天然沸石对石油污染硅砂液化稳定的物理化学作用机制研究

《Results in Engineering》：Natural Zeolite Impacts on Liquefaction Stabilization of Oil-Contaminated Silica Sands – Physical and Chemical Evaluation

本文针对石油污染土壤在地震作用下易发生液化、威胁基础设施安全的问题，研究了天然沸石对石油污染硅砂液化稳定性的影响。通过简单剪切实验、FTIR和SEM分析，发现沸石能有效吸附石油污染物，显著提升砂土液化抗力（细砂和粗砂分别提高124%和154.55%），为石油污染场地的绿色修复提供了新方案。

　　

在石油资源丰富的地区，石油泄漏导致的土壤污染不仅威胁生态环境，还可能引发严重的地质灾害。其中，土壤液化（Soil Liquefaction）现象尤为突出——当地震发生时，饱和疏松的砂土在震动下孔隙水压力骤增，导致土壤颗粒间有效应力降至零，从而像液体一样失去承载力。石油污染物会进一步削弱砂土的结构稳定性，使这一问题雪上加霜。传统稳定方法多依赖化学药剂，存在成本高、二次污染风险大等问题。因此，寻找一种绿色、经济且高效的土壤稳定材料成为岩土工程领域的重要挑战。

为此，研究人员在《Results in Engineering》发表论文，探究了天然沸石（Zeolite）对石油污染硅砂液化行为的改良效果。研究通过物理实验与化学分析相结合的方式，系统评估了沸石在吸附石油污染物、提升砂土抗液化能力方面的双重作用。

关键技术方法包括：利用NGI型循环简单剪切仪模拟地震荷载，测定砂土液化触发周期；通过傅里叶变换红外光谱分析污染物化学键变化；借助扫描电子显微镜观察沸石与砂土的微观结构相互作用。实验选用两种伊朗本土硅砂（粗粒渥太华砂与细粒巴博勒萨尔砂），以6%原油模拟污染，并添加2%-10%的天然沸石进行稳定化处理。

3.1 清洁试样的液化行为

清洁砂土在循环应力比0.08、竖向压力300 kPa条件下，细砂和粗砂的液化触发周期分别为39和36次。结果表明，砂土粒度差异对初始抗液化能力影响较小，但为后续污染与稳定化效果对比提供了基线数据。

3.2 石油污染试样的液化行为

原油污染导致砂土液化抗力急剧下降：细砂和粗砂的液化周期分别降至17和11次，降幅达56%和69%。原油的润滑作用削弱了颗粒间摩擦力，证实污染对砂土动态性能的破坏性。

3.3 沸石处理试样的液化行为

添加沸石后，砂土抗液化能力显著恢复。细砂在6%沸石含量下液化周期提升124%，近乎恢复至清洁状态；粗砂在8%沸石含量下提升154.55%。沸石的孔隙结构和角粒形态增强了颗粒间机械咬合与摩擦，有效抵消石油的润滑效应。

3.4 清洁、污染和沸石处理试样的循环行为

动态参数分析显示，污染使粗砂剪切模量下降32%，而沸石处理使其恢复22%；细砂的剪切模量损失为27%，沸石处理后恢复31%。滞后回线表明沸石处理试样刚度提高，能量耗散能力优化。

4.1 FTIR分析

烃类官能团（C-H、C=C）的峰值在沸石处理后显著降低，尤其细砂中C=C峰完全消失，证明沸石通过吸附作用有效减少了砂土中的石油残留。

4.2 SEM分析

微观图像显示，沸石表面由光滑变为粗糙，孔隙中被原油残留物填充，且细砂样本的吸附效果更明显。这表明沸石的高比表面积和离子交换能力是其稳定化作用的关键。

5. 讨论与总结

研究揭示了沸石通过物理吸附与化学键合的双重机制提升砂土抗液化能力：其多孔结构捕获石油分子，同时角粒形态增强颗粒间摩擦。与纳米黏土、水泥等传统稳定剂相比，沸石兼具环境友好性与成本优势。但研究仍存在局限性，如未考虑长期环境老化效应，且仅针对固定污染浓度（6%）开展实验。未来需进一步评估沸石在实际复杂环境中的耐久性。

该研究为石油污染场地的地震安全防护提供了创新思路，证实天然沸石可作为可持续的岩土工程材料，在保障生态安全的同时提升基础设施抗震韧性。