石灰改性石油污染盐渍土的力学特性

佟利辉 李敏 李达

摘要 以实现石油污染土的工程再利用为目的，借助无侧限抗压强度试验，探索石灰改性石油污染滨海盐渍土的强度分布规律。结果表明：石灰改性有助于提高石油污染土的抗压强度和抗变形性能，10%石灰改性污染土的无侧限抗压强度最小值为764 kPa，能够满足《公路路面基层施工技术规范》（TJJ034—2000）中二级和二级以下公路底基层强度标准（500 kPa）。石灰改性污染土的峰值应变平均值为2.04%，小于石油污染土的峰值应变（3%）;石灰改性石油污染土的抗压强度随含油量的增加先增大再稳定后减小，随石灰掺量及养护龄期的增加而增大;经石灰改性处置，污染土的破坏模式由塑性大变形破坏转为脆性开裂破坏，且随养护龄期、石灰掺量及含油量的增加，土样裂缝宽度增大且边缘更加不规则;含油率对改性反应进程影响较小，且存在临界石油含量作用点，对于0～20%石油污染盐渍土，适宜石灰掺量为10%，养护龄期依旧为21 d。

关 键 词 石油污染土;石灰改性;无侧限抗压强度;抗变形特性;滨海盐渍土

Abstract In order to achieve the engineering reuse of oil-contaminated soil， an unconfined compression strength test was carried out to study the strength distribution of oil contaminated saline soil solidified with lime. Results indicated that： （i） Compressive strength and anti-deformation behavior of oil contaminated soil can be effectively improved by lime solidification， and the minimum value was 764 kPa as lime content of 10%. It can meet the strength standard level of two and below grade road base （500 kPa） in the “Technical Specifications for Construction of Highway Pavement Base” （TJJ034—2000）. The average value of peak strain was less than oil-contaminated soil， it is 2.04% as lime content of 10%. （ii） Compressive strength of oil- contaminated soil solidified with lime increase firstly， then remain stable and decrease with the increase of oil content. The effect of lime content and curing days increase continually. （iii） Failure for oil-contaminated saline soil solidified with lime change from plastic mode to brittle mode. Besides that， the width and irregularity cracks are intensified with increase of curing days， lime content and oil content. （iv） There is little effect of oil contamination on solidification reaction process， and a critical point of oil contamination exists. The optimum of lime content and curing days for the soil with oil content of 0-20% is 10% and 21 respectively.

Key words oil contaminated soil; lime solidification; unconfined compressive strength; anti-deformation characteristics; saline soil

0 引言

石油作為重要的能源与工业原料，是发展经济和提高人民生活水平的重要物质基础，但伴随石油的开采、运输及使用过程，易发生石油的抛洒或泄漏事故，造成周围土体的严重污染[1-2]。石油污染影响生态环境，被污染土体寸草不生;石油污染改变土体的水理及力学性能[3-6]。随石油污染水平的增加，污染土液、塑限和强度值有所降低，抗变形能力变差[7];石油污染水平超过4%，强度急剧降低，颗粒微观形貌呈絮状结构[8];环境温度与强度值呈反比例关系，石油污染土的抗变形能力取决于温度和污染水平[9]。石油污染土的合理处置已成为需要解决的科学问题。

从工程再利用的角度出发，向石油污染土中掺加改性材料，改善石油污染土的性能，并将改性石油污染土用作路基填料，不失为一种合理的处置方式[10-11]。石灰改良可减少施工后沉降，保证路基稳定，避免路基病害，已广泛应用于盐渍土的处置[12]。石灰改良土作路基填料，是修筑高速公路、高速铁路过程中常用路基施工技术[13]。石灰对常见矿物成分高岭土、蒙脱石、石英等的工程力学性质均具有改良作用[14]。石灰掺量、压实系数及养护龄期均影响改性土的抗压强度[15]。随着石灰掺量的增加，盐渍土的抗压强度呈比例增加[16]。随养护龄期的增加，石灰改性盐渍土的无侧限抗压强度和抗剪强度增加。前4周内强度增长较快，以后增幅变缓[17]。经石灰改性后，盐渍土的峰值轴向应变大幅度下降，其抗变形能力大为增强，改性效果显著[18]。

本文以石油污染滨海盐渍土为研究对象，选取石灰作为改性材料，通过无侧限抗压强度试验，明确改性效果，并量化石灰掺量、含油量、养护龄期对石灰改性石油污染土的强度和变形特性的影响力，力求为石油污染土的工程再利用提供力学上的参考。

1 实验材料与方法

1.1 试验材料

盐渍土取自天津滨海新区，试验前先将土混匀风干，碾散并过2 mm筛密封备用。石油取自天津大港油田，石油和风干盐渍土的基本物理化学性质指标分别见表1和表2。石灰为袋装生石灰，有效钙镁含量为70%。

1.2 试验方法

依据《公路土工试验规程》[19]，盐渍土风干过2 mm筛。水、石油和石灰按干土质量的百分比依次与盐渍土均匀混合，其中水、油与土混合后闷24 h，采用双向静力压实法制备试样，试样直径39.1 mm，高80 mm，干密度1.65 g/cm3。

由于污染土中石油与水之间存在竞争关系，当油水总量超出饱和度时，试样制备过程中存在油水溢出现象。综合考虑土中石油污染饱和度及已有文献中对石油的控制范围 [2-5]，将含油量最大值设定为20%。确定含油量为0%、5%、10%、15%、20%;统筹关于盐渍土研究中涉及的石灰掺量范围0～12%[10，13-15]，确定石灰掺加量为6%、8%、10%、12%。

利用TSZ-2.0型应变控制式三轴仪测定无侧限抗压强度，量力环系数12.2 N/0.01 mm，剪切速率0.09 mm/min，以变形量0.2 mm为间隔读取应力值。

2 分析与讨论

2.1 石灰掺量对改性石油污染土无侧限抗压强度的影响

在含油量一定的条件下，石灰改性污染土的无侧限抗压强度随石灰掺量的增加而增大（图1）。养护初期，强度与石灰掺量近乎呈线性关系;随养护时间的延长，曲线逐步出现转折点，石灰掺量大于10%，曲线增长变缓。石灰改性石油污染土初期的强度主要取决于石灰掺量，而后期的强度则由石灰碳化反应决定。

分别与未改性土进行对比，建立强度增长速率指标，以确定石灰与含油量间量化关系，增长速率见表3。石灰掺量6%比0%的强度增大300%以上，证实：石灰可有效改善石油污染盐渍土的强度。在不同含油量条件下，相同养护龄期石灰改性污染土的强度增长速率基本不变，即石油不会延迟改性反应的进行，对碳化反应进程影响较小（表3）。相同含油量下，养护龄期28 d的强度增长速率为养护龄期7 d的一半左右，石灰改性污染土的强度提升主要集中在石灰改性反应初期。

石灰改性污染土的强度在石灰掺量0～10%增长较快，10%之后增长速度减缓（图1），从工程经济角度考虑，可选的适宜石灰掺量为10%。同时，各养护条件，含油量为10%和15%的曲线基本重合，证实存在临界范围，石灰改性效果不受到影响。

2.2 养护龄期对改性污染土无侧限抗压强度影响

石灰改性石油污染土的抗压强度均随养护龄期的增加而增大（图2）。

在石灰掺量为6%、8%时，其强度隨着养护龄期近似呈线性增长（拟合公式分别见式（1）和式（2），以含油量10%的为例），相关系数在97%以上;在石灰掺量为10%、12%时，其强度随着养护龄期呈非线性增长（拟合公式分别见式（3）和式（4），以含油量10%的为例），其强度在7～14 d迅速增大，平均增大335 kPa，在14～28 d时，强度增加速度变慢，平均增大125 kPa，其规律与文献[12]中的近似。

不同含油量下石灰改性污染土的抗压强度随养护龄期的变化规律相同。为了进一步分析含油量对改性反应的影响，绘制石灰主反应阶段（即养护7～14 d）改性石油污染土抗压强度增长率随含油量的变化曲线（图3）。3种石灰掺量条件下，曲线均呈直线，含油量对石灰改性污染土的强度增长率影响较小。

2.3 含油量对改性石油污染土无侧限抗压强度的影响

随含油量的增加，石灰改性石油污染土的抗压强度先增大再稳定后减小（图4）。

含油量为0～10%时，改性污染盐渍土的无侧限抗压强度随含油率的增加逐渐增大;含油量为10%～15%，强度基本不变;含油量大于15%时，强度开始降低。这一规律与石油污染土的规律基本一致[3-4]。

无侧限抗压强度试验是在冬季进行，试验温度比较低，石油的黏滞性大，与土颗粒的黏接作用强，在土样中的孔隙被石油充满之前，石油主要起到黏接土颗粒的作用，土样强度增大（含油量为5%～10%）;土样中的孔隙被石油充满后，过量的石油会形成油膜，减小土颗粒之间的相互作用力，土样强度减小（含油量为15%～20%）。含油量为10%～15%强度基本不变，说明存在石油作用的临界点。

分析含油量与适宜石灰掺量及养护龄期间的关系，石油含量虽然影响石灰改性污染土的强度指标，但不影响最适宜石灰掺量以及最适宜养护龄期。即在不同含油量条件下，适宜石灰掺量均为10%，适宜养护龄期均为21 d。

2.4 石灰掺量对改性石油污染土抗变形性能影响

石灰改性石油污染土呈应变软化型破坏，轴向应变在2%左右时，轴向应力达最大值（图5）。整个应力应变曲线可划分成3个阶段：1）轴向应变在0～1%时，应变增加，应力近似线性增长;2）轴向应变在1%～2%时，应变的增长速度大于应力的增长速度，直到应力达到峰值，试样破坏为止;3）轴向应变在2%～6%时，应变逐渐增大，应力下降。

从图5可以看出，石灰改性污染土的峰值应变远小于石油污染土的峰值应变，且随着石灰掺量的增加，石灰改性污染土的应力应变曲线由平滑状向尖峰状过渡，峰值应变呈先减小后稳定的趋势（表4）。石灰可有效改善石油污染土的抗变形性能。

石油污染土呈一条主裂缝周边带有若干条微裂缝的破坏形态（图6a））。石灰改性污染土破坏时只有一条主裂缝周边基本没有微裂缝（图6b）～图6d）），土样的整体性增强。石灰改性石油污染土呈剪切型破坏，破坏面呈斜向（45±φ/2）°。随着石灰掺量增加，裂缝宽度变大且裂缝边缘愈发不平整。

2.5 养护龄期对石灰改性污染土抗变形性能影响

随着养护龄期的增加，石灰与土颗粒间的化学反应不断深入，石灰改性污染土应力应变曲线变陡，初始弹性模量增大，应力峰值提高，土样脆性破坏增强（图7）。

养护初期（7 d）改性石油污染土试样存在碎块脱落，养护后期（28 d），试样呈片块状脱落（图8）。

2.6 含油量对石灰改性污染土抗变形性能影响

含油量对改性污染土抗变形性能的影响较小（图9）。在5%、10%、15%、20%含油量条件下，石灰掺量10%，养护龄期7 d的石灰改性污染土峰值点处对应的应变分别为2%、2.25%、2%、2.25%;6%石灰掺量，养护龄期28 d的石灰改性污染土峰值点应变分别为2.5%、2.25%、2%、2.5%。峰值应变均在2%左右，含油量对抗变形性能的影响较小。

含油量影响改性污染土的破坏形态（图10），含油量为5%的土样呈碎顆粒状脱落，土样的整体性较差，说明少量石油不完全包裹颗粒，对改性污染土影响较小，破坏形态趋同于常规石灰改性土;含油量为10%和15%的土样呈块状脱落，土样的整体性有所提高;含油量为20%的土样破坏裂缝数目和宽度均有所增加，原因为当石油完全填充孔隙，颗粒间呈现液-液界面，在石油的润滑作用不断改变破坏面滑移轨迹，致使土体破坏较为碎散。

3 结论

1）石灰改性可有效改善石油污染土的无侧限抗压强度和抗变形性能。石灰改性污染土的强度随着石灰掺量的增加而增大，峰值应变随石灰掺量增加先减小后稳定。对于0～20%的石油污染盐渍土，适宜石灰掺量为10%。

2）石灰改性石油污染土的抗压强度和抗变形性能均随养护龄期的延长而提高。对于石油污染盐渍土，适宜养护龄期依旧是21 d，和石灰改性盐渍土的结果一致，石油污染程度对改性反应进程的影响较小。

3）含油量影响石灰改性石油污染土的力学性能。随着含油量的增大，石灰改性污染土的无侧限抗压强度先增加再稳定后减小。经石灰改性处置，污染土的整体性增强，污染土的破坏模式由塑性大变形破坏转为脆性剪切型破坏。改性污染土的破坏应变及峰值应变波动较小。对于改性石油污染盐渍土需考虑石油含量影响的临界点。

参考文献：

[1]    刘五星，骆永明，滕应，等. 我国部分油田土壤及油泥的石油污染初步研究[J]. 土壤，2007，39（2）：247-251.

[2]    童玲. 石油污染含水介质的水理和力学特征研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2008.

[3]    KHAMEHCHIYAN M，HOSSEIN CHARKHABI A，TAJIK M. Effects of crude oil contamination on geotechnical properties of clayey and sandy soils[J]. Engineering Geology，2007，89（3/4）：220-229.

[4]    郑天元，杨俊杰，李永霞，等. 柴油污染土的工程性质试验研究[J]. 工程勘察，2013，41（1）：1-4.

[5]    SHAH S J，SHROFF A V，PATEL J V，et al. Stabilization of fuel oil contaminated soil—A case study[J]. Geotechnical & Geological Engineering，2003，21（4）：415-427.

[6]    AJAGBE W O，OMOKEHINDE O S，ALADE G A，et al. Effect of Crude Oil Impacted Sand on compressive strength of concrete[J]. Construction and Building Materials，2012，26（1）：9-12.

[7]    李敏，柴寿喜，秦向鹏，等. 受石油污染的滨海盐渍土强度特性研究[J]. 中国科技论文，2015，10（13）：1539-1543.

[8]    刘将，赵文娟，陈鹏. 石油污染黏土工程性质及微观特性试验研究[J]. 工业建筑，2016，46（6）：99-102.

[9]    谢首斌，李敏，杜红普，等. 环境温度对石油污染滨海盐渍土强度及变形特性的影响[J]. 工程地质学报，2016，24（4）：616-621.

[10]  周琦，韩文峰，邓安，等. 滨海盐渍土作公路路基填料试验研究[J]. 岩土工程学报，2006，28（9）：1177-1180.

[11]  杨西锋，尤哲敏，牛富俊，等. 固化剂对盐渍土物理力学性质的固化效果研究进展[J]. 冰川冻土，2014，36（2）：376-385.

[12]  贺建清. 石灰改良土路基填料的动力特性及应用研究[D]. 长沙：中南大学，2005.

[13]  BELL F G. Lime stabilization of clay minerals and soils[J]. Engineering Geology，1996，42（4）：223-237.

[14]  高晓波，阮波，田晓涛，等. 贵州地区石灰改良膨胀土无侧限抗压强度的试验研究[J]. 铁道科学与工程学报，2014，11（6）：68-71.

[15]  魏丽，柴寿喜，蔡宏洲. 含盐量与固化材料掺量对固化盐渍土抗压强度的影响[J]. 工程勘察，2011，39（1）：4-8.

[16]  柴寿喜，杨宝珠，王晓燕，等. 含盐量对石灰固化滨海盐渍土力学强度影响试验研究[J]. 岩土力学，2008，29（7）：1769-1772，1777.

[17]  柴寿喜，王沛，魏丽. 以峰值轴向应变评价麦秸秆和石灰加筋固化盐渍土的抗变形性能[J]. 吉林大学学报（工学版），2012，42（3）：645-650.

[18]  JTG E40—2007，公路土工试验规程 [S]. 北京：人民交通出版社，2007.