【摘 要】
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重金属铬及其化合物作为工业生产各个领域广泛应用的原材料,在其长期的生产过程中,产生大量Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)污染土,对环境和人类毒害极大。开展铬污染土修复技术研究具有较强的理论价值及现实意义。论文针对目前固化/稳定化技术修复铬污染土这一环境岩土工程领域热点问题,以辽宁省沈阳市典型铬污染场地为研究对象,采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,从深层次、多学科、多角度研究固化-还原-吸附联合
【基金项目】
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国家自然科学基金(51304106)应力-渗流-化学耦合作用下废弃煤矿地下水污染机理研究
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重金属铬及其化合物作为工业生产各个领域广泛应用的原材料,在其长期的生产过程中,产生大量Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)污染土,对环境和人类毒害极大。开展铬污染土修复技术研究具有较强的理论价值及现实意义。论文针对目前固化/稳定化技术修复铬污染土这一环境岩土工程领域热点问题,以辽宁省沈阳市典型铬污染场地为研究对象,采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,从深层次、多学科、多角度研究固化-还原-吸附联合修复铬污染土及其力学特性。主要研究成果如下:(1)通过固化剂、还原剂、吸附剂单掺试验及复掺正交试验,测定不同添加剂种类及掺量、养护龄期、初始pH值、铬含量和价态等因素对铬污染土修复效果的影响,确定了固化剂、还原剂、吸附剂所组成的复合制剂最佳配比;并通过毒性淋滤特性试验,测定不同固化剂类型、含水量、养护龄期、铬含量、浸提液pH值等因素对复合制剂联合修复铬污染土毒性浸出浓度的影响,从毒性淋滤特性的角度对修复效果进行评价。结果表明,固化剂水泥、还原剂CaS5、吸附剂粉煤灰合成沸石制成的复合制剂通过固化-还原-吸附联合作用,可实现对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)污染土的有效固化/稳定化。复合制剂最佳配比为:水泥掺量20%、CaS5掺量3倍、合成沸石掺量15%;复合制剂通过固化-还原-吸附联合作用机制,减小了 Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)对水化反应和凝硬反应的阻碍作用,强化了固化/稳定化效果,对固化体的浸出浓度降低效果显著,毒性浸出满足相关标准要求。(2)通过无侧限抗压强度试验,测定不同固化剂类型、含水量、养护龄期、铬含量对复合制剂联合修复铬污染土强度的影响,并利用SEM对试样微观结构进行分析,从无侧限抗压强度特性的角度对修复效果进行评价。结果表明,复合制剂对铬污染土固化体强度增加效果明显;经过适当养护后,铬污染土固化体最大无侧限抗压强度与较低含水量相对应;固化体无侧限抗压强度随养护龄期增加而呈现持续增长趋势,长期稳定性明显增加,有效避免单独掺入水泥时固化体出现的强度反弹现象;随着铬含量的逐渐增加,铬对污染土固化体强度的弱化效应加剧。SEM微观结构分析与无侧限抗压强度试验结果一致。(3)基于复合制剂联合修复铬污染土无侧限抗压强度应力应变关系实验结果,引入损伤变量D,改进了 Popovics模型,建立联合修复重金属污染土固化体的弹塑性非线性本构关系模型,并运用origin软件对模型进行验证。结果表明,模型计算值与试验值拟合较好。(4)通过干湿循环试验和冻融循环试验,测定不同污染物含量、不同循环次数对复合制剂联合修复污染土无侧限抗压强度、毒性浸出浓度、质量损失率的影响规律,并利用SEM对试样微观结构进行分析,从耐久特性的角度对修复效果进行评价。结果表明,随着干湿循环次数的增加,复合制剂联合修复铬污染土的无侧限抗压强度先增大后减小,浸出液中Cr(Ⅵ)和总铬浓度先下降后增加;污染土铬含量越高,无侧限抗压强度越低,Cr(Ⅵ)和总铬浸出浓度越大;随着冻融循环次数增加,复合制剂固化铬污染土无侧限抗压强度逐渐减小,浸出液中Cr(Ⅵ)和总铬浓度均不断增加;铬含量越高,无侧限抗压强度越小,浸出液中Cr(Ⅵ)和总铬浓度越高;无论干湿循环还是冻融循环,随着循环次数的增加,复合制剂修复铬污染土的累计质量损失率都逐渐增大,并且铬含量越高,累计质量损失率越大,两者累计质量损失率均<2%,体现复合制剂联合修复铬污染土具有较好的耐久性。(5)以沈康高速鸭绿江街至新城子段高速公路为工程背景,以污染原土作为对比,用FLAC数值分析软件从位移、塑性区、剪切应力及剪切应变增量角度分析了固化污染土用于路基填料可行性,确定了固化土的优势,为联合修复铬污染土的工程应用提供理论基础。
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