粒化高炉矿渣和氧化镁固化稳定化铅污染粘土的强度、溶出及微观特性的研究

摘要

粒化高炉矿渣粉(GGBS)作为一种绿色低碳可持续发展材料，被广泛作为水泥基材料添加料。活性氧化镁(MgO)可以有效激发GGBS，提高激发后GGBS的无侧限抗压强度。但目前对GGBS-MgO作为重金属污染粘土固化剂研究存在不足，本文以国家863计划课题(2013AA06A206)、国家自然科学基金重点项目(41330641)、国家自然科学基金项目(51278100，41472258)和江苏省自然科学基金杰出青年基金项目(BK2012022)为依托，采用GGBS-MgO作为固化剂加固铅污染粘土，并通过酸缓冲能力测试、无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验及半动态浸出试验，对GGBS-MgO固化铅污染土进行物理化学特性、强度特性、环境安全性及微观机理的分析研究，并对GGBS-MgO和水泥固化现场铅锌镉复合污染土进行对比研究。得到的主要研究结论如下:
　　(1)物理化学特性:标准养护及半动态浸出条件下，GGBS-MgO固化铅污染土pH均低于固化未污染土，半动态浸出试验后，同一配比试样内部pH在淋滤液初始pH=2.0-7.0时相差不大，而试样表层pH在淋滤液初始pH=2.0时约为pH=3.0-7.0时的1/2; GGBS-MgO固化铅污染土相比于水泥固化铅污染土有较强的酸缓冲能力。
　　(2)强度特性:GGBS-MgO固化铅污染土针刺深度约为固化未污染土的1.4-3.2倍，且无侧限抗压强度qu均较固化未污染土小;随着固化剂掺量增加，试样针刺深度逐渐减小，强度随之升高;半动态浸出试验后，试样随着淋滤液初始pH增大，试样针刺深度逐渐减小，qu增加，试样qu较标准养护39 d试样qu降低了2％-53％;在同等条件下GGBS-MgO固化未污染土半动态浸出后qu较水泥固化未污染土qu提高了12％-43％，且在18％掺量下约为水泥固化铅污染土1.3-1.8倍。
　　(3)环境安全性:TCLP试验表明随着固化剂掺量的增加，铅溶出率明显下降;半动态浸出试验表明同等掺量、同等试验条件下，淋滤液初始pH=7.0时，GGBS-MgO固化土扩散系数相比于水泥固化土低1-2个数量级;通过三种方法计算扩散系数，初始淋滤液pH=2.0时铅的溶出机制为溶解，随着pH增加溶出机制由溶解转为扩散。
　　(4)微观机理:X射线衍射结果表明GGBS-MgO固化铅污染土有明显水合硅酸镁和Ht生成，铅的固定形式主要为表面吸附与沉淀;扫描电镜结果表明，GGBS-MgO固化土试样标准养护28 d时主要水化产物为C-S-H与Ht，铅污染的掺入使C-S-H与Ht在形态上有所改变;压汞试验结果表明，随着龄期增加，试样累积孔隙减少;固化剂掺量增加会使试样内部孔隙更加致密，铅污染的掺入使得试样孔隙增加;半动态浸出结束后，试样孔径相比于同龄期试样增大，GGBS-MgO固化土孔隙比水泥固化土更为致密。
　　通过上述试验研究表明，GGBS-MgO作为固化剂固化铅污染粘土在强度特性、环境安全性上都优于水泥，可将其作为固化剂代替水泥固化铅污染粘土。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 强度特性

1．2．2 环境安全性

1．2．3 微观结构

1．3 研究现状总结分析

1．4 本文研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究技术路线

第二章 试验内容及试验方案

2．1 试验材料

2．1．1 试验土样

2．1．2 粒化高炉矿渣粉

2．1．3 氧化镁

2．1．4 硅酸盐水泥

2．2 试验内容

2．2．1 试样制备与养护

2．2．2 酸缓冲能力试验

2．2．3 无侧限抗压强度试验

2．2．5 毒性浸出试验

2．2．6 半动态浸出试验

2．2．7 X射线衍射试验

2．2．8 扫描电镜试验

2．2．9 压汞试验

2．2．10 试验内容汇总

第三章 GGBS-MgO固化铅污染粘土物理化学特性

3．1 pH值

3．1．1 标准养护

3．1．2 半动态浸出试验

3．2 含水率

3．2．1 标准养护

3．2．2 半动态浸出试验

3．3 比表面积

3．4 酸缓冲能力

3．5 本章小结

第四章 GGBS-MgO固化铅污染粘土强度特性

4．1 针刺试验

4．1．1 针刺深度

4．1．2 针贯入阻力

4．2 无侧限抗压强度试验

4．2．1 无侧限抗压强度

4．2．2 多元线性回归模型

4．3 本章小结

第五章 GGBS-MgO固化铅污染粘土环境安全性

5．1 毒性浸出试验

5．1．1 浸出液pH及EC

5．1．2 元素溶出浓度

5．2 半动态浸出试验

5．2．1 浸出液pH及EC

5．2．2 元素溶出浓度

5．2．3 累积溶出质量

5．2．4 累积溶出率

5．2．5 基于ASTM C1308(ASTM 2009)方法计算扩散系数(方法一)

5．2．6 基于US EPA 1315计算扩散系数(方法二)

5．2．7 基于DeGroot(1992)方法计算扩散系数(方法三)

5．2．8 三种计算扩散系数方法对比

5．3 本章小结

第六章 GGBS-MgO固化铅污染粘土微观机理分析

6．1 X射线衍射

6．2 扫描电镜

6．3 压汞试验

6．3．1 累积进汞量

6．3．2 孔隙体积分布

6．4 本章小结

第七章 GGBS-MgO固化现场污染土强度及浸出特性

7．1 固化现场污染土强度特性

7．2 固化现场污染士浸出特性

7．3 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 本文创新点

8．3 本文不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间论文发表及科研情况