本發(fā)明屬于土木工程技術(shù)領(lǐng)域，是一種用于固化、穩(wěn)定化重金屬污染土的新型固化劑。

背景技術(shù)：

美國(guó)超級(jí)基金場(chǎng)地修復(fù)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表明，固化、穩(wěn)定化技術(shù)是重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)最主要的技術(shù)。傳統(tǒng)的重金屬污染場(chǎng)地的固化、穩(wěn)定化主要通過(guò)水泥等膠結(jié)材料、土體和重金屬離子之間連續(xù)發(fā)生的多種復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)作用從而達(dá)到降低重金屬離子溶出、提高土體強(qiáng)度等目的。土壤修復(fù)過(guò)程中最常用的固化劑為普通硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥固化、穩(wěn)定化重金屬污染物主要有以下四種機(jī)理：①水化產(chǎn)物對(duì)污染物的包裹作用；②水泥溶于水后形成的堿性環(huán)境促進(jìn)重金屬離子形成不溶性的氫氧化物等而沉淀；③各類水化產(chǎn)物以及土體顆粒表面對(duì)污染物的物理吸附作用；④通過(guò)水化產(chǎn)物與污染物的相互作用(如離子替換、絡(luò)合作用等)，對(duì)污染物進(jìn)行化學(xué)固定。水泥固化/穩(wěn)定化重金屬污染土易受到周圍環(huán)境的長(zhǎng)期物理和化學(xué)侵蝕，如二氧化碳碳化、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)以及外界化學(xué)物質(zhì)侵蝕等。固化物的孔隙率、孔隙分布特征和微觀膠結(jié)狀態(tài)變化，ph值和酸中和能力降低，重金屬的賦存形態(tài)轉(zhuǎn)化和溶解度的改變等，都會(huì)引起固化土的物理、力學(xué)和化學(xué)的穩(wěn)定性的改變，重金屬的浸出濃度高于安全限制。

鈣礬石的分子式為3ca·al2o3·3caso4·32h2o，它可以通過(guò)離子置換作用使鉛鋅等重金屬成為鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)的一部分從而固化穩(wěn)定化重金屬，從化學(xué)角度看，三價(jià)離子如fe³⁺、cr³⁺和mn³⁺等能取代鈣礬石中的al³⁺離子，二價(jià)離子如mg²⁺、zn²⁺、fe²⁺、co²⁺和ni²⁺可以取代ca²⁺，而so4^2-能被co3^2-、no3^-、seo4^2-、cro4^2-或者b(oh)4^-所取代。另外，鈣礬石的表面負(fù)電性可容納或吸附較較多的外來(lái)金屬離子。鈣礬石具有膨脹性，土是一個(gè)松散顆粒的聯(lián)合體，本身具有孔隙，利用養(yǎng)護(hù)條件(溫度、濕度、ph值等)的不同，控制并利用鈣礬石的膨脹性，可以有效的減小土的孔隙率，降低重金屬的浸出濃度。

鈣礬石是分步形成的，參與形成鈣礬石反應(yīng)的各離子依次為alo2^-、ca²⁺、so4^2-。alo2^-含量不僅是形成鈣礬石的先決條件，且決定了鈣礬石的形成速度。ca²⁺濃度是影響鈣礬石形成的主要因素，且會(huì)影響鈣礬石的生成形態(tài)。僅僅提供硫酸根離子的硫酸鹽對(duì)鈣礬石的形成沒(méi)有促進(jìn)作用，但液相中維持一定量的so4^2-是鈣礬石穩(wěn)定存在的重要條件。當(dāng)溶液中so4^2-含量不足時(shí)，鈣礬石將向單硫型硫鋁酸鈣(3ca·al2o3·caso4·12h2o)轉(zhuǎn)化，但鈣礬石向單硫型硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)變的速度十分緩慢，因此鈣礬石具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。固化劑中鋁((鐵)相含量是影響鈣礬石長(zhǎng)期穩(wěn)定性的重要因素之一，當(dāng)體系中so4^2-與鋁(鐵)相摩爾比小于0.42時(shí)，其穩(wěn)定性明顯下降。

高鋁水泥、生石灰和磷石膏可以提供相應(yīng)離子反應(yīng)生成鈣礬石。其中磷石膏是生產(chǎn)磷肥、磷酸時(shí)排放出的固體廢棄物，每生產(chǎn)1t磷酸約產(chǎn)生4.5-5t磷石膏。磷石膏主要成分為二水石膏(caso4·2h2o)，還含少量磷酸、硅、鎂、鐵、鋁、有機(jī)雜質(zhì)等。堆放磷石膏不僅占用了大量土地，而且造成環(huán)境污染。因此有必要尋求磷石膏的合理利用途徑，以實(shí)現(xiàn)磷肥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和磷石膏的高度利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提供一種基于鈣礬石的重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)的固化劑及使用方法，用于固化污染場(chǎng)地中的重金屬離子。本發(fā)明能夠提高重金屬的固化率，降低外界環(huán)境對(duì)固化土的影響，并利用鈣礬石的膨脹填充效應(yīng)，提高固化土的物理力學(xué)特性。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種基于鈣礬石的重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)的固化劑由生石灰、高鋁水泥和磷石膏組成，其配比(質(zhì)量比)為：高鋁水泥20％～50％，生石灰10～40％，磷石膏30％～60％。

發(fā)明人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，配比(質(zhì)量比)存在一個(gè)最佳范圍，即高鋁水泥占20％～50％，生石灰占10～40％，磷石膏占30％～60％時(shí)，固化/穩(wěn)定化效果最優(yōu)，重金屬溶出最少。在該配比范圍內(nèi)，重金屬溶出低于使用硅酸鹽系水泥固化/穩(wěn)定化的固化土。

原位施工辦法：原位施工可采用原位攪拌法。根據(jù)地質(zhì)條件，將重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)使用的固化劑采用專業(yè)設(shè)備將其與現(xiàn)場(chǎng)土體原位攪拌，形成樁體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重金屬污染場(chǎng)地的固化處治。水泥土攪拌法分為漿液深層攪拌法(簡(jiǎn)稱濕法)和粉體噴攪法(簡(jiǎn)稱干法)，采用重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)的固化劑作為漿液或粉體原料，利用專業(yè)的深層攪拌機(jī)深入地基將地基土和固化劑攪拌均勻，固化劑會(huì)和土壤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，固化、穩(wěn)定化重金屬。粉體噴射法和漿液深層攪拌法相比，在土質(zhì)攪拌過(guò)程中，固化劑會(huì)吸收土體中的大量水分，減低土體含水率結(jié)，因此不同含水量和承載力要求的地基可選擇不同的處理辦法。

異位施工辦法：將需要修復(fù)的土層開(kāi)挖，與重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)的固化劑攪拌均勻，壓實(shí)，然后將該土體原位回填，也可用于其他方面，如建筑材料，在土木工程中加高堤壩等。

有益效果：發(fā)明人經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)匿X、鈣、硫含量反應(yīng)可以生成大量鈣礬石，鈣礬石對(duì)重金屬有良好的固化、穩(wěn)定化效果。適量鈣礬石不僅可以通過(guò)置換、吸附等作用有效固化、穩(wěn)定化重金屬離子，而且鈣礬石具有的膨脹性可以減小土體孔隙，進(jìn)一步降低重金屬溶出。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述的固化劑由生石灰、高鋁水泥和磷石膏組成，配比(質(zhì)量比)為：高鋁水泥占20％～50％，生石灰占10～40％，磷石膏占30％～60％。采用所需要處理的土體進(jìn)行幾組室內(nèi)配合比試驗(yàn)，確定最優(yōu)配比。用本發(fā)明固化重金屬污染土?xí)r，根據(jù)具體工程重金屬污染濃度和處理目標(biāo)需要，固化劑摻入量(固化劑質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值)可取5％～30％。

試驗(yàn)例1

本實(shí)施例中，某典型重金屬污染場(chǎng)地土，土樣液限為37.2％，塑性指數(shù)為11.8，依據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(gb/t50145-2007)，該土樣定名為粉質(zhì)黏土，重金屬濃度(pb質(zhì)量與干土質(zhì)量之比)約為5000mg/kg，試樣含水率為24％。固化劑取不同配比的高鋁水泥、生石灰、磷石膏組合而成，固化劑總摻量為干土質(zhì)量的15％。根據(jù)不同配比，配制不同固化劑，將攪拌均勻的固化污染土壓入直徑50mm，高度100mm的模具中。試樣制好后脫模、密封，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，在溫度20±2℃，相對(duì)濕度在95％以上的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28天和90天。根據(jù)規(guī)范hj/t300-2007方法，測(cè)試試樣的重金屬浸出濃度。同一配比制作三個(gè)平行試樣，取其濃度平均值作為測(cè)試結(jié)果。

實(shí)施例1

一種基于鈣礬石的重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)的固化劑，固化劑由高鋁水泥、生石灰、磷石膏組成，其中高鋁水泥質(zhì)量變化范圍為0％～70％，生石灰質(zhì)量變化范圍為0％～50％，磷石膏質(zhì)量變化范圍為20％～70％，固化劑摻入量占干土質(zhì)量的15％。處治后，檢測(cè)結(jié)果表明，處理后28天重金屬浸出濃度小于0.2mg/l，遠(yuǎn)低于廢棄危險(xiǎn)物標(biāo)準(zhǔn)(5mg/l)，且其90天重金屬浸出濃度較28時(shí)更小。與相同用量以普通硅酸鹽水泥為固化劑的固化重金屬污染土相比，新型固化劑固化的固化土重金屬浸出濃度降低50％以上。重金屬的浸出濃度與高鋁水泥、生石灰、磷石膏的質(zhì)量比有關(guān)，當(dāng)生石灰與高鋁水泥質(zhì)量比由35％增加到70％時(shí)，重金屬浸出濃度降低幅度呈現(xiàn)先顯著降低后逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)磷石膏與高鋁水泥的質(zhì)量比大于75％時(shí)，90天齡期時(shí)重金屬的浸出濃度小于28天時(shí)重金屬的浸出濃度，表明鈣礬石具有較好的穩(wěn)定性。