第40卷第3期2010年5月
东南大学学报
(自然科学版)
JOURNAL O F SOU THEAST UN I V ERS ITY (N atural Science Edition )
V ol .40N o .3M ay 2010
doi:10.3969/j .issn .1001-0505.2010.03.033
水泥固化含铅污染土无侧限抗压强度预测方法
陈 蕾 刘松玉 杜延军 金 飞
(东南大学交通学院，南京210096)
摘要：针对污染土的水泥固化稳定法修复技术，对水泥固化稳定重金属铅污染土的强度预测方
法进行了研究.水泥固化含铅污染土强度由室内无侧限抗压强度试验所得，试验所用污染土通过人工制备而成，考虑了110×102
,110×103
,110×104
,310×104
m g /kg 四种质量比和5%,715%,10%三种水泥掺量.结果表明：不同龄期水泥固化含铅污染土的无侧限抗压强度间大致呈线性关系，而2个不同水泥掺入比水泥固化含铅污染土的无侧限抗压强度比值与水泥掺入比呈幂函数关系；通过对不同配合比、不同龄期试样强度的进一步拟合分析，得到了根据某一龄期强度预测另一龄期强度的经验公式和根据某一水泥掺量的强度预测另一水泥掺量强度的经验公式，以上公式同时适用于普通水泥固化土和含铅水泥固化污染土.关键词：水泥；污染土；重金属；铅；无侧限抗压强度；龄期；预测中图分类号:TU 41116 文献标志码:A 文章编号:1001-0505(2010)0320609205
Unconfi n ed co mpressi ve strength predi cti on of ce ment
soli di fi ed /st abili zed lead 2cont am i n ated soils
C hen L ei L iu Songyu
D u Yan jun J in Fe i
(School of Transportation,Southeast U niversity,N anjing 210096,China )
Abstract:U sing cem ent as a binder to m ix w ith contam inated soils is one of the w idely used technolo 2
gies for soil rem ediation .The experience for m ulas for the unconfined com p ressive strength p rediction of cem ent stabilized /solidified heavy m etal contam inated soils are studied .The strength data used for analysis are from unconfined com p ressive tests conducted in the laboratory .The heavy m etal contam i 2nated soils are p repared artificially by adding lead nitrate as a source of pollutant at four different lead
contents of 110×102,110×103,110×104and 310×104
m g /kg (dry soil w eight basis )and three dif 2ferent cem ent contents 5%,715%and 10%.The results of the unconfined comp ressive strength tests show that there is a linear relationshi p bet w een the strength of cem ent treated lead contam inated soils at different curings,and a pow er function relationship bet w een the cem ent content ratios and the ration of strength corresponding to the cem ent content .The experience for m ulas are further concluded w hich can p redict the strengths at different curing ti m es or w ith different cem ent content .These for m ulas are both app rop riate for
nor m al cem ented soils and cem ent treated lead contam inated soils .
祝福妈妈的句子简短Key words:cem ent ;contam inated soil ;heavy m etal ;
lead;unconfined com p ressive strength;
curing ti m e;p rediction
收稿日期:2010201222. 作者简介：陈蕾(1981—)，女，博士生；刘松玉(联系人)，男，博士，教授，博士生导师,L iusy @seu .edu .基金项目：教育部博士点基金资助项目(20060286031)、国家自然科学基金资助项目(50878052,40972173)、教育部重点实验室开放课题基
金资助项目(KL E 2TJG E 20801).
引文格式：陈蕾，刘松玉，杜延军，等.水泥固化含铅污染土无侧限抗压强度预测方法[J ].东南大学学报：自然科学版,2010,40(3):6092613.
[doi:10.3969/j .issn .1001-0505.2010.03.033]
采用水泥搅拌技术处理污染土是国外常用的污染场地修复方法.目前对于该技术主要侧重于对处理后污染物质淋滤特性(固化体内污染物质向周围环境的迁移)的研究，而针对强度特性的研究
较少.原因是水泥固化后的污染土多数与水泥固化
废弃物一样，最终进入废弃物填埋场堆填处置，其强度只需满足堆填要求即可，如美国为0.35M Pa,
英国为0.7M Pa [122]
.事实上，开挖出来的近地表污染土含水量较低，经水泥固化处理后具有一定的强
度，在满足环境淋滤要求的前提下，可回填作为浅层地基或道路基层填料，实现污染土的重新利用.
目前国内外对常规水泥土的强度特性已有系
手抄报《节约粮食》统研究，提出了水泥土的一些强度预测方法[3]
.针对含重金属水泥土强度预测方法的研究还未见报道.已有研究表明，重金属会影响水泥的水化进程[4]
，使水泥固化污染土的强度特性有别于常规水泥土.因此，用常规水泥土的强度预测方法对水泥固化污染土进行强度预测显然是不合适的.本文对水泥固化重金属铅污染土的无侧限抗压强度预测方法进行了研究.
1 材料与试验方法
本试验污染土通过室内人工制备.土粒由商业
黄砂和商品纯高岭土按85∶15的质量比混合而成.烘干后的商业黄砂过1mm 筛.高岭土为325目细度(小于2μm 的黏粒含量占20%,2～75μm 的粉粒含量占80%，徐州夹河高岭土厂)，液、塑限分别为68%,32%.该混合土击实试验(AST M D 698—07)得到的最佳含水量为10%，对应的最大干密度
为1196g /cm 3
.本试验中取实际含水量10%.
本试验铅污染源采用的硝酸铅是一种高溶解度(高阳离子活动性)盐，且硝酸根对水泥水化反
应干扰较小[5].设计Pb 2+
在干土中的质量比为110
×102,110×103,110×104,310×104m g /kg，即0101%,011%,1%,3%的干土质量.分别用
Pb 0101,Pb 011,Pb 1,Pb 3来表示各种Pb 2+
质量分
数的水泥固化含铅污染土，不含Pb 2+
的水泥土用Pb 0表示.试验采用水泥为普通硅酸盐325水泥，掺量取干土重量的5%,715%,10%，用C 5,C 715,
C 10表示.
制样时，量取设计含水量规定的去离子水，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.将黄砂、高岭土和水泥在掺水前充分搅拌均匀，然后加入制备好的硝酸铅溶液，混合、搅拌.
由于试验掺砂量较高,5～10m in 内即可搅拌均匀.通过静压压实(试样密度和含水量分别为混合土的最优含水量和最大干密度控制)制成<5cm ×10cm 的柱状试样，脱模，称重，放入密封塑料袋中，入标准养护室养护(温度22℃).
无侧限抗压强度试验与常规水泥土试验方法相同.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%/m in (A ST M D 2166—06).
2 试验结果及讨论
211 龄期对强度的影响
在其他条件相同时，不同龄期的水泥土无侧限
抗压强度间关系大致呈线性关系[3]
.本文对不同Pb 2+
质量分数(w Pb )、不同水泥掺量水泥固化铅污染土强度建立如下龄期相关的预测公式:
q u,t =A T q u,T
(1)式中,q u,T ,q u,t 分别为已知龄期T 时和待预测的龄期t 时的无侧限抗压强度;A T 为预测系数.
将本文试验不同龄期的强度值作为已知强度q u,T ，分析该龄期强度与其他龄期强度之间的关系.同一龄期的数据点不考虑w Pb 和水泥掺量的影响，即每一组数据包括了同一龄期下Pb 0和Pb 0101,Pb 011,Pb 1,Pb 3土分别用C 5,C 715,C 10水泥处理后的强度.图1显示28d 强度(T =28),90d 强度(T =90)与其他龄期强度之间呈近似线性关系，对应的斜率即为预测系数A T .对T =7,14,56d 龄期的强度进行类似分析.所有拟合结果见表1(R T 为对应的拟合相关系数).
图1 水泥固化铅污染土q u,t 与q u,T 关系
16东南大学学报(自然科学版) 第40卷
表1中，某一龄期T 的强度q u,T 与预测龄期t 时强度q u,t 之间的预测系数A T 与龄期t 相关.对某
一T 龄期不同t 龄期对应的A T 进行分析，得到图2.
表1 拟合得到的预测系数A T
龄期t/d
T =7d T =14d
T =28d
T =56d
T =90d
A 7
R 7
A 14
R 14
A 28
R 28
A 56
R 56
A 90
R 90
10
121001799011540181301100017650107601712010650168471.0001.00001725019770147701966013640194401309019221411362019771.0001.00001657019880150201972014280196328210630196611513019881.0001.00001763019770164801957562167301944119660197211300019771.0001.0000
185********
31114
01922
21298
01963
11509
01957
11166
01978
1.000
1.000
祝福爸爸的简单句子图2 预测系数A T 与龄期t 的关系
图2中A T 随龄期t 的增大而增大，随龄期T 的增大而减小.不同T 对应的A T 随t 的变化规律为
A T =a t
b
(2)
式中,a,b 为拟合参数(见表2),R 2
为对应的拟合
相关系数.
表2 不同T 对应的拟合参数a,b
龄期/d
a
b
R 2
70141501456019714013010146001972801199014590197560115001464019790
01126
01468
0197
参数b 随龄期T 变化不大，不同T 时都有
b ≈0146
(3)而参数a 与T 有关，如图3所示.
图3
拟合系数a 与T 的关系
参数a 与T 的关系为
a =1108T
-0149
,R
2
=01996(4)将式(3)、
(4)代入式(2)，可得预测系数A T =1108T
-0149t
0146
(5)
将式(5)代入式(1)，即得到根据某一已知龄
冷冻库期T 时的强度q u,T 来预测任一龄期t 时强度q u,t 的经验公式，即
q u,t =1108q u,T T -0149t
0146
(6a )将T =7,14,28,56,90d 对应的不同w Pb 、不同
掺量水泥固化污染土的无侧限抗压强度作为已知强度，通过式(6a )预测其他龄期的强度值(见图4).其中,q u,R 为实测强度,q u,P 为预测强度.根据经验公式(6a )预测得到的强度与实测强度较接近.
即本文试验中，对于同一w Pb (或不含Pb 2+
)、同一水泥掺量的水泥固化土而言，可通过公式(6a )由某一龄期的强度值来预测该类水泥固化土其他任一龄期的强度值.
图4 实测强度与式(6a )预测强度比较
实际工程中通常根据7d 和28d 强度预测其他龄期强度，即
q u,t =01416q u,7t
0146
(6b )q u,t =01211q u,28t
0146
(6c )
212 水泥掺量对强度的影响
已有研究表明，在其他条件相同的前提下,2
个不同水泥掺入比水泥土的无侧限抗压强度比值
与水泥掺入比呈幂函数关系[3]
.本文对7,14,28,
1
16第3期陈蕾，等：水泥固化含铅污染土无侧限抗压强度预测方法
56,90d 龄期水泥固化铅污染土按照不同w Pb 、不
同水泥掺量进行类似分析(见图5).图5中,a w /a 5
为某一水泥掺量(5%,715%,10%)与5%水泥掺量的比值,q u,a w /q u,a 5是对应的强度比,
该强度
图5 水泥掺入比与无侧限抗压强度比的关系
比包括不同w Pb 水泥固化土分别在7,14,28,56,90
d 龄期的值.
研究表明，不同w Pb 水泥固化土的a w /a 5与q u,a w /q u,a 5关系可以用幂函数来拟合，即
q u,a w q u,a k
=c
a w a k
d
(7)
式中,a w /a k 为所研究的水泥掺量a w 与某一特定水泥掺量a k 的比值;q u,a w /q u,a k 为对应的强度
比.c,d 为拟合参数.图5为a k =5%(k =5)、a w 取5%,715%,10%(w =5,715,10)时对应的强度比规律.当k =715,10，即715%,10%水泥掺量与其他水泥掺量的强度比值也呈类似规律.所有拟合结果如表3所示.
表3 不同w Pb 下水泥掺量比与强度比关系的拟合参数
参数
a k =5%(k =5)a k =715%(k =715)
a k =10%(k =10)
c
d
R 2
c
d
R 2
c
d
R 2
Pb 0019201141301831107311383019401982113630194Pb 0101019751147801991101911477019901995114730199Pb 011019501163401971103711632019801992116250199Pb 1111881185701680192811795019411017117630195Pb 3
01727
21963
0191
11103
31091
0179
01962
21716
0182
表3中对于不同的k 和w Pb ，拟合参数c 为
c ≈1
(8)而拟合参数d 与w Pb 有关.这也说明了w Pb 的确对水泥固化土的强度有影响.参数d 是可用来反映w Pb 对水泥固化土强度影响的一个指标.对k =5,715,10时w Pb 与d 的关系进行分析得到图6.不
同k 值(不同水泥掺量)下w Pb 与参数d 存在指数关系，即
d =1169ln (w
Pb +2134), R 2
=01932(9)
图6 w Pb 与d 的关系
将式(8)、
(9)代入式(7)，得到某一w Pb 下根据已知水泥掺量a k 对应的强度q u,a k 来预测水泥掺量a w 时强度q u,a w 的经验公式
q u,a w =q u,a k
a w a k
1169ln (w Pb +2134)
(10)
式(10)适用于对90d 龄期内任一相同龄期时
固化污染土试样的强度预测.
将k =5,715,10时,
不同w Pb 、不同龄期水泥固化污染土无侧限抗压强度作为已知强度，通过式(10)预测其他水泥掺量下对应的强度值，结果如图7所示.
图7 实测强度与式(10)预测强度比较(w Pb :0～3%)
图7中，根据经验公式(10)预测的强度值q u,P
与实测强度q u,R 总体上接近；但k =5时对应的数
据误差较大，预测强度仅为实测强度的63%左右.
该误差主要是由参数d 引起的.图6中，当w Pb 增长至3%时,d 值的增幅突然加大，使参数d 与w Pb 拟合相关性变差.这可能是由于w Pb =3%已经严重延迟或阻碍了固化土中水泥的水化反应，其强度增长的规律性与低w Pb 的试样有所不同.为此本文剔除w Pb =3%的数据，对w Pb ≤1%(我国土壤环境
2
16东南大学学报(自然科学版) 第40卷
质量标准上限的25倍
[6]
)情况下,w Pb 与d 的关系
重新进行分析，如图8所示
.护士资格证报名条件
图8 w Pb 与d 的关系(w Pb ≤1%)
根据图8对w Pb 与d 重新拟合，得到
d =118+01078ln (w Pb +010045),R
2
=01981
(11)
式(11)的拟合相关系数大于式(9)，将其代入式(7)得到
q u,a w =q u,a k
a w a k
118+01078ln (w Pb +010045)
(12a )
将k =5,715,10时，不同w Pb (w Pb ≤1%)、不同龄期水泥固化污染土的无侧限抗压强度作为已知强度，通过式(12a )预测其他水泥掺量下对应的强度值，结果如图9所示.
比较图7与图9可以看出，水泥固化土w Pb <1%时，根据式
(12a )预测得到的强度值与实测强度更为接近.
图9 实测强度与式(12a )预测强度比较(w Pb =0～1%)
对于实际工程来说,Pb 2+
污染程度大于1%质
量分数的工况较罕见，而通过低水泥掺量时的强度
预测高水泥掺量下的材料强度更符合工程实际，因此取k =5时的式(12b )更具有工程意义，即
q u,a w =q u,a 5
a w
5
118+01078ln (w Pb +010045)
(12b )
3 结论
1)可通过q u,t =1108q u,T T
-0149t 0146
，由某一龄
期的强度值预测同类水泥固化土任一龄期的强度值；该公式适用于对本试验中任一Pb 2+
质量分数(Pb 0,Pb 0101,Pb 011,Pb 1,Pb 3)，任一水泥掺量(C 5,C 715,C 10)的水泥固化土强度的预测.
2)当w Pb 在0～1%时，可通过q u,a w =
q u,a 5(a w /a k )
118+01078ln (w Pb +010045)
，由某一已知水泥掺
量对应的强度值来预测另一水泥掺量时的强度值；当w Pb >1%时，则可利用q u,a w =
q u,a k (a w /a k )
1169ln (w Pb +2134)
赵德汉原型来预测.以上公式适用于
某一已知w Pb 下90d 龄期内对任一龄期强度的预测.
参考文献(References)
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[6]中华人民共和国国家环境保护局，国家技术监督局.
GB 15618—1995土壤环境质量标准[S ].北京：中国
标准出版社,1995.
3
16第3期
陈蕾，等：水泥固化含铅污染土无侧限抗压强度预测方法
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