的措施修复污染场地，使其符合再次开发利用的要求。

20 世纪 70 年代以来，欧美国家对污染土的处置方法进行了一系列的研究，污

染土地基处理技术得到了发展。与其他修复技术（例如化学处理、生物修复）相

比，水泥固化/稳定技术由于具有成本相对较低、施工方便、处理后的地基土强度

高以及对生物降解有良好阻碍的优点[3-7]，被广泛地应用于污染场地及固体废弃物

填埋处理中。

水泥固化/稳定技术是一种快速且经济的污染土地基处理方法，包括原位处理

和非原位处理技术。用于固化/稳定技术的固化剂包括了水泥、矿渣、粉煤灰、生

上海理工大学硕士学位论文

石灰和改性黏土（如有机黏土）和某些废料[8]。在固化/稳定过程中，对污染物的

固定包含了以下 3种机制[9]：

(1) 化学固定：即通过固化剂的水化产物(如水合物 CSH 等)与污染物的相互

作用，对污染物进行固定。

(2) 物理吸附：即通过各类水合物的表面对污染物进行吸附。

(3) 物理包裹：即对污染物进行包裹。

近年来，对于重金属污染对水泥固化效果的影响的研究越来越引起国内外专

家的重视。

不同种类的重金属离子污染对水泥土的性质影响不同。目前研究较多的重金

属污染土有 Zn、Pb 等元素污染的水泥土，而对于同样为主要重金属污染物的镍元

素的研究较少，尚需进一步研究重金属类型及含量对固化/稳定技术处理的重金属

污染土的影响规律。

本文将在总结国内外已有成果的基础上，围绕水泥固化镍离子污染场地长期

稳定性这一核心，以室内试验为基础，通过对比试验和理论分析，研究水泥固化

镍离子污染土无侧限抗压强度、变形的变化规律及微观特征。通过研究规律，一

方面可以为水泥固化/稳定法治理污染土的设计、评价提供可靠的试验和理论依据，

对于完善水泥固化重金属污染土理论有重大意义；另一方面，可以帮助我们在不

增加工程造价的基础上改进施工工艺，提高水泥土加固效果，具有重要的工程意

义。

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 水泥固化重金属污染土的强度特性

影响固化/稳定技术处理重金属污染土的无侧限抗压强度的因素有很多，其中

主要包括胶结物的成分、重金属的类型和养护条件（如时间，养护温度）等。

国外关于固化/稳定技术处理后重金属污染土和含重金属废弃物的无侧限抗压

强度特性的研究已取得很多研究成果。

BOARDMAN D J. 等[10]通过研究两种含铅污染黏性土(膨润土和天然黏土)发

现：随着生石灰含量的增加，固化含铅污染土的无侧限抗压强度增长；短期内，

经生石灰处理的含铅污染土的无侧限抗压强度比生石灰处理的未污染土高，且这

种现象对于膨润土更明显；长期内，经低掺量生石灰(1.5%)处理的含铅污染土的无

侧限抗压强度比生石灰处理的未污染土高，但高掺量生石灰(2.5% 、7.5%)时，二

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摘要：

摘要重金属污染与其他污染因素相比，污染范围广、持续时间长，不易在生物循环和能量交换中分解，因此，重金属污染土的固化处置方法是环境岩土工程界的重点、难点和热点研究课题之一。本文针对上海地区主要重金属污染元素之一—镍离子，采用水泥系材料进行固化/稳定，通过室内试验和理论分析，研究了水泥固化镍污染土的应力-应变关系、强度特性、压缩特性以及微观结构特征。本文主要研究成果为：1.通过无侧限抗压强度试验，分析了镍离子浓度、水泥掺入量、龄期对水泥固化镍污染土的应力-应变关系、强度、破坏应变与变形模量的影响。当镍离子浓度1%时土样呈现脆性破坏特征，镍离子浓度>1%时土样呈现塑性破坏特征，镍离子浓度大于0.1...

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