硝酸铅污染粉土力学性能及其对X70钢腐蚀的试验研究

发布时间：2016-08-20 06:21

第一章  绪论   

1.1  前言  
土壤分布具有极大的地域性，种类繁多，然而随着科技的进步，人民生活水平越来越高，土壤环境问题却越来越严重，地基土体遭受污染的形势十分严峻。近代工业生产产生的废弃物，由于无组织的排放或排放系统失效，使其渗入土层，导致土的物理、力学、化学性质发生变化，直接影响工程活动或有害于人类健康、动物繁衍、植物生长等，这类土层就是污染土[1]。污染土中尤其以重金属污染土对人体健康以及工程质量安全带来重大危害。重金属污染特指由重金属或其化合物造成的环境污染，而现在人们不断提高的生活需求必然带来采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属超标制品等造成重金属污染事件大范围高频率地发生、发展、扩散，因此土壤重金属污染不仅会直接或间接地影响到食品和饮用水安全等关系到人民群众生活安全方面，而且重金属污染土的工程安全方面也形势堪忧，如土的孔隙比、压缩性、抗剪强度、地基承载力等在遭受重金属污染后会发生不利于诸多工程安全的改变[2]，如果不进行工程处理，难免会引发一系列的工程安全问题或工程事故；还包括大量的输油输气管道、地下钢结构材料在污染土中的加速腐蚀，致使使用寿命缩短或造成燃气燃油泄露等安全事故。 2014 年 4 月对土壤污染状况的摸底工作中，环保部和国土资源部发布的全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，工矿业废弃地土壤环境问题突出，全国土壤总的点位超标率为 16.1%，中国重金属污染土地污染面积达到 3 亿多亩，因此在基础建设大量兴起的阶段，工程中难免会遇到污染土的利用问题，现阶段在土壤污染防治和治理的同时，我们必须加强对污染土性质的研究分析，保证我们在污染土区域进行工程建设的安全，既包括建筑施工时建筑地基土遭受污染后的工程安全，还包括大量钢铁工程材料在污染土区域腐蚀防护的安全问题。 
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1.2  铅污染土的分布及危害
土壤的污染问题已经日趋严重，而对于污染土的研究却十分复杂，困难重重。土壤污染源十分繁杂，包括人类的生活垃圾、工业垃圾、工业废水以及各种污染事故（如核泄漏）等，，不同污染源对于土壤的危害程度不同，其中以铅污染最为普遍，直接危害人体健康，并导致环境质量恶化，影响铅污染区域的工程安全。铅污染的来源非常普遍，如图 1-1 所示，环境中铅污染的主要来源有：一是冶炼、制造和使用铅制品的工矿企业，尤其是来自有色金属冶炼过程中所排出的含铅废水、废气和废渣；二是由汽车排出的含铅废气，由于汽油中用四乙基铅作为抗爆剂，在汽油燃烧过程中，铅便随汽车排出的废气进入大气，世界上已有两亿多辆汽车，每年排出的总铅量达 40 万吨，成为大气的主要铅污染源；三是装饰装修材料，铅盐及镉、铬氧化物、铅黄、铅白、红丹等是装饰装修材料、油漆、涂料和壁纸的主要成分，许多装饰装修材料如木器涂料、内墙涂料中都含有铅，国家关于木制家具有害物质控制标准中除了对人造板里面的甲醛控制以外，就是对家具漆的包括铅在内的各种重金属进行检测控制；四是室内玩具和装饰用品，玩具和装饰品的喷漆中都含有大量的铅，长期使用必然会造成铅污染；五是饮水管道、金属餐具等造成的铅污染，PVC 管制作过程中用铅盐做稳定剂，而金属制品中大都含有微量的铅，长期使用后必然导致铅溶出，造成饮用水等的铅污染；六是日常食物中如爆米花、松花蛋、香烟中都含有铅，长期食用也会造成铅污染；七是燃煤、石油等燃料的消耗，由于这些矿物资源中含有铅，在燃烧的过程中铅排入大气，造成空气铅污染。在清洁的城市，大气中铅含量约为  0.01 微克/米。工业发达国家的城市，大气都受到不同程度的铅污染。1968～1969 年美国洛杉矶市大气中检出的铅含量，高达 71.3 微克/米，平均为 3.6 微克/米。
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第二章  试验方案   

2.1  试验内容设计  
采用土的常规力学性能测试手段，在室内进行压缩试验和直剪试验对硝酸铅污染粉土的压缩性能和直剪强度进行了测试；同时采用室内模拟试验对 X70 钢片在不同浓度硝酸铅污染粉土中的电化学性能进行了测试和分析，综合得出硝酸铅污染物对土的微观结构以及宏观性能的影响，以及硝酸铅污染粉土中 X70 钢的腐蚀机理。 （1）按照《土工试验方法标准》（GB50123-1999）对试验用土的常规参数包括土的颗粒级配曲线、初始含水量、初始密度、液塑限、最优含水量等进行测试，并且按照一定的配合比制成未污染粉土最优含水量下不同污染物含量的污染土，密封保存。同时测试试验室温度及湿度变化，保持外部环境的稳定。 （2）采用击实仪进行击实制样，用环刀法测试试样的含水量以及干密度，关注其随污染物浓度的变化情况；采用环刀样进行压缩试验和直剪试验，根据试验数据画出压缩（e-p）曲线和直剪（τ -σ ）曲线并计算出压缩系数、压缩模量、峰值强度、内摩擦角和黏聚力的大小，分析其随污染物浓度的变化情况。 （3）将 X70 钢制成钢片埋入不同含量的硝酸铅污染粉土中，进行电化学性能的测试，通过对其极化曲线和电化学阻抗谱的测试和分析，研究 X70 钢在不同含量的硝酸铅污染粉土中的腐蚀电位、腐蚀电流密度、腐蚀速率以及腐蚀形态等的变化情况，以及同一浓度的硝酸铅污染粉土中 X70 钢的电化学腐蚀参数随时间的变化情况。
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2.2  试验材料
试验用土取自太原某工地无污染粉土，土颗粒级配良好，土的物理性指标见表 2-1，将土碾碎并过 2mm 筛后在室内保存。试验用污染物为硝酸铅晶体颗粒，将硝酸铅晶体颗粒先溶于一定量的蒸馏水中配成溶液，后将溶液与无污染粉土进行拌合制成铅离子含量分别占土质量 0%、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%的硝酸铅污染粉土，密封保存以防止水分流失，同时试验室温度和湿度稳定。  压缩试验和直剪试验采用击实仪制成环刀样，环刀横截面积 30mm2，高度 2cm。土样分三层击实，环形击实 24 击，中间 1 击，每层共 25 击，击实功 2684.9k J/m3，击实试样见图 2-1，击实曲线见图 2-2，由击实曲线得到，未污染粉土的最大干密度为 1.93g/cm3，最优含水量为 11.8%。制样时须提前计算所需蒸馏水质量，以保证环刀样的含水量与相同击实功下无污染粉土的最优含水量一致，减少试验中的可变因素。 
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第三章  硝酸铅污染粉土的力学性能试验研究 ........ 25 
3.1  硝酸铅污染粉土的干密度 ........ 25 
3.2  硝酸铅污染粉土的抗剪强度 .............. 27
3.3  硝酸铅污染粉土的压缩性能 .............. 31
3.4   硝酸铅对土体的影响机理分析 ........ 35 
3.5   本章小结 .............. 37 
第四章  硝酸铅污染粉土对 X70 钢的腐蚀试验 ....... 39 
4.1 X70 钢在硝酸铅污染粉土中的腐蚀极化曲线 ....... 39
4.2 X70 钢在硝酸铅污染粉土中腐蚀的电化学阻抗谱 ......... 48 
4.2.1 X70 钢的电化学阻抗谱特征分析 ....... 48 
4.2.2 X70 钢的电化学阻抗谱等效电路分析 ......... 53 
4.2.3  硝酸铅污染粉土对 X70 钢电化学阻抗谱的影响分析 ............. 59 
4.3  本章小结 ...... 60 
第五章  硝酸铅对污染土性能的综合评价 ...... 63 
5.1 硝酸铅污染粉土力学性能与 X70 钢腐蚀速率关系分析 .......... 63
5.2  硝酸铅污染粉土中反应机理分析 ...... 68 
5.3  本章小结 ...... 69  

第五章  硝酸铅对污染土性能的综合评价   

5.1 硝酸铅污染粉土力学性能与 X70 钢腐蚀速率关系分析 

  图 5-1 为硝酸铅污染粉土在垂直压力为 100k Pa 时的抗剪强度与其在 100-200k Pa 范围内的压缩系数变化趋势对比图，左纵轴为压缩系数，右纵轴为抗剪强度。由图 5-1 可以看出，抗剪强度随污染粉土中铅离子含量的增加先增大后减小，而压缩系数随铅离子含量增加先减小后增大，且抗剪强度的峰值与压缩系数的最小值同时出现于铅离子含量为 0.2%时，说明随着污染土中铅离子含量的增加，硝酸铅污染粉土的抗剪性能和抗压缩性均为先增强后减弱。分析其原因可能时，硝酸铅含量较小时首先会反应生产一氧化铅水合物等物质，提高了土体抗剪强度的同时增大了土体的整体刚度，又因为化学反应过程消耗土体中的孔隙水造成孔隙比减小，从而抗压缩性增强；而当铅离子含量大于 0.2%后，一氧化铅水合物开始逐渐分解，土中粘粒骨架与铅离子发生置换作用，土体抗剪强度开始降低；又土颗粒在大量阳离子作用下带正电荷，产生同性电荷微排斥力，土体孔隙比的增加增大了可供压缩空间，从而导致硝酸铅污染粉土的抗压缩性逐渐降低。 

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结论

本文通过对硝酸铅污染粉土的土工性能包括干密度、抗剪强度、压缩性能的测试和分析，以及 X70 钢在未污染土和硝酸铅污染粉土中腐蚀的极化曲线和电化学阻抗谱的对比研究得到以下结论：      
（1）  硝酸铅加入未污染粉土后盐分渗透到土颗粒空隙中，与土颗粒粘合使硝酸铅污染粉土的干密度增大；当铅离子含量大于 0.2%后，盐结晶体不断吸收土体中的水体积膨胀产生“盐胀”作用，导致硝酸铅污染粉土的干密度随铅离子含量的增加逐渐减小；硝酸铅污染粉土的干密度在铅离子含量小于等于 0.8%时，总体大于未污染粉土的干密度。      
（2）一氧化铅等水合物的生成使硝酸铅污染粉土的抗剪强度和黏聚力暂时上升，铅离子的置换反应与胶结物的分解引起的双电层厚度削弱、电平衡的破坏、土颗粒骨架的分解，使硝酸铅污染粉土的抗剪强度、黏聚力值在铅离子含量大于 0.2%后，最终呈现减小的趋势，而硝酸铅污染粉土的内摩擦角随铅离子含量的增加呈现与抗剪强度和黏聚力相反的先减小后增大趋势。      
（3）硝酸铅污染粉土经压缩过后的孔隙比最终减小值总体小于未污染粉土，且随铅离子含量的增加先减小后略微增大；硝酸铅污染粉土在不同垂直压力下的压缩试验，由于铅离子加入后土颗粒的重新排列使土体更加密实，孔隙水的消耗使孔隙比减小，一氧化铅水合物提高了整体刚度，共同造成压缩系数随着铅离子含量增加而减小；大量铅离子的继续加入最终使土颗粒带正电荷产生微观排斥力，同时水合物的不断分解造成刚度流失，从而硝酸铅污染粉土的压缩系数在铅离子含量大于 0.2%后略微增大。 
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参考文献(略)

本文编号：98670