水泥固化铅污染土的基本应力_应变特性研究_陈蕾
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本文通过室内试验，研究了重金属浓度、水泥 掺量和龄期对水泥固化处理后的重金属铅污染土的 应力-应变关系、破坏应变和变形模量的影响规律。
2 材料与试验方法
2.1 试验材料 试验采用的污染土在室内人工制备而成。其中
土由粒径小于 1 mm 的商业黄砂与粒径小于等于 45 μm 的商品纯高岭土混合而成，质量比为 85∶15。 高岭土含水率小于 1.5%，相对密度为 2.72，塑限和 液 限 分 别 为 32% 和 68% 。 通 过 标 准 击 实 试 验 （ASTM D698―07）得到混合土的最佳含水率为 10%，最大干密度为 1.96 g/cm3，如图 1 所示。本试 验取实际掺水量为 10%。
许多岩土工程学者对普通水泥土(不含污染物 质)的工程特性研究成果进行了总结[1]，有关有机质 含量[2－4]、生活垃圾[5]等对水泥固化效果的影响的研 究也有一些报道，而关于水泥固化重金属（Pb、Zn、 Ni、Cu、Cd 等）污染土的工程特性研究还不多， 尤其是与工程建设相关的强度及变形特性方面的研 究。因此，开展这方面的研究，对于研究固化处理 后的污染土的循环利用，具有重要的工程意义。
0.0
0.5 1.0 1.5 2.0
ε /% （a）5%水泥掺量
C5+Pb0 C5+Pb0.01 C5+Pb0.1 C5+Pb1 C5+Pb3
2.5 3.0
3.0
C7.5+Pb0
C7.5+Pb0.01
2.5
C7.5+Pb0.1 C7.5+Pb1
2.0
C7.5+Pb3
1.5 1.0 0.5 0.0
0.0
Abstract：This paper presents a study of the uniaxial unconfined compressive deformation properties of cement stabilized/solidified lead contaminated soils. The contaminated soils are prepared in the laboratory with different lead contents and cement contents. The control samples (cement treated soils without heavy metal) are also prepared for comparison purpose. The test results show that the presence of lead in soil interferes with the cement hydration process, which is directly reflected by the stress-strain curve, failure strain, and deformation modulus of cemented soil. For specimens with 0.01% and 0.1% lead concentration, the strain at failure decrease with the increase of strength and curing time, and are larger than that of control sample. Toughness Index is used to evaluate the toughness of cemented soils. The deformation modulus of cement treated lead contaminated soils changes with the variation of lead content, cement content and curing time. There is a linear relationship between the deformation modulus and unconfined compressive strength. key words: solidification/stabilization (S/S)；lead contaminated soil；heavy metal；deformation modulus；toughness index； unconfined compressive strength
1引言
近年来，随着我国城市建设的发展以及产业布 局的调整，很多大城市中心区、郊区的大型企业， 例如化工厂、炼油厂、钢铁厂等都逐步实施了退城 进园、关停并转措施。然而，由于这些企业设备陈 旧、工业“三废”排放技术不完善以及环保政策等原 因，大量有毒有害重金属、有机污染物渗入土壤和 地下水并逐年在地表以下积聚起来，致使企业原址
干密度/(g/cm2)
2.000
1.975
1.950
1.925
1.900
1.875
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6
8
10 12 14 16
含水率/%
图 1 K15S85 土击实曲线 Fig.1 The result of compaction test of K15S85 soil
试验采用的铅污染源为硝酸铅，因为它具有高 的溶解度（高的阳离子活动性），且硝酸根对水泥水 化反应干扰较小[6]。设计铅离子在干土中的含量为
收稿时间：2009-12-20 基金项目：国家自然科学基金（No. 50878052，No. 40972173）；教育部博士点基金（No. 20060286031）；同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 开放研究基金（No. KLE-TJGE-0801）。 第一作者简介：陈蕾，女，1981 年生，博士，主要从事环境岩土工程和地基处理方面的研究工作。E-mail: clove.chenlei@
（1）硝酸铅溶液的配制 根据土的设计掺水量，量取一定量的去离子 水，用磁力搅拌机将硝酸铅充分溶解于去离子水中， 得到硝酸铅溶液。铅离子浓度分别为 0 (Pb0)、0.01% (Pb0.01)、0.1% (Pb0.1)、1% (Pb1)和 3% (Pb3)。 （2）干料搅拌 将干砂、高岭土、水泥充分搅拌均匀。水泥掺 量依次为干土重的 5% (C5)、7.5% (C7.5)、10% (C10)。 （3）湿料搅拌 将步骤（1）的硝酸铅溶液加入步骤（2）的干 样中，搅拌至均匀（由于试验掺砂量较高，故搅拌 5～10 min 即可均匀）。 （4）制样 采用静压压实（试样的密度和含水率分别为 混合土的最优含水率和最大干密度）制成直径为 5 cm、高为 10 cm 的柱状试样，脱模、称重、放入 密封的塑料袋中，入标准养护室养护（温度为 22 ºC， 相对湿度大于 70%）。 （5）强度试验 将养护至设计龄期的试样进行无侧限抗压强 度试验，方法同常规水泥土试验方法。试验所用 仪器为常规的竖向加荷装置，控制轴向应变速度 为 1%/min（ASTM D2166―06）。
染土的变形模量与其无侧限抗压强度呈线性关系，线性拟合参数与铅离子浓度和水泥掺量有关。
关 键 词：固化稳定；铅污染土；重金属；变形模量；韧性指数；无侧限抗压强度
中图分类号：TU411
文献标识码：A
Experimental study of stress-strain properties of cement treated lead-contaminated soils
摘 要：采用水泥系固化剂，对铅污染土进行了固化处理，对固化后污染土的无侧限压缩变形特性进行了研究。试验所用的
铅污染土通过人工制备而成，并考虑了不同的铅离子浓度和水泥掺量。研究结果表明，随着污染土中铅含量的变化，水泥固
化铅污染土的应力-应变特性、破坏应变、变形模量值不同。铅浓度为 0.01%、0.1%试样的破坏应变大于不含铅试样，且随 着强度的增加、龄期的增长呈幂函数减小。韧性指数可用来定量描述铅离子浓度对固化土样韧性特征的影响程度。固化铅污
5 4 3
0.5 1.0 1.5 2.0 ε /%
（b）7.5%水泥掺量
2.5 3.0
C10+Pb0 C10+Pb0.01 C10+Pb0.1 C10+Pb1 C10+Pb3
σ /MPa
σ /MPa
2
1
Hale Waihona Puke 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
ε /%
（c）10%水泥掺量
图 2 水泥固化铅污染土的应力-应变曲线（28 d 龄期） Fig.2 Stress-strain curves of 28 days curing cement treated
100、1 000、10 000、30 000 mg/kg，即分别为 0.01%、 0.1%、1%、3%的干土重量。下文中分别用 Pb0.01、 Pb0.1、Pb1、Pb3 表示不同铅离子浓度的水泥固化 铅污染土，不含铅离子的普通水泥土用 Pb0 表示。 采用的水泥为普通硅酸盐 325 水泥，掺量为干土重 量的 5%、7.5%、10%，下文中用 C5、C7.5、C10 表 示。 2.2 试验方法
第3期
陈 蕾等：水泥固化铅污染土的基本应力-应变特性研究
717
含铅水泥固化土的应力-应变特性与铅离子浓 度有关，Pb0、Pb 0.01、Pb 0.1、Pb 1 固化土达到极 限强度后，很快出现脆性破坏，而 Pb3 固化土由于 水化反应受阻，强度较低，应力随应变增长缓慢。
σ /MPa
1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
3 试验结果
3.1 应力-应变曲线 3.1.1 不同铅离子浓度时的应力-应变曲线
图 2 是水泥固化含铅污染土 28 d 龄期时无侧限 抗压强度试验得到的应力-应变曲线。从图中可以看 出，应力-应变全过程可分为 3 个阶段：第 1 阶段为 加载初始阶段，此时应力-应变曲线近似为一条直 线；第 2 阶段应力-应变曲线进入非线性上升段，应 力逐渐增大并达到峰值；第 3 阶段为应力-应变曲线 的陡降段，即材料的破坏阶段。比较图 2 (a)、(b)、 (c)发现，水泥掺量越高，第 1 阶段与第 2 阶段之间 的拐点越明显。
CHEN Lei1，2, DU Yan-jun1, LIU Song-yu1, JIN Fei1
(1.Institute of Geotechnical Engineering, School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096,China; 2. School of Urban Rail Transportation, Soochow University, Suzhou 215000, China)
第 32 卷第 3 期 2011 年 3 月
文章编号：1000－7598 (2011) 03－715－07
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.32 No.3 Mar. 2011
水泥固化铅污染土的基本应力-应变特性研究
陈 蕾 1.2，杜延军 1，刘松玉 1，金 飞 1
（1.东南大学 交通学院 岩土工程研究所，南京 210096；2. 苏州大学城市轨道交通学院，江苏 苏州 215021）
成为重污染场地。这些工业污染场地绝大部分将成 为商用建筑和民用住宅再开发利用，其污染成分不 仅会影响住宅用户的身体健康，还会大大降低地下 构造物的稳定性和耐久性，带来工程质量和安全隐 患。固化/安定化法（solidification /stabilization，简 称 S/S 法）是一种快速而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。原位 S/S 处 理法是利用搅拌机械使水泥等固化剂与污染土就地 搅拌，通过固化剂与污染土之间的一系列化学反应，
716
岩土力学
2011 年
将污染物质固定在固化剂-土的体系中，减轻污染物 质向周边环境的迁移，同时能提高污染土地基土的 强度，满足地基承载力的设计要求。非原位处理是 利用机械将开挖后的污染土与水泥等固化剂进行搅 拌处理，然后将固化物堆填至有害废弃物填埋场或 者在满足相应环境标准和工程要求的前提下，作建 筑材料循环利用。
2 材料与试验方法
2.1 试验材料 试验采用的污染土在室内人工制备而成。其中
土由粒径小于 1 mm 的商业黄砂与粒径小于等于 45 μm 的商品纯高岭土混合而成，质量比为 85∶15。 高岭土含水率小于 1.5%，相对密度为 2.72，塑限和 液 限 分 别 为 32% 和 68% 。 通 过 标 准 击 实 试 验 （ASTM D698―07）得到混合土的最佳含水率为 10%，最大干密度为 1.96 g/cm3，如图 1 所示。本试 验取实际掺水量为 10%。
许多岩土工程学者对普通水泥土(不含污染物 质)的工程特性研究成果进行了总结[1]，有关有机质 含量[2－4]、生活垃圾[5]等对水泥固化效果的影响的研 究也有一些报道，而关于水泥固化重金属（Pb、Zn、 Ni、Cu、Cd 等）污染土的工程特性研究还不多， 尤其是与工程建设相关的强度及变形特性方面的研 究。因此，开展这方面的研究，对于研究固化处理 后的污染土的循环利用，具有重要的工程意义。
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ε /% （a）5%水泥掺量
C5+Pb0 C5+Pb0.01 C5+Pb0.1 C5+Pb1 C5+Pb3
2.5 3.0
3.0
C7.5+Pb0
C7.5+Pb0.01
2.5
C7.5+Pb0.1 C7.5+Pb1
2.0
C7.5+Pb3
1.5 1.0 0.5 0.0
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Abstract：This paper presents a study of the uniaxial unconfined compressive deformation properties of cement stabilized/solidified lead contaminated soils. The contaminated soils are prepared in the laboratory with different lead contents and cement contents. The control samples (cement treated soils without heavy metal) are also prepared for comparison purpose. The test results show that the presence of lead in soil interferes with the cement hydration process, which is directly reflected by the stress-strain curve, failure strain, and deformation modulus of cemented soil. For specimens with 0.01% and 0.1% lead concentration, the strain at failure decrease with the increase of strength and curing time, and are larger than that of control sample. Toughness Index is used to evaluate the toughness of cemented soils. The deformation modulus of cement treated lead contaminated soils changes with the variation of lead content, cement content and curing time. There is a linear relationship between the deformation modulus and unconfined compressive strength. key words: solidification/stabilization (S/S)；lead contaminated soil；heavy metal；deformation modulus；toughness index； unconfined compressive strength
1引言
近年来，随着我国城市建设的发展以及产业布 局的调整，很多大城市中心区、郊区的大型企业， 例如化工厂、炼油厂、钢铁厂等都逐步实施了退城 进园、关停并转措施。然而，由于这些企业设备陈 旧、工业“三废”排放技术不完善以及环保政策等原 因，大量有毒有害重金属、有机污染物渗入土壤和 地下水并逐年在地表以下积聚起来，致使企业原址
干密度/(g/cm2)
2.000
1.975
1.950
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1.900
1.875
1.850
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含水率/%
图 1 K15S85 土击实曲线 Fig.1 The result of compaction test of K15S85 soil
试验采用的铅污染源为硝酸铅，因为它具有高 的溶解度（高的阳离子活动性），且硝酸根对水泥水 化反应干扰较小[6]。设计铅离子在干土中的含量为
收稿时间：2009-12-20 基金项目：国家自然科学基金（No. 50878052，No. 40972173）；教育部博士点基金（No. 20060286031）；同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 开放研究基金（No. KLE-TJGE-0801）。 第一作者简介：陈蕾，女，1981 年生，博士，主要从事环境岩土工程和地基处理方面的研究工作。E-mail: clove.chenlei@
（1）硝酸铅溶液的配制 根据土的设计掺水量，量取一定量的去离子 水，用磁力搅拌机将硝酸铅充分溶解于去离子水中， 得到硝酸铅溶液。铅离子浓度分别为 0 (Pb0)、0.01% (Pb0.01)、0.1% (Pb0.1)、1% (Pb1)和 3% (Pb3)。 （2）干料搅拌 将干砂、高岭土、水泥充分搅拌均匀。水泥掺 量依次为干土重的 5% (C5)、7.5% (C7.5)、10% (C10)。 （3）湿料搅拌 将步骤（1）的硝酸铅溶液加入步骤（2）的干 样中，搅拌至均匀（由于试验掺砂量较高，故搅拌 5～10 min 即可均匀）。 （4）制样 采用静压压实（试样的密度和含水率分别为 混合土的最优含水率和最大干密度）制成直径为 5 cm、高为 10 cm 的柱状试样，脱模、称重、放入 密封的塑料袋中，入标准养护室养护（温度为 22 ºC， 相对湿度大于 70%）。 （5）强度试验 将养护至设计龄期的试样进行无侧限抗压强 度试验，方法同常规水泥土试验方法。试验所用 仪器为常规的竖向加荷装置，控制轴向应变速度 为 1%/min（ASTM D2166―06）。
染土的变形模量与其无侧限抗压强度呈线性关系，线性拟合参数与铅离子浓度和水泥掺量有关。
关 键 词：固化稳定；铅污染土；重金属；变形模量；韧性指数；无侧限抗压强度
中图分类号：TU411
文献标识码：A
Experimental study of stress-strain properties of cement treated lead-contaminated soils
摘 要：采用水泥系固化剂，对铅污染土进行了固化处理，对固化后污染土的无侧限压缩变形特性进行了研究。试验所用的
铅污染土通过人工制备而成，并考虑了不同的铅离子浓度和水泥掺量。研究结果表明，随着污染土中铅含量的变化，水泥固
化铅污染土的应力-应变特性、破坏应变、变形模量值不同。铅浓度为 0.01%、0.1%试样的破坏应变大于不含铅试样，且随 着强度的增加、龄期的增长呈幂函数减小。韧性指数可用来定量描述铅离子浓度对固化土样韧性特征的影响程度。固化铅污
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（b）7.5%水泥掺量
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C10+Pb0 C10+Pb0.01 C10+Pb0.1 C10+Pb1 C10+Pb3
σ /MPa
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Hale Waihona Puke 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
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（c）10%水泥掺量
图 2 水泥固化铅污染土的应力-应变曲线（28 d 龄期） Fig.2 Stress-strain curves of 28 days curing cement treated
100、1 000、10 000、30 000 mg/kg，即分别为 0.01%、 0.1%、1%、3%的干土重量。下文中分别用 Pb0.01、 Pb0.1、Pb1、Pb3 表示不同铅离子浓度的水泥固化 铅污染土，不含铅离子的普通水泥土用 Pb0 表示。 采用的水泥为普通硅酸盐 325 水泥，掺量为干土重 量的 5%、7.5%、10%，下文中用 C5、C7.5、C10 表 示。 2.2 试验方法
第3期
陈 蕾等：水泥固化铅污染土的基本应力-应变特性研究
717
含铅水泥固化土的应力-应变特性与铅离子浓 度有关，Pb0、Pb 0.01、Pb 0.1、Pb 1 固化土达到极 限强度后，很快出现脆性破坏，而 Pb3 固化土由于 水化反应受阻，强度较低，应力随应变增长缓慢。
σ /MPa
1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
3 试验结果
3.1 应力-应变曲线 3.1.1 不同铅离子浓度时的应力-应变曲线
图 2 是水泥固化含铅污染土 28 d 龄期时无侧限 抗压强度试验得到的应力-应变曲线。从图中可以看 出，应力-应变全过程可分为 3 个阶段：第 1 阶段为 加载初始阶段，此时应力-应变曲线近似为一条直 线；第 2 阶段应力-应变曲线进入非线性上升段，应 力逐渐增大并达到峰值；第 3 阶段为应力-应变曲线 的陡降段，即材料的破坏阶段。比较图 2 (a)、(b)、 (c)发现，水泥掺量越高，第 1 阶段与第 2 阶段之间 的拐点越明显。
CHEN Lei1，2, DU Yan-jun1, LIU Song-yu1, JIN Fei1
(1.Institute of Geotechnical Engineering, School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096,China; 2. School of Urban Rail Transportation, Soochow University, Suzhou 215000, China)
第 32 卷第 3 期 2011 年 3 月
文章编号：1000－7598 (2011) 03－715－07
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.32 No.3 Mar. 2011
水泥固化铅污染土的基本应力-应变特性研究
陈 蕾 1.2，杜延军 1，刘松玉 1，金 飞 1
（1.东南大学 交通学院 岩土工程研究所，南京 210096；2. 苏州大学城市轨道交通学院，江苏 苏州 215021）
成为重污染场地。这些工业污染场地绝大部分将成 为商用建筑和民用住宅再开发利用，其污染成分不 仅会影响住宅用户的身体健康，还会大大降低地下 构造物的稳定性和耐久性，带来工程质量和安全隐 患。固化/安定化法（solidification /stabilization，简 称 S/S 法）是一种快速而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。原位 S/S 处 理法是利用搅拌机械使水泥等固化剂与污染土就地 搅拌，通过固化剂与污染土之间的一系列化学反应，
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岩土力学
2011 年
将污染物质固定在固化剂-土的体系中，减轻污染物 质向周边环境的迁移，同时能提高污染土地基土的 强度，满足地基承载力的设计要求。非原位处理是 利用机械将开挖后的污染土与水泥等固化剂进行搅 拌处理，然后将固化物堆填至有害废弃物填埋场或 者在满足相应环境标准和工程要求的前提下，作建 筑材料循环利用。