李佳明,陳學(xué)軍，黃 翔，陳議城，余思喆

(桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院；b.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004)

0 引言

紅黏土[1]是一種區(qū)域性特殊土，主要分布于中國西南地區(qū)，具有高孔隙比、高分散性、低壓縮性、失水收縮明顯、地層上軟下硬等工程性質(zhì)[2-5]。廣西礦產(chǎn)資源豐富，采礦行業(yè)為社會帶來了經(jīng)濟效益，同時也帶來了重金屬污染問題。按照污染物的類型，污染土可分為無機污染土和有機污染土，其中，無機污染土主要為重金屬污染土體[6-8]。重金屬污染不僅危害生態(tài)環(huán)境，影響人體健康，且由于重金屬離子活躍性較高，進入土體后不能被分解，對受其污染的巖土體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很強的破壞作用，這種改變土體力學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)象，常常會誘發(fā)路基失穩(wěn)、地基不均勻沉降等巖土工程災(zāi)害事故[9]。

關(guān)于污染土的問題，學(xué)者們已進行過大量的研究。文獻[10]通過室內(nèi)試驗研究了堿污染對紅黏土的影響，認(rèn)為高濃度堿可以使紅黏土有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、孔隙比、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和塑性指數(shù)降低。文獻[11]研究了柴油對紅黏土力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)柴油對紅黏土強度影響較小，加入柴油后紅黏土中水-土系統(tǒng)的靜電及結(jié)構(gòu)模式發(fā)生改變。文獻[12]在保持土體溫度、離子濃度和pH值不變，改變?nèi)芤何襟w積的情況下，研究得到蒙脫石、伊利石、高嶺石3種礦物對重金屬離子的吸附量大小順序為：蒙脫石>伊利石>高嶺石，吸附量與陽離子交換程度密切相關(guān)。文獻[13]對濟南地區(qū)某工地污染前后土體的力學(xué)性質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)被污染土體的液性指數(shù)和壓縮系數(shù)明顯增加，而液限、塑限和壓縮模量減小。文獻[14]通過三軸固結(jié)不排水剪切試驗、壓縮試驗以及直接剪切試驗，研究了重金屬污染土的強度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土樣的力學(xué)強度受重金屬濃度的影響非常明顯，圍壓的變化能改變污染土的抗剪強度。污染土的研究成果主要集中在環(huán)境保護和生態(tài)系統(tǒng)治理方面，對巖土工程影響方面的研究相對較少，隨著環(huán)境污染的加劇，加強對重金屬污染土體工程性質(zhì)的研究迫在眉睫。

本文通過三軸不固結(jié)不排水剪切試驗和掃描電鏡試驗，結(jié)合控制變量法，研究了不同鋅離子摻量污染以及不同圍壓條件下，桂林重塑紅黏土的抗剪強度、抗剪強度指標(biāo)等力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，分析了污染紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)。研究了鋅離子污染紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)對土體宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，探索了鋅離子摻量對桂林重塑紅黏土的作用機理。

1 試驗材料與方法

土體的基本物理性質(zhì)指標(biāo)是描述土體狀態(tài)的重要參數(shù)，能反映土體的天然賦存情況、自身顆粒組成情況、與水的作用情況以及特定條件下的力學(xué)性質(zhì)等。試驗所用的紅黏土取自廣西省桂林市雁山區(qū)，為上更新統(tǒng)殘積層，呈棕紅色，紅黏土基本物理特性見表1。所用的污染物是西隴科學(xué)股份有限公司生產(chǎn)的七水合硫酸鋅(ZnSO4·7H2O)，溶解度高，溶解速度較快，溶液為無色透明狀，其性質(zhì)見表2。

表1 紅黏土基本物理特性

表2 七水合硫酸鋅的性質(zhì)

根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]，將取回的紅黏土土樣風(fēng)干、碾碎，過2 mm篩后放置于烘箱中低溫烘干，用蒸餾水配制硫酸鋅溶液，使鋅離子摻量分別為0%、0.1%、0.2%、0.5%和1.0%(鋅離子摻量為鋅離子與土顆粒的質(zhì)量比)，再按紅黏土最優(yōu)含水率30%進行噴水。攪拌均勻后，將制好的土樣密封，靜置24 h。土樣充分潤濕后，采用擊實法制備三軸試樣，每個飽和器尺寸為80 mm×39 mm，再根據(jù)干密度1.40 g/cm3稱取紅黏土的質(zhì)量，按照飽和器高度分6次擊實，每層為29.12 g，制樣完畢后放入真空缸內(nèi)抽氣2 h，用蒸餾水浸泡12 h，使試樣飽和。

2 鋅離子污染紅黏土力學(xué)性質(zhì)分析

2.1 三軸試驗

本次試驗使用的儀器是南京土壤公司TSZ-1型三軸儀，在圍壓分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速度為0.9 mm/min的條件下進行三軸不固結(jié)不排水剪切試驗。以鋅離子摻量為0%和1.0%為例，繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。

(a) 鋅離子摻量為0% (b) 鋅離子摻量為1.0%

圖1 不同鋅離子摻量污染紅黏土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

通常情況下，土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分為應(yīng)變硬化型、理想彈塑型和應(yīng)變軟化型[16]。由圖1a和圖1b可知：桂林重塑紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線主要呈應(yīng)變硬化型。重塑紅黏土在軸向應(yīng)變0%～2%時主應(yīng)力差迅速增大，經(jīng)過拐點后曲線緩慢下降然后再緩慢上升，直至剪切結(jié)束。出現(xiàn)上述變化的主要原因是重塑紅黏土顆粒之間非常疏松，在外部壓力作用下土體內(nèi)部顆粒重新排列，隨著壓力的增大土體逐漸密實，表現(xiàn)出土體強度不斷增大，這部分主要是土顆粒結(jié)構(gòu)提供抵抗外部的剪切力。隨著主應(yīng)力差的增大，當(dāng)土體達到屈服極限，軸向應(yīng)變經(jīng)過拐點，繼續(xù)增大壓力，土樣發(fā)生錯動，強度瞬間降低，導(dǎo)致主應(yīng)力差減小；隨著壓力的增加，土顆粒之間的距離變小，咬合力和摩擦力增加，強度不斷增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線緩慢上升。

圖2 鋅離子摻量與抗剪強度關(guān)系

把應(yīng)力-應(yīng)變曲線上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點，當(dāng)沒有峰值時，取軸向應(yīng)變15%時的主應(yīng)力差作為破壞點。以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)、法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)繪制應(yīng)力圓，并做公切線，公切線的截距為黏聚力、傾角為內(nèi)摩擦角，本文采用Microsoft Excel軟件規(guī)劃求解三軸試驗抗剪強度指標(biāo)的方法[17]，應(yīng)用式(1)的庫侖定律，計算抗剪強度。在不同圍壓條件下，抗剪強度隨鋅離子摻量變化的擬合曲線及函數(shù)關(guān)系式如圖2所示，抗剪強度指標(biāo)隨鋅離子摻量變化的擬合曲線及函數(shù)關(guān)系式如圖3所示。

τf=c+σtanφ，

(1)

其中：c為黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

(a) 黏聚力擬合曲線 (b) 內(nèi)摩擦角擬合曲線

圖3 抗剪強度指標(biāo)隨鋅離子摻量變化的擬合曲線及函數(shù)關(guān)系式

通過圖2可以看出：在鋅離子摻量相同的情況下，桂林重塑紅黏土的抗剪強度τf與圍壓呈正比例函數(shù)關(guān)系，素土和污染土抗剪強度變化規(guī)律相同，當(dāng)土體受到的圍壓比較小時，抗剪強度較??；伴隨著徑向約束圍壓的增加，重塑紅黏土抗剪切破壞能力呈階梯式增加。因為在外部荷載增加的情況下，土體顆粒之間的摩擦力隨之增加，土顆粒表面的結(jié)合水膜也會隨之變薄，土顆粒之間的引力增加；隨著鋅離子摻量的增加，圍壓對抗剪強度的影響減小。從線性擬合曲線和擬合函數(shù)可以看出：在相同圍壓的情況下，隨著鋅離子摻量的增加，土樣的抗剪強度明顯降低，說明鋅離子對紅黏土的抗剪強度破壞作用很大，擬合系數(shù)較高，可利用擬合函數(shù)推斷不同鋅離子摻量污染后紅黏土的抗剪強度。從圖3a和圖3b可以看出：隨著鋅離子摻量的增加，重塑紅黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角呈遞減趨勢，但擬合系數(shù)較小，說明隨著鋅離子摻量的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律并不明顯，無法利用擬合函數(shù)求出不同摻量鋅離子污染紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，但隨著鋅離子摻量的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角減小是可以肯定的。

2.2 機理分析

硫酸鋅為強酸弱堿鹽，加入水后鋅離子與OH-反應(yīng)，生成兩性氫氧化物即氫氧化鋅，氫氧化鋅溶于酸生成鋅鹽，溶于堿生成鋅酸鹽，溶液中H+剩余且游離，使硫酸鋅溶液呈弱酸性。鋅離子加入紅黏土后先溶蝕原有的物質(zhì)，然后生成鋅鹽，一方面，改變紅黏土的礦物成分，使黏粒含量降低，土顆粒之間的連接變?nèi)?，?dǎo)致土體抗剪強度降低；另一方面，鋅鹽一般都含有結(jié)晶水，進入土體間隙后，在土顆粒之間會產(chǎn)生一種契合作用，使受到污染的土體體積增大、膨脹，而碎化成小顆粒，破壞紅黏土的結(jié)構(gòu)，減弱土顆粒間的黏聚力，降低紅黏土試樣的強度。

從膠體化學(xué)性質(zhì)的角度考慮，鋅離子水解導(dǎo)致pH下降，無定形鐵增多，粒團間膠結(jié)變?nèi)?。黏土礦物表面帶負(fù)電，一部分游離氧化鐵以“包膜狀”包裹在粒團表面，這部分游離氧化鐵膠膜帶正電。又因為粒團間膠態(tài)氧化鐵(無定形鐵)的比表面積大，具有很強的界面活性，對鋅離子有很強的吸附作用，使無定形游離氧化鐵與鋅離子形成的絡(luò)合物帶正電，這種絡(luò)合物充斥在粒團間，與粒團產(chǎn)生排斥作用，使土顆粒間的連結(jié)減弱，容易分散，使得土樣強度下降。

另外，鋅離子會引起黏粒表面雙電層厚度及化學(xué)鍵的力、離子靜電力等變化，紅黏土礦物格架中部分陽離子被鋅離子交換，使得紅黏土晶格幾何大小發(fā)生變化，改變原晶格中陽離子的位置和土顆粒表面電荷場。被交換出的陽離子進入到土顆粒孔隙中，分布于晶體邊棱上，改變顆粒單元間的相互連接，使土粒不穩(wěn)定，弱化膠結(jié)面，間距增大，接觸面積減少，摩擦阻力減小，土粒移動較易，紅黏土力學(xué)性質(zhì)降低。

3 鋅離子污染對紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的影響

土體宏觀結(jié)構(gòu)的研究主要把土的賦存狀態(tài),以及不同形狀土體和顆粒的位置、組合等作為重點研究對象，而微觀結(jié)構(gòu)的研究主要集中在土體內(nèi)部顆粒的形狀、組成和排列形式，以及礦物的晶體形狀、分布、結(jié)構(gòu)體表面的膠模性質(zhì)等。鋅離子污染后的桂林重塑紅黏土表現(xiàn)出了明顯的強度損傷，對不同摻量鋅離子污染的紅黏土試樣進行掃描電鏡試驗，以闡述鋅離子對紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的影響，分析宏觀力學(xué)性質(zhì)變化的原因。

本次試驗采用的儀器是S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，分辨率為0.2 nm，放大倍數(shù)為25～800 000倍。將紅黏土過0.5 mm篩，制成干密度為1.40 g/cm3的不同鋅離子摻量的試樣，在放大倍數(shù)為5 000倍的條件下進行掃描電鏡試驗。不同鋅離子摻量污染紅黏土微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(a) 鋅離子摻量為0% (b) 鋅離子摻量為0.1% (c) 鋅離子摻量為0.2%(d) 鋅離子摻量為0.5% (e) 鋅離子摻量為1.0%

圖4 不同鋅離子摻量污染紅黏土微觀結(jié)構(gòu)圖

由圖4a可以看出：紅黏土表面主要是由大小不一的疊片狀、塊狀單元凝聚而成。桂林市雁山區(qū)紅黏土礦物以高嶺石為主，高嶺石呈假六角片狀、假六角似板狀，大小為1～5 μm，定向或非定向充填或半充填著紅黏土儲集層的孔隙。土顆粒由游離的氧化物與水結(jié)合形成了溶膠膠體，將黏土礦物黏結(jié)形成一個整體，各單元之間堆疊、堆積，單元與單元之間空隙較小，黏土礦物充填在紅黏土顆粒的孔隙中，接觸緊密，土粒間黏結(jié)較好，凝聚力較高，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。從圖4b可以看出：摻入鋅離子后，顆粒及礦物聚合體之間的孔隙形態(tài)和大小發(fā)生變化。由圖4c～圖4e可知：隨著鋅離子摻量的增加，紅黏土結(jié)構(gòu)從致密狀態(tài)逐漸向疏松狀態(tài)過渡，土樣表面凹凸程度增加，土結(jié)構(gòu)性變差，紅黏土表面孔隙、裂隙逐漸增多，塊狀聚集體減少，散粒狀、疊片狀、扇狀、片狀單元增多，各單元以點和點接觸方式為主，土粒間的凝聚力變差，土體逐漸松散，結(jié)構(gòu)致密性也逐漸減弱。

用MATLAB軟件對重塑紅黏土掃描電鏡圖像進行處理，調(diào)整圖像的灰度級別，進而轉(zhuǎn)化成二進制圖。處理后的掃描電鏡圖像白色區(qū)域代表顆粒，黑色區(qū)域代表孔隙，通過黑色和白色所占的比例求出重塑紅黏土的孔隙率。以鋅離子摻量為0.1%、放大倍數(shù)為5 000倍為例，處理前后的掃描電鏡圖像如圖5所示，不同鋅離子摻量紅黏土的圖像處理結(jié)果如表3所示。

(a) 原圖 (b) 二進制圖

圖5 MATLAB軟件處理重塑紅黏土掃描電鏡圖片

表3 MATLAB軟件處理重塑紅黏土圖片所得數(shù)據(jù)

分形維數(shù)表現(xiàn)出觀測對象的叢集程度、不均勻性質(zhì)和集中性趨勢等，孔隙分形維數(shù)能反映孔隙的平面分布狀況。一般情況下，孔隙分形維數(shù)越大，孔隙發(fā)育越明顯，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，離散程度越高。經(jīng)過MATLAB軟件處理后，試樣的孔隙分形維數(shù)呈現(xiàn)明顯的線性特征，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)都在0.99以上，說明試驗研究的紅黏土試樣具有良好的分形特征。通過表3可以看出：紅黏土試樣在受到鋅離子污染后，隨著鋅離子摻量增加，孔隙率和分形維數(shù)增大，孔隙率和分形維數(shù)與鋅離子摻量均呈正比例關(guān)系。根據(jù)孔隙分布分維的定義，起到?jīng)Q定作用的因素主要有兩個，一是孔隙的面積，二是孔隙在平面內(nèi)的分布情況，表明試樣在受到鋅離子污染后，孔隙的分布面積變大，孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

4 結(jié)論

(1)重塑紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線主要呈應(yīng)變硬化型，抗剪強度與圍壓呈正比例函數(shù)關(guān)系，隨著鋅離子摻量的增加，圍壓對抗剪強度的影響減小。在相同圍壓的情況下，鋅離子摻量與土樣的抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角呈反比，抗剪強度與鋅離子摻量擬合系數(shù)相對較高。

(2)重塑紅黏土主要以疊片狀、塊狀單元凝聚搭建結(jié)構(gòu)骨架，隨著鋅離子摻量的增加，散粒狀、扇狀、片狀單元增多，各單元以點與點接觸為主、土顆粒孔隙增多，膠結(jié)程度變差，結(jié)構(gòu)致密性減弱。由MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)可知，鋅離子摻量和紅黏土孔隙率、分形維數(shù)呈正比例關(guān)系。

(3)鋅離子改變了紅黏土礦物成分，使黏粒含量降低，其與無定形游離氧化鐵形成的絡(luò)合物與粒團表面的氧化鐵膠膜互相排斥，產(chǎn)生的鋅鹽破壞了土顆粒之間的結(jié)構(gòu)，使紅黏土孔隙體積增大、結(jié)構(gòu)松散，降低了土顆粒之間的相互作用力，導(dǎo)致鋅離子污染桂林重塑紅黏土宏觀力學(xué)性質(zhì)的衰減。