刘 霖，张永鹏，陈 晨

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特 010051)

中国煤炭资源丰富，煤化工产业众多，伴随着许多污染问题，如煤化工废水处理不当，废水中有机污染物难被降解，如酚类、多环芳香族化合物、苯类等有害物质进入周围土壤，污染土壤。为使污染土基再利用，采用固化处理法处理污染土，固化土具有良好的力学特性，可作为地基及路基的基础性建筑材料。

固化/稳定化是处理污染场地的重要方法，利用外掺剂固化污染土壤，将污染物稳定在固化土之内，防止污染物扩散。固化土电阻率是其固有物理参数，其主要受固化土内部孔隙及含水量变化的影响。在污染场地，通过测试由于污染物的存在使得固化污染土电阻率变化情况，得到固化土内部孔隙及含水量变化，进而分析污染场地处理情况。杜盼晓等[1]研究发现随Zn2+、Cu2+、Pb2+含量增加，固化土强度逐渐降低。董晓强等[2]以生活污水、造纸厂污水为污染物，考虑强度、电阻率、污染物含量及养护龄期四者关系，研究表明水泥土强度随电阻率增加而增大，电阻率和强度均随着龄期增加而增大，污染物存在降低水泥土抗压强度和电阻率。Chen等[3]研究表明，水泥固化Pb(NO3)2污染土，随着水泥水化反应的发展，电阻率随着养护龄期增加、孔隙度及饱和度降低而增大。米栋云等[4]研究水泥土电阻率及强度特性，研究发现随养护龄期增加，电阻率及强度均呈现增长趋势。刘子文等[5]发现土体电阻率随含水率的增加而减小。储亚等[6]研究表明重金属污染黏性土电阻率随孔隙湿密度和体积含水量的增大呈指数函数减小。黄凤凤等[7]和张少华等[8]考虑固化土电阻率与电流频率两者关系，数据显示，固化土电阻率随电流频率的增加而明显降低。Liu等[9]分析不同养护龄期柴油污染高岭土的电阻率特性，研究表明柴油污染的高岭土的电阻率一般随着含油量的增加而减小。张辉[10]对石油烃类污染土壤电阻率进行测试，其研究发现石油烃类污染物是引起电阻率变化的主要因素。章定文等[11]将Archie 电阻率公式扩展应用到固化重金属污染土领域，固化土电阻率与强度之间近似服从幂函数关系。

目前中外主要针对重金属污染土进行研究，对有机污染物土研究较少。现通过一系列室内强度及电阻率试验，分析水泥固化有机污染土电阻率及无侧限抗压强度与污染物含量、龄期之间的关系，建立预测任意有机污染物含量和任意龄期固化物电阻率公式，无侧限抗压强度与电阻率的拟合方程。通过检测固化土电阻率，间接反映污染场地固化效果。对固化有机物污染场地，污染土壤再利用提供基础性理论研究。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用有机物污染土通过人工室内制备，试验选用砂土粒径分析见表1，基本物理指标见表2。利用腐植酸(humic acid，HA)代替煤制气废水中有机污染物。煤制气废水主要从煤气的洗涤、冷凝和分馏中产生，而煤类物质为腐殖酸原料两大来源之一，且两者官能团基本一致，如羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基、多环芳香族化合物和含氧、硫的杂环化合物。

表1 砂土颗粒粒径分析

表2 砂土基本物理指标

1.2 试样制备

综合考虑煤制气废水中的污染物含量，腐殖酸含量见表3，水泥及水的掺量分别为10%和20%。根据砂土、腐殖酸、水泥及水四者掺量比例，制备试验所需立方体试样，放进标准养护室(设定温度为20 ℃，湿度为90%)进行养护，养护龄期为7、14、28、60、90 d。

表3 腐殖酸含量

1.3 试验方案

采用LCR数字电桥进行电阻率测试，试验前将不同养护龄期及污染物含量的试块表面打磨平整，在表面涂抹一层导电膏，将铜电极板清洗打磨，减小电阻接触，并将其粘在相对的两表面，电阻率测试时频率为50 Hz，待数字电桥数稳定后记录数据，分别测试试块三个相对表面，取三者平均值，为试验所需电阻率数值。

加载速率为0.5 kN/s，测试每组三个平行试块无侧限抗压强度，其平均值为试验所需值。对上述试验数据整理，分析无侧限抗压强度、电阻率、龄期及污染物含量之间关系。

2 试验结果及分析

2.1 水泥固化有机污染物的电阻率特性

2.1.1 电阻率同污染物含量的关系

通过对不同污染物含量试样进行电阻率测试，变化规律及拟合曲线如图1所示。由图1可知，试样在任一养护龄期，随污染物含量增加，电阻率逐渐降低；污染物含量与电阻率呈良好的三次函数关系。腐殖酸有较强的吸水能力，最大吸水量可以超过500%，其官能团羧基(—COOH)和羟基(—OH)使得土粒带有负电荷，增强腐殖酸的吸水能力，且腐殖酸的存在改变固化土结构，导致孔隙增加[12]。因此，随腐殖酸含量增加，固化土含水率及孔隙比增加，孔隙水也随之增加，腐殖酸组分官能团中H+发生解离，可与水泥水化反应产物Ca2+、Al3+进行交换，削弱水泥的固化效果，导致固化土不密实，孔隙率增大，从而使得电阻率减小[11]。电阻率在污染物含量为2%之后趋于平缓，为1%～2%，电阻率变化较大。

图1 污染砂土固化物电阻率与污染物含量关系

图2 污染砂土固化物电阻率与龄期关系

2.1.2 电阻率同龄期的关系

电阻率与养护龄期的关系及拟合曲线如图2所示，拟合效果呈良好的对数关系。可知：对任何腐殖酸含量固化土，随养护龄期增加，电阻率逐渐增大。在养护过程中，固化土内水泥水化反应逐渐完成，产生的水化产物填充于孔隙中，孔隙率及含水率逐渐减小，固化土内孔隙结构逐渐密实，电阻率增大。7～28 d养护龄期，固化土电阻率增长较快，28 d后电阻率变化趋于平稳；在养护后期，固化土含水率变化较小，龄期增加对电阻率影响较弱。污染物含量为4%时，电阻率随养护龄期增加，变化趋势较为平缓，说明高污染物含量对水泥水化反应抑制较强，固化土内孔隙率及含水率变化缓慢，固化土电阻率随龄期增加，增长较慢。

2.2 水泥固化有机物污染土的强度特性

2.2.1 无侧限抗压强度同腐殖酸含量关系

固化土无侧限抗压强度随腐殖酸污染物含量变化发展规律如图3所示。由图3可知，任意养护龄期，随污染物含量增大，无侧限抗压强度逐渐减小。腐殖酸具有较强吸水能力，且腐殖酸为大分子有机物质，其主要官能团中H+与水化产物中阳离子发生离子交换，产物包裹水泥颗粒，阻碍水泥水化反应，水化产物减少，固化土内部胶结力减弱，孔隙比增加。说明腐殖酸的存在，弱化水泥固化效果，试样无侧限抗压强度降低[13-14]。同一龄期，较于其他低污染物含量，HA4固化土强度降低最大，养护龄期为60 d时，HA4抗压强度较于HA2降低18.3%，说明高污染物含量对水泥水化反应影响较大，固化效果削弱较为明显。

图3 污染砂土固化物无侧限抗压强度与污染物含量关系

2.2.2 无侧限抗压强度同养护龄期关系

固化土无侧限抗压强度与养护龄期关系如图4所示。污染物含量一定时，随养护龄期增加，固化土强度逐渐增大。固化土强度增长主要取决于水化产物在试样内部胶结情况。试样在养护过程中，水泥水化反应逐步完善，试样内部骨架结构逐渐形成，水化产物逐渐增多，填充于骨架之中，固化土变得更加密实，无侧限抗压强度逐渐增大。将HA2固化土强度随养护龄期变化曲线分为四阶段，随龄期增加，固化土强度分别增加6%、12%、12.1%、5.3%，60 d后抗压强度增长速率降低，说明60 d龄期水泥水化反应较为缓慢。但从HA4固化土强度变化规律可以看出，在高污染物含量环境下，固化土水泥水化反应进行缓慢，随龄期增加，其强度增长较为均匀。

图4 污染砂土固化物无侧限抗压强度与龄期关系

2.3 电阻率与固化土无侧限抗压强度关系

取养护龄期为28、60 d，固化土电阻率ρs与无侧限抗压强度qu相关关系见表4，采用二次函数拟合，拟合曲线如图5所示。固化土无侧限抗压强度随电阻率增大而增大。从图5中可以看出，低养护龄期(28 d)，前期随电阻率增加，抗压强度增长速率低于高养护龄期(60 d)，后期变化则相反。

2.4 固化土电阻率与无侧限抗压强度相关性研究缺陷

目前固化土电阻率与抗压强度之间相关性研究较少，文献[2]发现水泥土抗压强度与电阻率呈线性增加，主要由于抗压强度提高，固化土变密实，孔隙比及含水率减小，导致电阻率增大。文献[11]研究表明固化土电阻率与抗压强度之间近视服从幂函数关系。就现有研究而言，电阻率与抗压强度之间关系具有间接性，通过试验得到电阻率及无侧限抗压强度随孔隙比、含水率、污染物浓度及养护龄期变化规律，间接分析电阻率及抗压强度相应的变化轨迹。两者之间直接性关联研究缺乏，对固化土电阻率分析有一定的局限性。

表4 龄期28 d和60 d固化土抗压强度与电阻率关系

图5 龄期28 d和60 d污染砂土固化物的无侧限抗压强度与电阻率的拟合曲线

3 结论

(1)水泥固化有机物污染土电阻率随腐殖酸污染物含量增大而减小，且在HA1～HA2，降低较为明显。固化污染土电阻率随养护龄期增加而增大，60 d后水泥水化反应基本完成，影响很小。

(2)水泥固化有机物污染土无侧限抗压强度随腐殖酸污染物含量增加而减小，在HA4时，影响最大。固化污染土无侧限抗压强度随养护龄期增加而增大，60 d后，水泥水化反应基本完成，龄期增加，对抗压强度影响减小。

(3)水泥固化有机物污染土无侧限抗压强度随电阻率增大而增大。

(4)水泥固化有机物污染土电阻率及无侧限抗压强度随污染物含量、养护龄期变化，主要是由于有机污染物的存在抑制水泥水化反应，固化土含水率和内部孔隙率的变化。