加速碳化处理对土壤性能的影响

（一）加速碳化处理对稳定化土壤浸出浓度的影响

图5-34为不同碳化周期条件下，三种重金属污染土壤中重金属浸出浓度的变化情况。经过不同时间碳化处理后，三种稳定化污染土壤中Pb的浸出浓度均可检出，并在28 d前随着时间的延长而有所增大，最高达到20μg／L。当碳化至56 d时，铅的浸出浓度回落至11.3μg／L。因此从长期来看，碳化对于Pb的稳定性可能具有提高作用，这与章定文等人的研究结果类似。As污染土壤经碳化处理后，As的浸出浓度随着碳化时间的延长而降低，分别为85.5μg／L、70.0μg／L、62.3μg／L、62.0μg／L和58.5μg／L。As在土壤中不会形成碳酸盐，随着碳化的深入，As可能被吸附在碳化产物中，从而导致其浸出浓度降低。Cd污染土壤经过碳化处理7 d后，其Cd的浸出浓度增大至2 535μg／L，但随着时间的延长，Cd浸出浓度逐渐回落。至碳化56 d时，Cd的浸出浓度为2 400μg／L。碳化对于三种土壤的pH值影响较小，这可能是由于药剂通过吸附作用进行处理。总体而言，碳化作用会削弱土壤中Pb和Cd中短期内的稳定性，但从长期来看，碳化可能有利于Pb和Cd的稳定，这与Wang等人在现场结果类似。碳化对As在土壤中的稳定性具有提升作用，Pandey等采用TCLP试验研究了水泥固化重金属污染土碳化后重金属溶出量的变化情况，指出碳化后Cd、Cr和Cu的溶出量增加，Pb的溶出量降低。Du等人采用碳化的方式对电解锰废物的长期稳定性进行评估，结果显示，利用CaO稳定化的废物中Mn的浸出浓度从13.6 mg／kg增加到408 mg／kg;利用Mg O稳定化的废物中，Mn的浸出浓度从30 mg／kg增加到266 mg／kg。由此可知，碳化对于重金属稳定性的影响不仅与土壤理化性质以及碳化时间有关，还与重金属种类、稳定化药剂种类及其作用机理等因素有关。

图5-34 加速碳化对稳定化土壤浸出浓度和pH值的影响

图5-35为在不同碳化周期条件下，三种重金属污染土壤固化后，土壤理化性质的变化情况。经3 d、7 d、14 d和28 d加速碳化处理后，随着碳化时间的延长，Pb污染土壤固化样品的抗压强度逐渐被削弱，As污染土壤固化样品的抗压强度未发生明显的变化，而Cd土壤固化样品的抗压强度开始有所降低，而后逐步上升，但均低于未经过碳化处理的样品强度。水泥是通过水化反应形成的CSH以及氢氧化钙等物质，可使处理后的土壤具有一定的强度，其养护时间对于土壤的强度具有一定的影响。Glasser研究认为，水泥在固化过程中，有2／3的水化反应是在28 d完成，因此在前28 d中，固化样品中的水泥仍在持续发生水化反应，形成强度。另外，三种土壤自身的理化性质也有所差异，不同时间碳化处理下，使得这些土壤的抗压强度变化趋势不尽相同。

但是总体而言，碳化处理前28 d对于固化土壤的强度具有削弱作用。当碳化时间达到56 d时，三种固化土壤的抗压强度均发生了明显的回升，分别达到6.12 MPa、4.34 MPa和5.05 MPa。碳化过程中，固化土壤的强度会在一定时间段内发生降低，但长期的碳化有利于提高固化土壤的强度。

图5-35 加速碳化对固化土壤理化性能的影响

碳化3 d后，三种固化土壤的渗透系数发生了较大的提升，分别达到5.47×10-4 cm／s、3.94×10-4 cm／s和3.22×10-4 cm／s。随着碳化时间的延长，渗透系数逐渐降低。当碳化时间达到56 d时，三种土壤的渗透系数分别回落至1.83×10-4 cm／s、3.07×10-4 cm／s和0.53×10-4 cm／s。由土壤抗压强度结果可知，固化土壤的物理性能在中短期碳化过程中会被削弱，但长期的碳化对于提升土壤的物理性能具有积极作用。碳化前期会由于水泥中Ca（OH）2碳化为CaCO3，使得固化土壤的体积增大，同时水泥内部膨胀力的增大会引起土壤中微孔隙的生成，从而使得土壤的强度降低、渗透系数增大。而到后期，由于碳化产物的逐渐增加，土壤内部孔隙和部分毛细孔可能被碳化产物逐渐堵塞，使得固化后土壤的密实度和强度提高。

由上述可知，碳化会在中短期内对固化稳定化土壤的稳定性能产生消极影响，从长期时间尺度分析，有利于土壤稳定性的提高。

（二）加速碳化处理对固化稳定化土壤性能影响机理研究

1.形态分布变化

图5-36为碳化处理前后，三种稳定化土壤的重金属形态分布变化。总体而言，经过碳化处理56 d后，土壤中重金属的碳酸盐结合态均有所增加，Pb、As和Cd的碳酸盐结合态由碳化前的18.47%、16.09%和22.22%增加至21.01%、23.30%和35.03%。碳酸盐结合态属于不稳定形态，碳化提高了该形态重金属占比，增加了土壤重金属的浸出风险，因此在考察重金属的长期稳定性时应予以关注。三种重金属的其他形态占比的变化并未呈现一致性规律。土壤中As通常与铁锰氧化物结合，碳化至56 d时，As的铁锰氧化态由27.24%提高至29.66%，这可能是As浸出浓度降低的原因之一;而Cd经碳化处理后，其残渣态由1.22%降低至未检出，可能导致其浸出浓度升高;相比碳化3 d，碳化56 d后，Cd的不稳定形态由29.39%增加至32.4%，说明碳化中前期Cd的不稳定性增加，但随着碳化时间的延长，其长期稳定性逐渐提高。

图5-36 碳化处理对稳定化土壤中重金属的形态分布影响

2.红外光谱测试结果(www.xing528.com)

图5-37和图5-38为室内加速碳化处理过程中，不同碳化时间下As和Pb稳定化土壤样品的红外光谱分析结果。由图可知，As和Pb稳定化土壤样品经过室内加速碳化处理后，土壤中的有机基团均发生了变化。在经过加速碳化56 d后，As和Pb污染土稳定化样品，位于1 150～1 010 cm-1波段的峰明显减弱，说明室内加速碳化处理方法对土壤中的有机态物质产生了影响，导致有机基团的分解，进而影响了土壤中的重金属浸出浓度。

图5-37 不同碳化时间对As稳定化土壤样品的红外光谱分析结果

图5-38 不同碳化时间对Pb稳定化土壤样品的红外光谱分析结果

3.扫描电镜形貌观测结果

图5-39为碳化处理前后，三种水泥固化土壤的微观形貌。由图可知，经3 d碳化处理后，固化土壤呈现颗粒较为松散或孔隙稍大的状态;随着碳化时间达到56 d时，固化土壤部分孔隙被填充，内部结构变得较为致密，这一结果与上文的土壤物理性能变化规律基本一致。Yi等人利用SEM等方法探讨了土壤碳化机理，发现经碳化处理后的土壤，由于碳化产物的增加，使得土壤孔隙度变低。然而固化土壤中的金属组分也可能会影响碳化反应的速度，从而影响碳酸钙的形成。Liu等人在水泥混凝土样品的SEM扫描图中发现，碳化后部分原来呈片状结构的水泥混凝土形成了颗粒状的方解石，且密度更高。由此可见，长期碳化过程中，水泥固化土壤的物理性能会发生波动，但最终碳化可以提高水泥固化土壤的致密性，提升其物理性能。

图5-39 碳化前后固化土壤样品扫描电镜结果（×20 000）

4.XRD测试结果

图5-40为室内加速碳化过程中，不同碳化时间下，由As和Pb污染土壤制成的水泥固化块的X衍射结果。由图可知，水泥固化块中的晶体物质主要是二氧化硅、铁锰氧化物以及钙类化合物等。经碳化处理3 d和56 d后，土壤样品在2θ为42°、48°时出现了较弱的额外峰，经过物相鉴别分别为CaCO3、Ca2 SiO4。这一结果说明在加速碳化过程中，二氧化碳会与水泥固化块中的碱性物质发生反应，生成碳酸盐，填充水泥固化块中的空隙，使得固化块内部结构更加紧密，从而影响固化土壤的抗压强度和渗透系数。

图5-40 不同碳化时间对水泥固化块的X衍射分析结果

As：（a）碳化56d;（b）碳化3d;（c）对照样品Pb：（d）碳化56 d;（e）碳化3d;（f）对照样品
—SiO2;—Fe-Mn氧化物;▽—CaCO3;·—Ca2SiO4