發(fā)布時(shí)間：2016-08-20 06:21

第一章  緒論   

1.1  前言  
土壤分布具有極大的地域性，種類繁多，然而隨著科技的進(jìn)步，人民生活水平越來越高，土壤環(huán)境問題卻越來越嚴(yán)重，地基土體遭受污染的形勢十分嚴(yán)峻。近代工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢棄物，由于無組織的排放或排放系統(tǒng)失效，使其滲入土層，導(dǎo)致土的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，直接影響工程活動(dòng)或有害于人類健康、動(dòng)物繁衍、植物生長等，這類土層就是污染土[1]。污染土中尤其以重金屬污染土對人體健康以及工程質(zhì)量安全帶來重大危害。重金屬污染特指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染，而現(xiàn)在人們不斷提高的生活需求必然帶來采礦、廢氣排放、污水灌溉和使用重金屬超標(biāo)制品等造成重金屬污染事件大范圍高頻率地發(fā)生、發(fā)展、擴(kuò)散，因此土壤重金屬污染不僅會直接或間接地影響到食品和飲用水安全等關(guān)系到人民群眾生活安全方面，而且重金屬污染土的工程安全方面也形勢堪憂，如土的孔隙比、壓縮性、抗剪強(qiáng)度、地基承載力等在遭受重金屬污染后會發(fā)生不利于諸多工程安全的改變[2]，如果不進(jìn)行工程處理，難免會引發(fā)一系列的工程安全問題或工程事故；還包括大量的輸油輸氣管道、地下鋼結(jié)構(gòu)材料在污染土中的加速腐蝕，致使使用壽命縮短或造成燃?xì)馊加托孤兜劝踩�事故�?2014 年 4 月對土壤污染狀況的摸底工作中，環(huán)保部和國土資源部發(fā)布的全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出，全國土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為 16.1%，中國重金屬污染土地污染面積達(dá)到 3 億多畝，因此在基礎(chǔ)建設(shè)大量興起的階段，工程中難免會遇到污染土的利用問題，現(xiàn)階段在土壤污染防治和治理的同時(shí)，我們必須加強(qiáng)對污染土性質(zhì)的研究分析，保證我們在污染土區(qū)域進(jìn)行工程建設(shè)的安全，既包括建筑施工時(shí)建筑地基土遭受污染后的工程安全，還包括大量鋼鐵工程材料在污染土區(qū)域腐蝕防護(hù)的安全問題。 
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1.2  鉛污染土的分布及危害
土壤的污染問題已經(jīng)日趨嚴(yán)重，而對于污染土的研究卻十分復(fù)雜，困難重重。土壤污染源十分繁雜，包括人類的生活垃圾、工業(yè)垃圾、工業(yè)廢水以及各種污染事故（如核泄漏）等，，不同污染源對于土壤的危害程度不同，其中以鉛污染最為普遍，直接危害人體健康，并導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量惡化，影響鉛污染區(qū)域的工程安全。鉛污染的來源非常普遍，如圖 1-1 所示，環(huán)境中鉛污染的主要來源有：一是冶煉、制造和使用鉛制品的工礦企業(yè)，尤其是來自有色金屬冶煉過程中所排出的含鉛廢水、廢氣和廢渣；二是由汽車排出的含鉛廢氣，由于汽油中用四乙基鉛作為抗爆劑，在汽油燃燒過程中，鉛便隨汽車排出的廢氣進(jìn)入大氣，世界上已有兩億多輛汽車，每年排出的總鉛量達(dá) 40 萬噸，成為大氣的主要鉛污染源；三是裝飾裝修材料，鉛鹽及鎘、鉻氧化物、鉛黃、鉛白、紅丹等是裝飾裝修材料、油漆、涂料和壁紙的主要成分，許多裝飾裝修材料如木器涂料、內(nèi)墻涂料中都含有鉛，國家關(guān)于木制家具有害物質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)中除了對人造板里面的甲醛控制以外，就是對家具漆的包括鉛在內(nèi)的各種重金屬進(jìn)行檢測控制；四是室內(nèi)玩具和裝飾用品，玩具和裝飾品的噴漆中都含有大量的鉛，長期使用必然會造成鉛污染；五是飲水管道、金屬餐具等造成的鉛污染，PVC 管制作過程中用鉛鹽做穩(wěn)定劑，而金屬制品中大都含有微量的鉛，長期使用后必然導(dǎo)致鉛溶出，造成飲用水等的鉛污染；六是日常食物中如爆米花、松花蛋、香煙中都含有鉛，長期食用也會造成鉛污染；七是燃煤、石油等燃料的消耗，由于這些礦物資源中含有鉛，在燃燒的過程中鉛排入大氣，造成空氣鉛污染。在清潔的城市，大氣中鉛含量約為  0.01 微克/米。工業(yè)發(fā)達(dá)國家的城市，大氣都受到不同程度的鉛污染。1968～1969 年美國洛杉磯市大氣中檢出的鉛含量，高達(dá) 71.3 微克/米，平均為 3.6 微克/米。
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第二章  試驗(yàn)方案   

2.1  試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)  
采用土的常規(guī)力學(xué)性能測試手段，在室內(nèi)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)對硝酸鉛污染粉土的壓縮性能和直剪強(qiáng)度進(jìn)行了測試；同時(shí)采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)對 X70 鋼片在不同濃度硝酸鉛污染粉土中的電化學(xué)性能進(jìn)行了測試和分析，綜合得出硝酸鉛污染物對土的微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀性能的影響，以及硝酸鉛污染粉土中 X70 鋼的腐蝕機(jī)理。 （1）按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB50123-1999）對試驗(yàn)用土的常規(guī)參數(shù)包括土的顆粒級配曲線、初始含水量、初始密度、液塑限、最優(yōu)含水量等進(jìn)行測試，并且按照一定的配合比制成未污染粉土最優(yōu)含水量下不同污染物含量的污染土，密封保存。同時(shí)測試試驗(yàn)室溫度及濕度變化，保持外部環(huán)境的穩(wěn)定。 （2）采用擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)制樣，用環(huán)刀法測試試樣的含水量以及干密度，關(guān)注其隨污染物濃度的變化情況；采用環(huán)刀樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出壓縮（e-p）曲線和直剪（τ -σ ）曲線并計(jì)算出壓縮系數(shù)、壓縮模量、峰值強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和黏聚力的大小，分析其隨污染物濃度的變化情況。 （3）將 X70 鋼制成鋼片埋入不同含量的硝酸鉛污染粉土中，進(jìn)行電化學(xué)性能的測試，通過對其極化曲線和電化學(xué)阻抗譜的測試和分析，研究 X70 鋼在不同含量的硝酸鉛污染粉土中的腐蝕電位、腐蝕電流密度、腐蝕速率以及腐蝕形態(tài)等的變化情況，以及同一濃度的硝酸鉛污染粉土中 X70 鋼的電化學(xué)腐蝕參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。
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2.2  試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用土取自太原某工地?zé)o污染粉土，土顆粒級配良好，土的物理性指標(biāo)見表 2-1，將土碾碎并過 2mm 篩后在室內(nèi)保存。試驗(yàn)用污染物為硝酸鉛晶體顆粒，將硝酸鉛晶體顆粒先溶于一定量的蒸餾水中配成溶液，后將溶液與無污染粉土進(jìn)行拌合制成鉛離子含量分別占土質(zhì)量 0%、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%的硝酸鉛污染粉土，密封保存以防止水分流失，同時(shí)試驗(yàn)室溫度和濕度穩(wěn)定。  壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)采用擊實(shí)儀制成環(huán)刀樣，環(huán)刀橫截面積 30mm2，高度 2cm。土樣分三層擊實(shí)，環(huán)形擊實(shí) 24 擊，中間 1 擊，每層共 25 擊，擊實(shí)功 2684.9k J/m3，擊實(shí)試樣見圖 2-1，擊實(shí)曲線見圖 2-2，由擊實(shí)曲線得到，未污染粉土的最大干密度為 1.93g/cm3，最優(yōu)含水量為 11.8%。制樣時(shí)須提前計(jì)算所需蒸餾水質(zhì)量，以保證環(huán)刀樣的含水量與相同擊實(shí)功下無污染粉土的最優(yōu)含水量一致，減少試驗(yàn)中的可變因素。 
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第三章  硝酸鉛污染粉土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究 ........ 25 
3.1  硝酸鉛污染粉土的干密度 ........ 25 
3.2  硝酸鉛污染粉土的抗剪強(qiáng)度 .............. 27
3.3  硝酸鉛污染粉土的壓縮性能 .............. 31
3.4   硝酸鉛對土體的影響機(jī)理分析 ........ 35 
3.5   本章小結(jié) .............. 37 
第四章  硝酸鉛污染粉土對 X70 鋼的腐蝕試驗(yàn) ....... 39 
4.1 X70 鋼在硝酸鉛污染粉土中的腐蝕極化曲線 ....... 39
4.2 X70 鋼在硝酸鉛污染粉土中腐蝕的電化學(xué)阻抗譜 ......... 48 
4.2.1 X70 鋼的電化學(xué)阻抗譜特征分析 ....... 48 
4.2.2 X70 鋼的電化學(xué)阻抗譜等效電路分析 ......... 53 
4.2.3  硝酸鉛污染粉土對 X70 鋼電化學(xué)阻抗譜的影響分析 ............. 59 
4.3  本章小結(jié) ...... 60 
第五章  硝酸鉛對污染土性能的綜合評價(jià) ...... 63 
5.1 硝酸鉛污染粉土力學(xué)性能與 X70 鋼腐蝕速率關(guān)系分析 .......... 63
5.2  硝酸鉛污染粉土中反應(yīng)機(jī)理分析 ...... 68 
5.3  本章小結(jié) ...... 69  

第五章  硝酸鉛對污染土性能的綜合評價(jià)   

5.1 硝酸鉛污染粉土力學(xué)性能與 X70 鋼腐蝕速率關(guān)系分析 

  圖 5-1 為硝酸鉛污染粉土在垂直壓力為 100k Pa 時(shí)的抗剪強(qiáng)度與其在 100-200k Pa 范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)變化趨勢對比圖，左縱軸為壓縮系數(shù)，右縱軸為抗剪強(qiáng)度。由圖 5-1 可以看出，抗剪強(qiáng)度隨污染粉土中鉛離子含量的增加先增大后減小，而壓縮系數(shù)隨鉛離子含量增加先減小后增大，且抗剪強(qiáng)度的峰值與壓縮系數(shù)的最小值同時(shí)出現(xiàn)于鉛離子含量為 0.2%時(shí)，說明隨著污染土中鉛離子含量的增加，硝酸鉛污染粉土的抗剪性能和抗壓縮性均為先增強(qiáng)后減弱。分析其原因可能時(shí)，硝酸鉛含量較小時(shí)首先會反應(yīng)生產(chǎn)一氧化鉛水合物等物質(zhì)，提高了土體抗剪強(qiáng)度的同時(shí)增大了土體的整體剛度，又因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)過程消耗土體中的孔隙水造成孔隙比減小，從而抗壓縮性增強(qiáng)；而當(dāng)鉛離子含量大于 0.2%后，一氧化鉛水合物開始逐漸分解，土中粘粒骨架與鉛離子發(fā)生置換作用，土體抗剪強(qiáng)度開始降低；又土顆粒在大量陽離子作用下帶正電荷，產(chǎn)生同性電荷微排斥力，土體孔隙比的增加增大了可供壓縮空間，從而導(dǎo)致硝酸鉛污染粉土的抗壓縮性逐漸降低。 

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結(jié)論

本文通過對硝酸鉛污染粉土的土工性能包括干密度、抗剪強(qiáng)度、壓縮性能的測試和分析，以及 X70 鋼在未污染土和硝酸鉛污染粉土中腐蝕的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜的對比研究得到以下結(jié)論：      
（1）  硝酸鉛加入未污染粉土后鹽分滲透到土顆�？障吨�，與土顆粒粘合使硝酸鉛污染粉土的干密度增大；當(dāng)鉛離子含量大于 0.2%后，鹽結(jié)晶體不斷吸收土體中的水體積膨脹產(chǎn)生“鹽脹”作用，導(dǎo)致硝酸鉛污染粉土的干密度隨鉛離子含量的增加逐漸減��；硝酸鉛污染粉土的干密度在鉛離子含量小于等于 0.8%時(shí)，總體大于未污染粉土的干密度。      
（2）一氧化鉛等水合物的生成使硝酸鉛污染粉土的抗剪強(qiáng)度和黏聚力暫時(shí)上升，鉛離子的置換反應(yīng)與膠結(jié)物的分解引起的雙電層厚度削弱、電平衡的破壞、土顆粒骨架的分解，使硝酸鉛污染粉土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力值在鉛離子含量大于 0.2%后，最終呈現(xiàn)減小的趨勢，而硝酸鉛污染粉土的內(nèi)摩擦角隨鉛離子含量的增加呈現(xiàn)與抗剪強(qiáng)度和黏聚力相反的先減小后增大趨勢。      
（3）硝酸鉛污染粉土經(jīng)壓縮過后的孔隙比最終減小值總體小于未污染粉土，且隨鉛離子含量的增加先減小后略微增大；硝酸鉛污染粉土在不同垂直壓力下的壓縮試驗(yàn)，由于鉛離子加入后土顆粒的重新排列使土體更加密實(shí)，孔隙水的消耗使孔隙比減小，一氧化鉛水合物提高了整體剛度，共同造成壓縮系數(shù)隨著鉛離子含量增加而減��；大量鉛離子的繼續(xù)加入最終使土顆粒帶正電荷產(chǎn)生微觀排斥力，同時(shí)水合物的不斷分解造成剛度流失，從而硝酸鉛污染粉土的壓縮系數(shù)在鉛離子含量大于 0.2%后略微增大。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：98670