不同濃度的檸檬酸對(duì)土壤環(huán)境的影響

0污染土的研究概況隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，一些嚴(yán)重污染的工業(yè)仍然占經(jīng)濟(jì)世界的相當(dāng)一部分。其中，工業(yè)公司對(duì)基本土壤的污染是環(huán)境土壤工程的嚴(yán)重問(wèn)題。污染土的研究涉及到巖土工程、環(huán)境工程、土壤科學(xué)、化學(xué)與化工工程、生態(tài)學(xué)、衛(wèi)生與防護(hù)以及測(cè)試技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，是介于這些學(xué)科邊緣的交叉學(xué)科。國(guó)外的研究多集中在污染物在土中運(yùn)移、污染土的污染機(jī)理和污染土的治理方法，偏向于環(huán)境工程方面。20世紀(jì)國(guó)內(nèi)針對(duì)一些老企業(yè)廠房進(jìn)行改造中，發(fā)現(xiàn)地基土被廢液污染，導(dǎo)致建構(gòu)筑物破壞的事故，研究人員開(kāi)展了一些工作。20世紀(jì)80年代同濟(jì)大學(xué)開(kāi)展了污染物離子在土層遷移規(guī)律的研究。但我國(guó)對(duì)污染土的研究工作相對(duì)滯后，且大多數(shù)是有關(guān)環(huán)境保護(hù)和土壤學(xué)方面的，而純巖土工程意義上的成果更少，而且多為工程實(shí)例的報(bào)道。有關(guān)污染土的工程事例報(bào)道和造成建構(gòu)筑物破壞的事故多集中在酸堿造成的污染，所以研究酸堿污染土的工程性質(zhì)，探討酸堿污染土的污染機(jī)理和勘察評(píng)價(jià)，因地制宜采取整治措施，對(duì)穩(wěn)定建設(shè)工程質(zhì)量，保護(hù)環(huán)境具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)污染土基本物理性質(zhì)的研究一般都是針對(duì)具體工程，通常為污染場(chǎng)地勘察評(píng)價(jià)而做的，試驗(yàn)項(xiàng)目并不全面，無(wú)法進(jìn)行對(duì)比研究。本文以人工制備的酸堿污染土研究其不同濃度的酸堿對(duì)土基本物理性質(zhì)的影響以及對(duì)酸堿污染地基土的勘察評(píng)價(jià)造成的影響，同時(shí)考慮到酸堿污染土也是種特殊土，一些實(shí)驗(yàn)方法與常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法有區(qū)別并給予說(shuō)明。1酸污染土壤的手工制備1.1土壤樣品的選擇試驗(yàn)用的土樣取自于寧波市繞城工路的施工工地，原狀土樣的類型是淤泥質(zhì)黏土，含少量有機(jī)質(zhì)，取土深度約為2m。1.2不同堿土中土壤的土壤條件，其充實(shí)驗(yàn)思路是通過(guò)土與不同的酸堿溶液反應(yīng)后，測(cè)定土的基本物理參數(shù)，研究地基土污染后基本物理性質(zhì)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行的，先把土置于不同濃度的酸堿溶液中浸泡然后測(cè)定土的有機(jī)質(zhì)、液限和塑限等，再進(jìn)行對(duì)比分析研究。實(shí)驗(yàn)中配置的酸堿溶液：酸溶液為HCl濃度為1%、4%、8%、12%；堿溶液為NaOH濃度為4%、8%、12%、16%。具體實(shí)驗(yàn)方案及步驟：天然原狀樣用取土器取出，用30cm2×2cm規(guī)格的環(huán)刀切成試樣后，環(huán)刀兩端加濾紙用透水石封蓋，放置于配好的溶液中浸泡，浸泡時(shí)間為7d。2堿土的內(nèi)部試驗(yàn)和研究2.1堿減少土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響土的工程性質(zhì)主要受黏土礦物成分和有機(jī)物成分的影響，而有機(jī)物對(duì)土性質(zhì)的影響尚少研究。土中有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定用重鉻酸鉀容量法，對(duì)天然土和受不同酸堿濃度污染的污染土有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定見(jiàn)圖1。從圖1所示可知，隨著酸堿濃度的增加土中有機(jī)質(zhì)的含量是不斷減小的，且在低濃度的情況下酸對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響要比堿大，但在濃度較高的時(shí)候堿比酸更能減少有機(jī)質(zhì)的含量。造成這種結(jié)果的原因如下：土中有機(jī)質(zhì)主要包括微生物體、未分解和半分解的動(dòng)植殘?bào)w以及土壤腐殖質(zhì)。土壤腐殖質(zhì)由非腐殖質(zhì)和腐殖質(zhì)組成。非腐殖質(zhì)主要由易水解的低分子化合物構(gòu)成，因低分子化合物游動(dòng)性大，故非腐殖質(zhì)對(duì)巖土的性質(zhì)影響并不明顯。腐殖質(zhì)是土有機(jī)質(zhì)的主體，也是土壤有機(jī)質(zhì)中最難降解的組分，一般占土壤有機(jī)質(zhì)的60%～80%。腐殖質(zhì)常與巖土礦物發(fā)生強(qiáng)烈作用，形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體，這種有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體對(duì)土體起主要的控制作用。酸堿也主要與土中有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，腐殖質(zhì)中的富里酸溶于酸和堿，而胡敏酸只溶于堿，故濃度較高時(shí)的堿溶液對(duì)腐殖質(zhì)的影響比酸溶液強(qiáng)。因此，在濃度較高的時(shí)，堿比酸更能減少土中有機(jī)質(zhì)的含量。2.2土體土粒比重的變化土粒比重的大小決定于礦物成分及有機(jī)質(zhì)和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體的含量，是這些組分的加權(quán)平均比重。對(duì)原狀土及受不同酸堿濃度污染的污染土土粒比重測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，隨著酸濃度的不斷增大，其土粒比重不斷減小，且都小于原狀土的土粒比重；堿正好相反，隨著堿濃度的增大，其土粒比重是不斷增大，且都大于原狀土的土粒比重。土中有機(jī)質(zhì)含量的多少顯著地影響土粒比重，對(duì)受不同濃度酸堿污染的土聯(lián)系前面已測(cè)的有機(jī)質(zhì)含量，建立有機(jī)質(zhì)含量和土粒比重的關(guān)系圖，見(jiàn)圖3。從圖中可看到，隨著有機(jī)質(zhì)含量的不斷減小，受堿污染的土土粒比重是增大，而受酸污染的土土粒比重是減小的。其原因解釋如下。(1）土受酸污染后，土中腐殖質(zhì)以及由腐殖質(zhì)形成的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體與酸發(fā)生反應(yīng)，使得腐殖質(zhì)中的富里酸溶于酸，及生成大多溶于水的帶正電荷的無(wú)機(jī)礦物官能團(tuán)；而土受堿污染后，土中腐殖質(zhì)以及由腐殖質(zhì)形成的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體與堿發(fā)生反應(yīng)，使得腐殖質(zhì)中富里酸、胡敏酸溶于堿，及生成大多不溶于水的帶羥基的無(wú)機(jī)礦物官能團(tuán)。若單純只考慮有機(jī)質(zhì)含量減小，則酸堿污染土的土粒比重是增大的，且受堿污染土的土粒比重增大值應(yīng)比受酸污染土的土粒比重是增大值高，但實(shí)際結(jié)果并非如此，還有一個(gè)更重要因素就是土中各種礦物的影響。(2）土中礦物與酸堿的作用對(duì)土粒比重有著決定性的影響。土中礦物中如原生礦物包括長(zhǎng)石、云母、輝石等一般都不與酸堿發(fā)生短時(shí)間的劇烈反應(yīng)，通常不考慮原生礦物（除原生碳酸巖礦物外）與酸堿的作用。對(duì)于次生礦物中的黏土礦物通常在自然界也較穩(wěn)定，難以與酸堿發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，因此也不考慮黏土礦物與酸堿的作用。也就是主要考慮土中的可溶性鹽和游離氧化物與酸堿發(fā)生的作用。對(duì)污染前后土中可溶性鹽和游離氧化物的測(cè)定見(jiàn)表1。2.3酸污染土的顆粒質(zhì)量土的粒度成分試驗(yàn)是研究土中各種大小粒組的相對(duì)含量，而土的工程性質(zhì)在某種程度上可以認(rèn)為是各粒組性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。由于天然土為淤泥質(zhì)黏土，污染土的粒度分析采用密度計(jì)法?？紤]到污染土為一種特殊土，分散劑的選擇可能與一般土?xí)袇^(qū)別，故結(jié)合《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和《公路土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中的有關(guān)建議，綜合考慮以污染土的pH值為基礎(chǔ)，對(duì)于堿污染土，直接加六偏磷酸鈉，因?yàn)镹aOH溶液本身即有一定的分散效果，故直接加六偏磷酸鈉就可以分散。而酸污染土則采用了直接加六偏磷酸鈉、氫氧化鈉溶液和先洗酸再加六偏磷酸鈉三種不同的分散方法，在試驗(yàn)中測(cè)的未被分散的土（>0.075mm）顆粒質(zhì)量見(jiàn)表2。由表可見(jiàn)，采用先洗酸再加六偏磷酸鈉進(jìn)行分散的效果最好。因此，對(duì)酸污染土進(jìn)行顆分試驗(yàn)時(shí)，建議采用洗酸后加六偏磷酸鈉分散土樣。受到不同濃度酸堿污染的土，其顆分曲線見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)，無(wú)論是酸污染土還是堿污染土，其黏粒組（<0.002mm）含量都比天然土土的高，且隨著堿濃度的增加污染土黏粒組含量也隨之增加，而酸污染土黏粒組含量卻隨著濃度的增加而減小。出現(xiàn)如此結(jié)果的可能原因如下：土在受到酸堿污染后，土中的一些膠體如有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體、游離氧化物膠體和可溶性鹽膠體被腐蝕，使得土顆粒間的連結(jié)減弱，因此，顆粒容易分散，污染土黏粒（<0.002mm）含量都比原狀土高。但有的黏土顆粒表面帶正電荷，有的帶負(fù)電荷，土顆粒間的連結(jié)變強(qiáng)，顆分試驗(yàn)時(shí)由于黏土顆粒表面正負(fù)電荷的引力使得土顆粒較難分散，因而出現(xiàn)酸污染土黏粒含量隨著濃度的增加而減小，但這種減小比起膠體腐蝕后黏粒增加而言是次要的。2.4酸污染土的液、塑限和塑性指數(shù)變化在工程實(shí)踐中，塑、液限是決定土性質(zhì)的兩個(gè)重要的界限含水率，不同的液、塑限反映了土的粒度成分和礦物成分。土在受到酸堿污染后，其粒度成分和礦物成分都發(fā)生了改變，土的液、塑限也必然發(fā)生變化，也使得土的液性指數(shù)IL發(fā)生變化。污染物的不同對(duì)土液、塑限的影響也不一樣（見(jiàn)圖5），對(duì)于受堿污染的土，土的液、塑限都大于原狀土且隨堿濃度的增加而增加，塑性指數(shù)也隨著堿濃度的增加而增加；對(duì)于受酸污染的土，土的塑限卻隨酸濃度的增加而增加且大于原狀土的塑限，而土的液限都小于原狀土且隨酸濃度的增加而減小，塑性指數(shù)也隨著酸濃度的增加而減小。隨著堿濃度的增大，土溶液的pH值也愈大，與黏粒中的礦物包括次生二氧化硅、游離氧化物、黏土礦物的等電點(diǎn)pH值差值也愈大，則黏粒的熱力學(xué)電位愈大，電動(dòng)電位也愈大，黏粒表面負(fù)電荷也愈大，溶液中大量Na+進(jìn)入固定層和擴(kuò)散層，使得固定層和擴(kuò)散層變愈厚，土的可塑性愈強(qiáng)，因此土的液、塑限和塑性指數(shù)都增高。另外，堿污染土在塑限時(shí)溶解于堿液的膠體離子也會(huì)析出膠質(zhì)，繼續(xù)發(fā)揮膠結(jié)作用使得塑限增大。同樣隨著酸濃度的增大，黏粒的熱力學(xué)電位愈大，電動(dòng)電位也愈大，但由于土溶液呈酸性，使得有的黏土顆粒表面帶正電荷，有的顆粒表面帶負(fù)電荷，在帶負(fù)電荷顆粒的表面的擴(kuò)散層中含有較多的H+離子，帶正電荷顆粒的表面的擴(kuò)散層中含有較多的Cl-離子，它們都使得擴(kuò)散層變薄，土的可塑性變?nèi)?，因此土的液、塑限和塑性指?shù)都減小。但考慮到在塑限時(shí)，溶解于酸溶液的膠體離子此時(shí)會(huì)析出，發(fā)揮膠結(jié)作用使得塑限增大，且隨著酸濃度的增加，溶液的膠體離子愈多，在塑限時(shí)析出的膠質(zhì)也愈多，土塑限增加的趨勢(shì)也愈大。而土在液限時(shí)，由于土中有較多的水，此時(shí)膠體離子不會(huì)析出，也就不會(huì)影響到土的液限。故酸污染土的塑限隨酸濃度的增加而增加且增加的趨勢(shì)會(huì)變大，而土的液限隨酸濃度的增加而減小。酸堿污染后，土的液性指數(shù)IL變化見(jiàn)圖6。從圖中可見(jiàn)，污染土的液性指數(shù)IL隨著酸堿污染濃度的增加而增加，且酸污染比堿污染更能使土的液性指數(shù)IL增加，如圖中原狀土的塑性指數(shù)IL在可塑狀態(tài)接近硬塑，但隨著酸濃度達(dá)12%時(shí)，土樣的液性指數(shù)IL在軟塑狀態(tài)接近流塑。同時(shí)，應(yīng)注意到，隨著酸（堿）濃度的增加致使塑性指數(shù)IP減?。ㄔ黾樱趫?chǎng)地勘察評(píng)價(jià)中常用塑性指數(shù)IP對(duì)土進(jìn)行分類，這就有可能對(duì)污染土的類型進(jìn)行誤判。如本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)土受到濃度為12%的HCl的污染后，土的塑性指數(shù)IP減小為14.1，根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)為粉質(zhì)黏土，而污染前的土由液塑限試驗(yàn)和顆分試驗(yàn)結(jié)果都可知為黏土。因此，在對(duì)污染土場(chǎng)地進(jìn)行勘察評(píng)價(jià)時(shí)，用塑性指數(shù)IP對(duì)土進(jìn)行分類時(shí)應(yīng)慎重，宜結(jié)合污染土的顆分試驗(yàn)結(jié)果和場(chǎng)地附近未污染土的塑性指數(shù)IP及其他指標(biāo)進(jìn)行綜合判定。3酸污染土/土壤壓度的影響(1）酸堿污染影響土中有機(jī)質(zhì)的含量。酸堿濃度的增加土中有機(jī)質(zhì)的含量是不斷減小的，且在低濃度的情況下酸對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響要比堿大，但在濃度較高的時(shí)候堿比酸更能減少有機(jī)質(zhì)的含量。(2）酸堿污染使得土粒比重發(fā)生了變化。隨著酸濃度的增大，土粒比重是不斷減小的，且都小于原狀土的土粒比重；堿正好相反，隨著堿濃度的增大，土粒比重是不斷增大，且都大于原狀土的土粒比重。(3）對(duì)于酸堿污染土進(jìn)行顆分試驗(yàn)，分散劑的選擇應(yīng)根據(jù)污染物的不同進(jìn)行選擇，對(duì)于酸污染，建議采用洗酸后加六偏磷酸鈉分散土樣。酸堿污染土的黏粒組含量都比原狀土的高，且隨著堿濃度的增加污染土黏粒組含量也隨之增加，而酸污染土黏粒