潘 泰，趙貴濤，黃 英

(1.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院工程學(xué)院，昆明 650500；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072； 3.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明 650500)

0 引 言

云南省位于中國西南邊陲，隨著其近幾年工業(yè)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，比如，昆鋼、中石油云南煉油項(xiàng)目等重大項(xiàng)目的落成，高鐵、高速公路的快速建設(shè)，煙草、化工等傳統(tǒng)行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，云南省經(jīng)濟(jì)處于持續(xù)高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。然而，工業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的“廢氣、廢水、廢渣”在排放到周圍環(huán)境時(shí)不可避免地對周圍土體造成污染，而這種帶有酸性或堿性的污染物在與土體接觸時(shí)，會(huì)與土體中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成土體結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響土體的物理和力學(xué)性能[1-3]，從而影響土工構(gòu)筑物的安全性和穩(wěn)定性。

國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究來探明酸性或堿性條件對土體的侵蝕作用，但利用溶液pH值將酸性、堿性進(jìn)行綜合對比分析的研究較少。例如：師瑩琨等[4]研究了不同pH值養(yǎng)護(hù)環(huán)境中摻入玻璃纖維對水泥力學(xué)性能的影響；王念秦等[5]通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)研究了不同濃度鹽酸溶液對離石黃土剪切特性的影響；牟春梅等[6]研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸溶液對桂林紅黏土力學(xué)性能的影響，同時(shí)揭示了酸污染紅黏土力學(xué)效應(yīng)弱化機(jī)理；Gratchev等[7]采用剪切試驗(yàn)研究了酸濃度對原狀土強(qiáng)度參數(shù)的影響；常錦等[8]采用飽和慢剪切試驗(yàn)研究了酸雨入滲對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響；李高等[9]采用剪切和壓縮試驗(yàn)研究了遷入條件下云南堿污染紅土的工程特性；陳筠等[10]采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究了貴陽堿污染紅黏土抗剪強(qiáng)度及破裂面微觀結(jié)構(gòu)特征；李善梅等[11]研究了pH值變化對桂林紅黏土界限含水率的影響及其機(jī)理。而針對云南紅黏土在全pH值范圍包含強(qiáng)酸和強(qiáng)堿條件下以及不同酸堿作用時(shí)間的力學(xué)特性演化試驗(yàn)探究還不夠完善。

本文針對云南紅黏土，選用鹽酸(HCl)和氫氧化鈉(NaOH)對土體進(jìn)行酸堿處理，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)探究了酸堿污染紅黏土的力學(xué)特性演化規(guī)律，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了土體微觀結(jié)構(gòu)的變化，揭示了土體強(qiáng)度衰減的內(nèi)在機(jī)理。本文研究對云南地區(qū)酸堿污染條件下土工構(gòu)筑物的建設(shè)和工程病害防治與分析具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料選取與制備

1.1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自云南省昆明市呈貢大學(xué)城地下3 m左右，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)測得其基本物理性質(zhì)，結(jié)果見表1。如表1所示，該土樣的塑性指數(shù)大于17，屬于黏土。將土樣送往云南省地礦局中心實(shí)驗(yàn)室，通過化學(xué)分析試驗(yàn)測得紅黏土化學(xué)成分，結(jié)果見表2。如表2所示，該土樣的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3。

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties indexes of laterite

表2 紅黏土的化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of laterite

1.1.2 不同pH值溶液制備

將鹽酸溶液和氫氧化鈉粉末分別放入燒杯中并加入去離子水配制成pH值分別為0.5、1.6、2.6、12.0、13.0、13.8的六種溶液，考慮到昆明地下水pH值為8.2，因此另外再配制pH值為8.2的溶液模擬原狀紅黏土的酸堿度，溶液配制完成之后用保鮮膜密封備用。

1.1.3 試驗(yàn)土樣制備

將風(fēng)干、磨碎并過2 mm篩的紅黏土放置在105 ℃的烘箱中烘干處理8 h，將pH值為0.5、1.6、2.6、8.2、12.0、13.0、13.8的七種溶液分別用噴壺均勻噴灑在500 g紅黏土上，浸潤24 h后制備成含水率為28.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的濕土膏，取濕土105 g，選用擊樣法將土膏制備成干密度為1.37 g/cm3的環(huán)刀試樣，將試樣密封放置在20 ℃恒溫水箱中，其中一部分試樣用于直剪試驗(yàn)，一部分用于SEM測試。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 直剪試驗(yàn)

考慮pH值變化和酸堿作用時(shí)間兩個(gè)影響因素，確定兩種試驗(yàn)方案，具體見表3。

表3 紅黏土直剪試驗(yàn)方案Table 3 Direct shear test schemes for laterite

方案一：考慮pH值變化，選取酸堿作用時(shí)間為定值。為了讓土樣與不同pH值溶液進(jìn)行充分的化學(xué)反應(yīng)，選取酸堿作用時(shí)間3 d之后開展100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa法向應(yīng)力下的直剪試驗(yàn)，分析不同pH值下紅黏土的抗剪強(qiáng)度特征。

方案二：考慮酸堿作用時(shí)間變化，選取pH值為0.5和13.8的溶液處理后的試樣進(jìn)行100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa法向應(yīng)力下的直剪試驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[12]，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿作用下的最佳浸潤時(shí)間分別選定為18 h和24 h。然后，將制好的試樣放入恒溫水槽中，待達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定的作用時(shí)間后開展各級法向應(yīng)力下的直剪試驗(yàn)，分析不同酸堿作用時(shí)間下紅黏土的抗剪強(qiáng)度特征，需要指出的是，文中酸堿作用時(shí)間包含浸潤時(shí)間。

1.2.2 微觀結(jié)構(gòu)表征

選用美國MLA-650型掃描式電子顯微鏡觀察試樣在酸堿作用之后微觀結(jié)構(gòu)的變化。分別在直剪試驗(yàn)前后的試樣上取1～2 g進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前用液氮冷卻法去除試樣內(nèi)部水分。最后用Metlab軟件編程對微觀結(jié)構(gòu)照片進(jìn)行處理并提取特征數(shù)據(jù)，定量分析土體微觀結(jié)構(gòu)的演化。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值變化對紅黏土抗剪強(qiáng)度特性的影響

圖1 pH值對紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of pH value on shear strength of laterite

圖1給出了經(jīng)歷不同pH值酸堿作用后試樣的直剪結(jié)果，即不同pH值條件下紅黏土的抗剪強(qiáng)度及包絡(luò)線。從圖1可以看出：

(1)不同法向應(yīng)力情況下，與pH=8.2相比，隨著pH值的增大或減小，抗剪強(qiáng)度逐漸降低，pH值為8.2時(shí)試樣抗剪強(qiáng)度最大，pH值為0.5和13.8時(shí)抗剪強(qiáng)度最小。

(2)pH值為1.6、2.6、8.2、12.0、13.0時(shí)，不同法向應(yīng)力下，試樣抗剪強(qiáng)度集中分布在上方，當(dāng)酸性和堿性繼續(xù)增強(qiáng)至pH=0.5和pH=13.8時(shí)，試樣抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度衰減,即在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿情況下，紅黏土工程性質(zhì)發(fā)生劣變。

(3)定義紅黏土的加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度(τfm)如式(1)所示。相比pH值為8.2，pH值為0.5、1.6、2.6、12.0、13.0、13.8時(shí)，試樣的加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度分別減小40.6%、7.7%、3.0%、2.3%、8.7%、43.7%，且隨著酸性和堿性的增強(qiáng)，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ都逐漸減小。強(qiáng)堿條件下污染紅黏土與強(qiáng)酸條件下污染紅黏土相比，其黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均更小，即堿污染紅黏土的工程性質(zhì)更差。

(1)

式中：τfm為加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度；σ1、σ2、σ3、σ4為各級法向應(yīng)力；τf1、τf2、τf3、τf4為各級法向應(yīng)力下對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度。

2.2 作用時(shí)間變化對紅黏土抗剪強(qiáng)度特性的影響

圖2給出了不同酸堿作用時(shí)間下，pH值為0.5和13.8時(shí)，即強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度變化情況。

圖2 酸堿作用時(shí)間對紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of acid and alkali action duration time on shear strength of laterite

從圖2可以看出，pH值為0.5和13.8時(shí)，酸堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ隨著酸堿作用時(shí)間延長都逐漸減小，最后都趨于穩(wěn)定。當(dāng)pH值為0.5時(shí)，與作用時(shí)間1 d相比，作用時(shí)間為3 d、7 d、15 d、30 d時(shí)，紅黏土的加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度分別減小22.6%、37.8%、37.2%、39.3%；當(dāng)pH值為13.8時(shí)，與作用時(shí)間1 d相比，作用時(shí)間為3 d、7 d、15 d、30 d時(shí)，紅黏土的加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度分別減小32.4%、49.3%、50.3%、50.7%，由此可知酸堿污染紅黏土的加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度減小幅度在作用時(shí)間1～7 d內(nèi)較大，在作用時(shí)間7～30 d內(nèi)較小并趨于穩(wěn)定，并且堿污染紅黏土的加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度減小幅度更大。

表4給出了不同酸堿作用時(shí)間下，pH值為0.5和13.8時(shí)，即強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下，紅黏土的主要化學(xué)成分變化情況。

表4 酸堿作用時(shí)間對紅黏土主要化學(xué)成分的影響Table 4 Effect of acid and alkali action duration time on major chemical components of laterite

從表4可以看出，HCl和NaOH侵蝕紅黏土過程分為兩個(gè)階段：前期劇烈反應(yīng)階段(1～7 d)和后期穩(wěn)定階段(7～30 d)。云南紅黏土的主要礦物成分是高嶺石、褐鐵礦、石英，次要礦物是銳鈦礦、三水鋁石、蒙脫石[14]，這些礦物的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3(含量見表2)。前期劇烈反應(yīng)階段中，Al2O3、Fe2O3與HCl反應(yīng)生成AlCl3、FeCl3，SiO2、Al2O3、游離Fe2O3與NaOH反應(yīng)生成Na2SiO3、NaAlO2、Fe(OH)2，新產(chǎn)生的物質(zhì)溶解在孔隙液中，紅黏土孔隙增大，顆粒間膠結(jié)物質(zhì)減少，土體變得松散，所以紅黏土的抗剪強(qiáng)度急劇下降，SiO2在紅黏土中含量最多且只與NaOH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度減小幅度更大。后期穩(wěn)定階段中，新生成的物質(zhì)又在酸堿溶液中發(fā)生離子交換反應(yīng)生成膠體H2SiO3、Al(OH)3、Fe(OH)3，這些膠體物質(zhì)吸附在土顆粒表面穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)，同時(shí)又溶解在孔隙溶液中生成可溶鹽，最終離子平衡，抗剪強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)對抗剪強(qiáng)度變化的響應(yīng)

2.3.1 微觀結(jié)構(gòu)照片倍數(shù)選取

圖3給出了pH值為13.8時(shí)，堿作用時(shí)間為3 d的不同放大倍數(shù)下直剪試驗(yàn)前紅黏土的SEM照片。

圖3 不同放大倍數(shù)下直剪試驗(yàn)前紅黏土SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of laterite before direct shear test with different magnifications

從圖3可以看出:500倍SEM照片顯示孔隙較小，平片疊聚式粒團(tuán)和溶劑化層無法區(qū)分；2 000倍SEM照片能清晰顯示孔隙大小、土體密實(shí)情況，還能顯示較多粒團(tuán)以及粒團(tuán)間的溶劑化層；5 000倍SEM照片顯示出的孔隙較大、顆粒較少、粒團(tuán)較少；10 000倍SEM照片只能顯示出極少數(shù)粒團(tuán)和粒團(tuán)間的結(jié)構(gòu)連結(jié)。所以選擇放大2 000倍SEM照片作為研究對象。

2.3.2 不同pH值下微觀結(jié)構(gòu)對比

圖4給出了作用時(shí)間為3 d，不同pH值直剪試驗(yàn)前紅黏土的SEM照片。

從圖4可以看出，pH值為8.2時(shí)紅黏土結(jié)構(gòu)連結(jié)較強(qiáng)，平片疊聚式粒團(tuán)較多且排列整齊、緊密，pH值為0.5、2.6和13.8時(shí)酸堿污染紅黏土結(jié)構(gòu)連結(jié)較差，平片疊聚式粒團(tuán)減少且排列紊亂，其中堿污染紅黏土的平片疊聚式粒團(tuán)之間的結(jié)構(gòu)連結(jié)破壞，粒團(tuán)之間充滿溶劑化層，體現(xiàn)出較差的工程性質(zhì)，對應(yīng)了前文酸堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度較差且堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度最差的結(jié)論。

圖4 不同pH值下紅黏土微觀結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.4 Microstructure images of laterite at different pH values

2.3.3 不同作用時(shí)間下微觀結(jié)構(gòu)照片對比

圖5給出了pH值為0.5時(shí)，不同作用時(shí)間下直剪試驗(yàn)前紅黏土的SEM照片。

圖5 不同作用時(shí)間下紅黏土微觀結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.5 Microstructure images of laterite under different action duraction time

從圖5可以看出，隨著作用時(shí)間延長，酸污染紅黏土的孔隙增大，土顆粒變得分散，結(jié)構(gòu)連結(jié)變?nèi)?，平片疊聚式粒團(tuán)之間的溶劑化層增加。15 d時(shí)粒團(tuán)之間的結(jié)構(gòu)連結(jié)被破壞，粒團(tuán)表面出現(xiàn)溶劑化層，30 d時(shí)土體表面有較發(fā)育的溶劑化層，且粒團(tuán)內(nèi)部黏土礦物顆粒之間的結(jié)構(gòu)連結(jié)被破壞，土顆粒分散，土體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。此現(xiàn)象證明隨著作用時(shí)間延長，酸污染紅黏土的工程性質(zhì)變差，抗剪強(qiáng)度減小。

2.3.4 剪切前后微觀結(jié)構(gòu)對比

圖6給出了作用時(shí)間為3 d，pH值為0.5和13.8時(shí)，剪切前后紅黏土的SEM照片。

從圖6可以看出，pH值為0.5時(shí)，酸污染紅黏土剪切后，顆粒排列更加整齊，平片疊聚式粒團(tuán)更具有定向性，這是因?yàn)镠Cl溶液短時(shí)間內(nèi)只能破壞粒團(tuán)間的結(jié)構(gòu)連結(jié)，土體受到外力作用時(shí)，所有粒團(tuán)更容易朝著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。pH值為13.8時(shí)，堿污染紅黏土剪切后，平片疊聚式粒團(tuán)減少，顆粒聚集在一處，孔隙增大，這是因?yàn)镹aOH溶液短時(shí)間內(nèi)可以破壞粒團(tuán)間的結(jié)構(gòu)連結(jié)和粒團(tuán)內(nèi)部黏土礦物顆粒之間的結(jié)構(gòu)連結(jié)，土體受到外力時(shí)，顆粒更容易產(chǎn)生位移。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，堿污染紅黏土的工程性質(zhì)較差。

圖6 剪切前后紅黏土微觀結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.6 Microstructure imags of laterite before and after shearing

2.3.5 微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析

采用與文獻(xiàn)[15]相同的方法得到剪切前后紅黏土的孔隙率n和顆粒分布分維Dk。圖7給出了作用時(shí)間為3 d，pH值為0.5、2.6、8.2、13.8時(shí)，n和Dk的演化規(guī)律。

圖7 不同pH值下剪切前后紅黏土微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Fig.7 Microstructure characteristic parameters of laterite before and after shearing at different pH values

從圖7可以看出，與pH值為8.2時(shí)相比，pH值為0.5、2.6、13.8時(shí)，剪切前孔隙率n分別增加34.7%、28.4%、69.2%，剪切后孔隙率n分別增加39.3%、18.8%、49.5%，剪切前顆粒分布分維Dk分別減少11.9%、7.8%、16.1%，剪切后顆粒分布分維Dk分別減少8.3%、4.9%、11.7%。這是因?yàn)樵瓲罴t黏土的粒團(tuán)間和粒團(tuán)內(nèi)部顆粒間都有較強(qiáng)的連結(jié)，孔隙率小，土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，酸堿溶液侵蝕土體，膠結(jié)物質(zhì)減少，粒團(tuán)間和粒團(tuán)內(nèi)部顆粒間的連結(jié)被破壞后出現(xiàn)溶劑化層，孔隙變大，土體結(jié)構(gòu)被破壞，受到外力作用時(shí)，土顆粒易發(fā)生位移聚集在一處。

3 結(jié) 論

(1)與pH值為8.2下相比，隨著pH值升高或者降低，紅黏土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)溶解在孔隙液中，土體結(jié)構(gòu)受到破壞，土顆粒間的內(nèi)摩阻力減小，酸堿污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ都逐漸減小。

(2)pH值為0.5和13.8時(shí)，隨著酸堿作用時(shí)間延長，HCl和NaOH侵蝕紅黏土過程分為兩個(gè)階段：前期劇烈反應(yīng)階段和后期穩(wěn)定階段。前期紅黏土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)與酸堿溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，抗剪強(qiáng)度減小幅度較大，后期離子平衡，抗剪強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)對酸堿污染紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)照片和特征參數(shù)分析，證實(shí)酸堿污染紅黏土抗剪強(qiáng)度變差是酸堿溶液侵蝕土體結(jié)構(gòu)所致。

(4)堿污染紅黏土與酸污染紅黏土相比較，前者工程性質(zhì)更差，抗剪強(qiáng)度較小，土體結(jié)構(gòu)連結(jié)較弱。