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)：

美國超級基金場地修復項目統(tǒng)計表明，固化、穩(wěn)定化技術(shù)是重金屬污染場地修復最主要的技術(shù)。傳統(tǒng)的重金屬污染場地的固化、穩(wěn)定化主要通過水泥等膠結(jié)材料、土體和重金屬離子之間連續(xù)發(fā)生的多種復雜物理化學反應作用從而達到降低重金屬離子溶出、提高土體強度等目的。土壤修復過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理：①水化產(chǎn)物對污染物的包裹作用；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污染物的物理吸附作用；④通過水化產(chǎn)物與污染物的相互作用(如離子替換、絡合作用等)，對污染物進行化學固定。水泥固化/穩(wěn)定化重金屬污染土易受到周圍環(huán)境的長期物理和化學侵蝕，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，都會引起固化土的物理、力學和化學的穩(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，從化學角度看，三價離子如fe³⁺、cr³⁺和mn³⁺等能取代鈣礬石中的al³⁺離子，二價離子如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，鈣礬石的表面負電性可容納或吸附較較多的外來金屬離子。鈣礬石具有膨脹性，土是一個松散顆粒的聯(lián)合體，本身具有孔隙，利用養(yǎng)護條件(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鈣礬石的形成沒有促進作用，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。當溶液中so4^2-含量不足時，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期穩(wěn)定性。固化劑中鋁((鐵)相含量是影響鈣礬石長期穩(wěn)定性的重要因素之一，當體系中so4^2-與鋁(鐵)相摩爾比小于0.42時，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離子反應生成鈣礬石。其中磷石膏是生產(chǎn)磷肥、磷酸時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)實現(xiàn)要素：

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

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種基于鈣礬石的重金屬污染場地修復的固化劑由生石灰、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)明人通過試驗發(fā)現(xiàn)，配比(質(zhì)量比)存在一個最佳范圍，即高鋁水泥占20％～50％，生石灰占10～40％，磷石膏占30％～60％時，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，將重金屬污染場地修復使用的固化劑采用專業(yè)設備將其與現(xiàn)場土體原位攪拌，形成樁體，進而實現(xiàn)重金屬污染場地的固化處治。水泥土攪拌法分為漿液深層攪拌法(簡稱濕法)和粉體噴攪法(簡稱干法)，采用重金屬污染場地修復的固化劑作為漿液或粉體原料，利用專業(yè)的深層攪拌機深入地基將地基土和固化劑攪拌均勻，固化劑會和土壤發(fā)生化學反應，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)攪拌過程中，固化劑會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：將需要修復的土層開挖，與重金屬污染場地修復的固化劑攪拌均勻，壓實，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)過試驗發(fā)現(xiàn)，適當?shù)匿X、鈣、硫含量反應可以生成大量鈣礬石，鈣礬石對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，進一步降低重金屬溶出。

具體實施方式

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行幾組室內(nèi)配合比試驗，確定最優(yōu)配比。用本發(fā)明固化重金屬污染土時，根據(jù)具體工程重金屬污染濃度和處理目標需要，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％。

試驗例1

本實施例中，某典型重金屬污染場地土，土樣液限為37.2％，塑性指數(shù)為11.8，依據(jù)《土的工程分類標準》(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，送入標準養(yǎng)護室，在溫度20±2℃，相對濕度在95％以上的環(huán)境中養(yǎng)護28天和90天。根據(jù)規(guī)范hj/t300-2007方法，測試試樣的重金屬浸出濃度。同一配比制作三個平行試樣，取其濃度平均值作為測試結(jié)果。

實施例1

一種基于鈣礬石的重金屬污染場地修復的固化劑，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，檢測結(jié)果表明，處理后28天重金屬浸出濃度小于0.2mg/l，遠低于廢棄危險物標準(5mg/l)，且其90天重金屬浸出濃度較28時更小。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)，當生石灰與高鋁水泥質(zhì)量比由35％增加到70％時，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。當磷石膏與高鋁水泥的質(zhì)量比大于75％時，90天齡期時重金屬的浸出濃度小于28天時重金屬的浸出濃度，表明鈣礬石具有較好的穩(wěn)定性。