مطالعه آزمایشگاهی تثبیت و جامدسازی خاک‌آلوده به سرب و روی توسط سیمان ژئوپلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

چکیده

این تحقیق به بررسی قابلیت‌های سیمان ژئوپلیمری در تثبیت و جامدسازی خاک‌های آلوده به فلزات سنگین سرب و روی پرداخته است. ماده اولیه استفاده شده در سیمان ژئوپلیمری سرباره‌های ذوب‌آهن و فولاد بود. در این راستا، نمونه‌های خاک‌آلوده با استفاده از دو نوع چسب تثبیت شدند و آزمایش‌های تراکم خاک، ICP، مقاومت فشاری تک‌محوری، آزمایش نشت (TCLP) و میکروسکوپ الکترونی روبشی برای ارزیابی عملکرد انجام شد. نتایج تست مقاومت فشاری تک‌محوری نشان داد که نمونه‌های تثبیت‌شده با سیمان ژئوپلیمری در تمامی دوره‌های عمل‌آوری، مقاومت بیشتری نسبت به نمونه‌های حاوی سیمان پرتلند داشته‌اند، به‌طوری که مقاومت آن‌ها حدود 100 تا 200 کیلوپاسکال بیشتر از نمونه‌های سیمان معمولی بود. از سوی دیگر، نتایج آزمایش نشت نشان داد که سرباره فولاد به‌طور قابل ‌توجهی قادر است غلظت یون سرب را از ppm 26000 به کمتر از ppm 1 کاهش دهد. همچنین، در تثبیت یون روی، غلظت این یون از ppm 16000 به ppm0/3 کاهش یافت که نشان‌دهنده پتانسیل بالای این ماده در کنترل و تثبیت فلزات سنگین است. علی‌رغم این‌که نمونه‌های حاوی سیلیکات سدیم مقاومت بالایی در آزمایش‌های تک‌محوری داشتند، در آزمایش نشت نتوانستند غلظت فلزات سنگین را به زیر حد آستانه برسانند. نتایج نشان داد که با افزایش درصد چسب، مقاومت مکانیکی نمونه‌ها بهبود یافته و فرآیند تثبیت آلاینده‌ها به‌طور مؤثرتری انجام می‌شود. در نهایت، سیمان ژئوپلیمری به‌عنوان یک گزینه مناسب برای تثبیت خاک‌های آلوده به فلزات سنگین، نه تنها به دلیل کارایی بالا در تثبیت آلاینده‌ها، بلکه به‌دلیل ویژگی‌های زیست‌محیطی و اقتصادی خود می‌تواند جایگزین مناسبی برای سیمان پرتلند باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Laboratory Study of Stabilization and Solidification of Lead and Zinc Contaminated Soil Using Geopolymer Cement

نویسندگان [English]

  • Mojtaba Gholamrezaei
  • Mohammad Delnavaz
  • Hadi Shahir
Faculty of Engineering, Civil Engineering Department, Kharazmi University, Tehran. Iran
چکیده [English]

This research investigates the capabilities of geopolymer cement in the stabilization and solidification of heavy metal-contaminated soils, particularly those contaminated with lead and zinc. One of the key aspects of this research is the use of steel and blast furnace slags, considered as industrial waste, as raw materials in the production of geopolymer cement. To this end, contaminated soil samples were stabilized using both types of binders, and various tests, including compaction, uniaxial compressive strength (UCS), toxicity characteristic leaching procedure (TCLP), and scanning electron microscopy (SEM), were conducted to evaluate the performance of the binders. The results of the uniaxial compressive strength tests showed that the samples stabilized with geopolymer cement exhibited higher strength at all curing times compared to those stabilized with Portland cement, with a strength increase of approximately 100 to 200 kPa. Moreover, the leaching test results indicated that steel slag significantly reduced the concentration of lead ions from 26,000 ppm to less than 1 ppm. In the case of zinc, the concentration was reduced from 16,000 ppm to 0.3 ppm, demonstrating the high potential of this material in the stabilization of heavy metals. However, despite the high compressive strength of sodium silicate-containing samples, they were less effective in reducing the concentrations of heavy metals in the leaching tests. This research also showed that increasing the binder content improved the mechanical strength of the samples and enhanced the stabilization of contaminants.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Geopolymer Cement
  • Soil Stabilization
  • Leaching
  • Lead and Zinc
  • Compressive Strength

مراجع

[1] A.R.Goodarzi, and M.H. Zandi, Assessing geo-mechanical and leaching behavior of cement–silica-fume-stabilized heavy metal-contaminated clayey soil, Environmental Earth Sciences, 75 (2016).
[2] H. M. Cota, and D. Wallenstein, Hazardous waste management. Second Edition (2004).
[3]V.R Ouhadi, R.N. Yong, and M. Deiranlou, Enhancement of Cement‐Based Solidification/Stabilizationcement-based solidification/stabilization of a lead-contaminated smectite clay. Journal of Hazardous Materials, 403 (2021).
[4] Y.J. Du, , M.L. Wei, K.R. Reddy, and  H.L. Wu, Effect of carbonation on leachability, strength and microstructural characteristics of KMP binder stabilized Zn and Pb contaminated soils. Chemosphere, 144 (2016): 1033–1042.
[5] M.Niu, G.Li, Y.Wang, Q. Li, L.Han, and Z. Song, Comparative study of immobilization and mechanical properties of sulfoaluminate cement and ordinary Portland cement with different heavy metals. Construction and Building Materials, 193 (2018): 332–343.
[6] G. Dermont, M. Bergeron, G. Mercier, and M. Richer-Laflèche, Metal-Contaminated soils: Remediation practices and treatment technologies. Practice Periodical of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste Management, 12(3) (2008): 188–209.
[7] D. Dermatas, et al. Stabilization or solidification of lead-contaminated soil using RHA. Journal of Hazardous Materials, 271(4) (2018): 238-243.
[8] N. Phanija, and R.V.P. Chavali,  Solidification/stabilization of copper-contaminated soil using phosphogypsum. Innovative Infrastructure Solutions. 6, 145 (2021).
[9] V. Illera, F. Garrido, S. Serrano, and M.T. García-González, Immobilization of the heavy metals Cd, Cu and Pb in an acid soil amended with gypsum- and lime-rich industrial by-products. European Journal of Soil Science, 55(1) (2004): 135–145.
[10] N.B. Singh, and B. Middendorf, Geopolymers as an alternative to Portland cement: An overview. Construction and Building Materials, 237 (2020): 117455.
[11] Y.H.M., Amran, R. Alyousef, H. Alabduljabbar, and M. El-Zeadani, Clean production and properties of geopolymer concrete; A review. Journal of Cleaner Production, 251 (2020).
[12] Y. Pan, J. Rossabi, C. Pan, and X. Xie, Stabilization/solidification characteristics of organic clay contaminated by lead when using cement. Journal of Hazardous Materials, 362 (2019): 132–139.
 [13] Y.C. Huang, J., Chen, A.R. Tian, H.L. Wu, Y.Q. Zhang, and Q.  Tang, Mechanical properties of fiber and cement reinforced heavy metal-contaminated soils as roadbed filling. Journal of Central South University, 27(7) (2020): 2003–2016.
[14] A.C.F. Chiu, R. Akesseh, , I.M. Moumouni, and Y. Xiao, Laboratory assessment of rice husk ash (RHA) in the solidification/stabilization of heavy metal contaminated slurry. Journal of Hazardous Materials, 371 (2019) 62-71.
[15] J. Liu, F. Zha, L. Xu, B. Kang, X.  Tan, Y. Deng, and C. Yang, Mechanism of stabilized/solidified heavy metal contaminated soils with cement-fly ash based on electrical resistivity measurements. Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, 141 (2019): 85-94.
[16] J. Li, shan, L. Chen, B.  Zhan, L. Wang, C.S. Poon, and D.C.W. Tsang, Sustainable stabilization/solidification of arsenic-containing soil by blast slag and cement blends. Chemosphere, 271 (2021): 129868.
[17] M.B. Karakoç, I. Türkmen, M.M., Maraş, F. Kantarci. R. Demirboʇa, and M.U. Toprak, Mechanical properties and setting time of ferrochrome slag based geopolymer paste and mortar. Construction and Building Materials, 72 (2014) 283-292.
[18] T. Suwan, Categories and types of raw materials using in geopolymer cement production: An overview. Solid State Phenomena, 280 (2018): 481–486.
[19] E. Kishar, D. Ahmed, and N. Nabil, Geopolymer Cement Based on Alkali Activated Slag. Journal of Scientific Research in Science, 34 (2018): 538–552.
[20] V. Nikolić, M. Komljenović, N. Džunuzović, and Z. Miladinović, The influence of Pb addition on the properties of fly ash-based geopolymers. Journal of Hazardous Materials, 350 (2018): 98-107.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 57، شماره 11
بهمن 1404
صفحه 1875-1896

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار