堿性固化材料對紅土地基的化學(xué)侵蝕

楊華舒，楊宇璐，閆毅志，王毅，汪皓，胡應(yīng)庭

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650051；2.中國中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，云南昆明 650200）

為了降低挖、填工程量，在高邊坡、土壩等項目中采用輔料固化的措施盛行，在許多工程上也確實起到了一定的作用.巖土工程中使用的加固材料品種較多，其目的都是為了提高土工材料的強度，涉及水工用途時還須考慮防滲或排水效果.在加固材料的選擇過程中，親和性、強度、密度、經(jīng)濟評價等均得到了重視，然而卻極少考慮輔料對主材的緩慢化學(xué)影響，以致采用堿性材料來加固酸性主材的工程大量存在.

紅土是我國南方普遍采用的弱酸性建筑主材，在筑路、塘堰、堤壩等工程中得到了長期且極為廣泛的應(yīng)用，如國內(nèi)最大的土石壩——云南糯扎渡電站大壩的壩殼及心墻主料均使用紅土.沿用至今的土壩內(nèi)部防滲加固技術(shù)，主要包括水泥－黏土灌漿、高壓旋噴、混凝土防滲墻等，而土質(zhì)壩坡、高邊坡則大多采用石灰、水泥等堿性材料以增穩(wěn)抗滑.然而，許多大壩安全鑒定的實踐已經(jīng)表明，實施于紅土類工程的上述加固措施，其返修周期較短、長期效益普遍較低.以云南大姚縣龍林水庫為例［1］：2001年2～5月大壩采用水泥漿實施帷幕灌漿加固，當(dāng)年汛期滲流檢驗合格；2003年7月地震后隨即發(fā)現(xiàn)比灌漿前更大的滲漏，并出現(xiàn)流土險情，經(jīng)安全鑒定已劣化為三類險壩.200余萬元的國債資金只“加固”了這個?。ㄒ唬┬退畮齑髩?年，使灌溉用水的成本評價劇增到令人無法接受的3139元／m3.

由于酸性土質(zhì)和腐殖質(zhì)的長期作用，紅土徑流區(qū)域內(nèi)的山區(qū)庫水實測均呈弱酸性.弱酸性水的去硅作用比堿性水強得多，故堿性材料將明顯抑制土體的典型紅化.紅土壩料、庫水均顯弱酸性，而前述的固化材料則呈強堿性，酸堿材料接觸帶附近的緩慢化學(xué)反應(yīng)終將導(dǎo)致材料由表至內(nèi)逐漸發(fā)生質(zhì)變.本課題組針對現(xiàn)場抽樣，從化學(xué)和細(xì)觀視角研究紅土主材與堿性輔料的相互作用、分析支撐材料工程指標(biāo)的相關(guān)離子的變異滲出趨勢，以期弄清堿性固化后紅土強度及其防滲指標(biāo)的演變劣化機制.這對于延長紅土地基的壽命、防范潰塌災(zāi)難均具有明顯的理論價值和現(xiàn)實意義.

1 工程病因的原型探析

結(jié)合本課題組承擔(dān)的大壩安全鑒定任務(wù)，對紅土各區(qū)域內(nèi)曾經(jīng)采用水泥帷幕灌漿的冶礦基、乍利坡、王幺、田龍覃、團(tuán)壩、龍林等病險水庫的壩基進(jìn)行了鉆探取樣及原型試驗，并對其正常壩體與破壞部位的顆粒級配和有效離子等進(jìn)行了對比分析.限于篇幅僅以龍林水庫的壩基為例：該壩滲透破壞的主因是防滲帷幕震斷裂；其次是紅土、水泥漿組成聯(lián)合帷幕的顆粒級配失衡，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)后細(xì)顆粒迅速流失、隨后較粗的顆粒也被滲水帶出，已經(jīng)形成2條明顯的滲漏通道.由于顆粒級配是巖土工程防滲及排水安全的重要指標(biāo)，硅、鋁則是構(gòu)成紅土強度的主要物質(zhì)和黏合原料，因此對大壩抽樣的紅土進(jìn)行了相應(yīng)的檢定分析.表1是壩基帷幕裂縫處的鉆孔取樣與帷幕正常滲流部位同高程芯樣的顆粒含量、滲液中的離子濃度檢測結(jié)果.由于測試所需材料乃是與混合帷幕相接觸的紅土，故將鉆孔芯樣中的較淺色凝固部分（帷幕殘余）剔除，用剩余的土樣按規(guī)范進(jìn)行測試.顆粒采用常規(guī)手段篩分，硅酸根濃度采用硅鉬黃法檢測，鋁離子的測試主儀器型號為FLA－33M.

水泥、石灰等常用的堿性加固材料水化后均生成大量的強堿Ca（OH）2.用化學(xué)理論分析表1可知：

表1 紅土基礎(chǔ)劣化要素的檢測Table 1 Test of deteriorated essentials on laterite bedrock

（1）芯樣GK2－4和GK3－7位于壩基堿性帷幕的裂縫處.Ca（OH）2與Al2O3反應(yīng)生成的Ca（AlO2）2溶于水后流失；Ca（OH）2與非晶類SiO2反應(yīng)生成的CaSiO3粉質(zhì)沉淀，也被壓力滲流帶出.因此芯樣中小于0.005mm 的黏粒和小于0.01mm 的細(xì)顆粒損失較多，大于0.075mm 的粗顆粒比例明顯增加；采用芯樣進(jìn)行蒸餾水常規(guī)滲透試驗后收集的全部滲出液中，鋁離子和硅酸根的濃度也少于無堿環(huán)境的ZK3－4芯樣.

（2）芯樣GK7－4和ZK3－3位于壩基堿性帷幕的正常滲流部位.由于未出現(xiàn)異常滲流通道，酸堿化學(xué)反應(yīng)逐漸生成的Ca（AlO2）2和CaSiO3得以較多存留.采用芯樣進(jìn)行蒸餾水常規(guī)滲透試驗后收集的全部滲液中，鋁離子和硅酸根的濃度明顯高于無堿環(huán)境的ZK3－4芯樣，但這2個芯樣中的黏粒因化學(xué)反應(yīng)被消耗，其含量則明顯少于無堿環(huán)境的ZK3－4芯樣.

（3）雖然處于同樣的荷載壓力和庫水環(huán)境，經(jīng)歷了同樣的運行和滲流時間，但在表1中無堿環(huán)境的芯樣ZK3－4所代表的紅土地基，其顆粒級配和支撐離子所構(gòu)成的滲流條件均明顯優(yōu)于曾被堿性加固的部位.

在水庫現(xiàn)場進(jìn)行的原型壓水試驗進(jìn)一步證實：孔位GK2－4和GK3－7透水率高達(dá)139.30Lu，由于帷幕斷裂形成了滲漏通道，實際上已經(jīng)出現(xiàn)了局部滲透破壞.孔位GK7－4和ZK3－3的透水率亦明顯較大（19.69Lu），其所在的水泥帷幕雖未斷裂，但由于長期的酸堿反應(yīng)消耗了較多的硅溶膠、氧化鋁和黏粒礦物，紅土顆粒的包裹層劣化、填充物減少、顆粒間的結(jié)合力顯著下降，這導(dǎo)致堿性帷幕與酸性紅土之間的親和性變差、出現(xiàn)漏水間隙.無堿環(huán)境的同高程壩基孔位ZK3－4的透水率則僅有3.39Lu，相較于前述兩類酸堿混合帷幕的滲流數(shù)據(jù)，未被堿性材料加固的地基所保持的防滲指標(biāo)顯然更具優(yōu)勢.

2 建材互損的化學(xué)分析

主體材料與加固材料之間的相互化學(xué)作用和物理效應(yīng)，是決定巖土工程遠(yuǎn)期質(zhì)量和經(jīng)濟壽命的重要因素.欲弄清紅土與堿性材料的互損破壞機理，必須分別討論其化學(xué)性質(zhì)以及反應(yīng)生成物的工程特性.

2.1 化學(xué)環(huán)境與膠結(jié)效應(yīng)

由于集中排放的污水中含有較多的堿金屬離子，因此在城市附近的水域多呈堿性.但病險較為嚴(yán)重、亟待除險加固的土石壩水庫大多位于邊遠(yuǎn)山區(qū)，這些地區(qū)的污染物相對少而分散.由于紅土區(qū)域內(nèi)的徑流水都呈弱酸性，土壩由酸性紅土填筑，水庫底部淤積的腐殖質(zhì)發(fā)酵生成的有機酸、硫化氫等均酸性較強，因此紅土山區(qū)水庫的水質(zhì)呈弱酸性且pH值仍逐年緩慢下降、底層水的酸度較高，其實測值如表2所示.

表2 紅土山區(qū)水庫中水的pH 值Table 2 Water pH value of reservoir in laterite mountainous area

筑壩紅土的全剖面呈酸性，其pH 值為5.0～5.5.紅土中的硅，主要以二氧化硅、硅酸根離子、各級硅酸氫根離子的形式共同存在.其中的無定形二氧化硅長期演變而成的水合物是硅酸，H4SiO4溶液能沉淀出具有顯著凝結(jié)功能的硅溶膠（mSiO2·nH2O）.無定形二氧化硅易溶于堿，堿中可溶性硅酸可達(dá)50%～80%［2］.紅土中主要的兩性氧化物Al2O3亦能與堿緩慢反應(yīng)生成偏鋁酸鹽.地基和壩體紅土中起著重要作用的黏粒，在常溫下呈弱酸性（pH＝5.8～6.2）、具有聚團(tuán)效應(yīng)，呈堿性時則趨于離散效應(yīng).

紅土中水介質(zhì)的pH 值是促使黏土礦物與游離氧化鐵等之間產(chǎn)生吸附作用的主要原因，自然環(huán)境下紅土中水介質(zhì)的pH 值約為6～7.膠體化學(xué)認(rèn)為：當(dāng)某種物質(zhì)所處的介質(zhì)pH 值小于它的等電pH 值時，該物質(zhì)表面將帶正電；當(dāng)介質(zhì)pH 值大于它的等電pH 值時，該物質(zhì)表面帶負(fù)電［3］.黏土礦物的等電pH 值為2～5，小于紅土中水介質(zhì)的pH 值，而倍半氧化物的等電pH 值為7～8，大于紅土中水介質(zhì)的pH 值.所以，土中的游離氧化鐵、氧化鋁等表面帶正電，而黏土礦物表面帶負(fù)電，靜電引力促使它們相互吸引而緊密結(jié)合，這正是紅土具有水穩(wěn)膠結(jié)效果的又一原因.

2.2 紅土與堿性材料的作用

堿性加固材料較多，限于篇幅在此僅討論具有典型意義的水泥和石灰.這2種材料在水化后都生成大量的Ca（OH）2，而鈣是比鈉還要活躍的堿金屬，因此Ca（OH）2比燒堿的堿性更強烈.在水工條件下，Ca（OH）2與作為建材主體的紅土之間產(chǎn)生了長期的緩慢互損，分析如下：

（3）導(dǎo)致離散效應(yīng).Ca（OH）2屬于強堿，在長期壓力作用下，堿性物質(zhì)逐漸與紅土顆粒中的水介質(zhì)融和并增大水介質(zhì)的pH 值.當(dāng)水介質(zhì)的pH 值超過倍半氧化物的等電pH 值后，游離氧化鐵、氧化鋁等均帶負(fù)電，從而與黏粒礦物同電性相排斥.這一結(jié)果將直接劣化紅土主料的凝聚性能.

（4）固化材料也遭受酸性侵蝕.在長期的有壓多酸環(huán)境中，堿性加固材料中的氫氧化鈣、碳酸鈣、鋁酸鈣等逐漸演變成易溶于水的Ca（ClO3）2，Ca（ClO）2，Ca（NO3）2，微溶于水或粉末狀的Ca3（PO4）2，CaSO4，CaSO3等混合物，并被長期的壓力滲流帶出，致使細(xì)觀滲流通道逐年增多增大.

3 對比試驗與分析

為驗證上述理論分析結(jié)論的客觀存在，設(shè)計了土工試驗以對比紅土建材在化學(xué)反應(yīng)前后的主要指標(biāo)；定量檢測了滲出的特征離子以確認(rèn)化學(xué)反應(yīng)的生成物.主要試驗步驟：（1）以擊實試驗等檢驗土樣，并獲得壩基紅土的基礎(chǔ)資料.（2）用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀制備土樣，考慮到規(guī)律性研究的需要，進(jìn)行6組浸泡對比；每組試樣的制備個數(shù)均考慮了5次平行試驗、間隔3月的重復(fù)試驗，以及各種試驗的破壞性和復(fù)用情況等需要.（3）Ca（OH）2的飽和溶解度較低，為保證化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，過飽和乳濁液中的Ca（OH）2含量分別為：0，10，30，60，90，130g／L.（4）將環(huán)刀土樣的兩面綁上透水石，編號后分別放入上述6種浸泡液之中，在70℃恒溫下連續(xù)密閉浸泡45d.（5）除了顆粒級配試驗所需的土樣外，其余土樣進(jìn)行連續(xù)5d的常規(guī)滲透試驗，分別收集所有滲水并編號備測.（6）進(jìn)行其他主要的水工指標(biāo)試驗、電鏡分析、特征離子檢測.

3.1 巖土工程主要的支撐指標(biāo)對比

堿性材料主要通過Ca（OH）2等強堿對紅土地基產(chǎn)生緩慢的長期破壞.鑒于自然界淡水中的硅、鋁已經(jīng)飽和［6］，為了測定紅土中硅、鋁的損失，采用蒸餾水為試驗基液.為了在有限的時間內(nèi)再現(xiàn)紅土被堿性材料侵蝕若干年的效果，采用Ca（OH）2過飽和恒溫乳液來模擬堿性材料，即應(yīng)用壽命加速原理進(jìn)行試驗.

將重復(fù)試驗結(jié)果按規(guī)程處理后，歸納如圖1～3所示.圖中：K 為土體的滲透系數(shù)，F(xiàn) 為滲蝕粉土含量，IP為塑性指數(shù)，α為壓縮系數(shù)，C 為凝聚力，γ為相對密度，φ為內(nèi)摩擦角，N 為黏粒含量，IL為液性指數(shù).其中的術(shù)語符合常規(guī)：滲蝕粉土指紅土壩料中粒徑d＝0.05～0.005mm 且Ip≤10的部分；黏粒即粒徑d＜0.005mm 的紅土細(xì)顆粒.

顯然，圖1～3中各曲線與參加反應(yīng)的Ca（OH）2含量關(guān)系明顯：

（1）當(dāng)Ca（OH）2含量增加時，K，α，IL，F(xiàn) 隨之增大，這證明化學(xué)反應(yīng)使得孔隙增加、含水率增大、易滲出的顆粒增多、細(xì)觀管涌增多增大.

（2）隨著化學(xué)反應(yīng)逐漸發(fā)展而降低的γ，φ，C，IP，N 等，表明了土體因細(xì)顆粒流失而出現(xiàn)了細(xì)觀架空、可塑性和承載力降低、抵抗?jié)B透壓力的性能變差.

（3）在滲流試驗中出現(xiàn)較多Ca（OH）2浸泡土樣的K 值先小后大的現(xiàn)象，從另一個側(cè)面確認(rèn)了堿性材料使得紅土中的細(xì)小非黏性粉土逐漸增多，粉土被壓力滲水帶出的事實.

綜上可知，物理力學(xué)試驗所得結(jié)果與前述互損化學(xué)分析的結(jié)論相同.

3.2 支撐物質(zhì)的損失分析

前人的研究成果均證實：SiO2，Al2O3是紅土最主要的成分，TiO2與其內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系密切，F(xiàn)e和Al的氧化物則是紅土凝聚力C 的重要來源［3，5］.為此，在前述滲流試驗中將各試樣的全程滲水分別收集并編號，按相關(guān)規(guī)程處理后，檢測其中的硅、鋁、鈦、鐵離子含量，以證實酸堿反應(yīng)導(dǎo)致紅土中支撐物質(zhì)變質(zhì)流失的論點.浸泡液和滲透試驗均以蒸餾水為基液，故滲出液中的硅酸根也可定量測試.硅酸根濃度采用硅鉬黃法檢測，鋁、鐵、鈦離子的測試主儀器型號為FLA－33M.同種紅土試樣經(jīng)各種濃度的Ca（OH）2過飽和乳液密閉恒溫浸泡45d并進(jìn)行滲透試驗后，滲液中檢出的離子含量如圖4，5所示.

收集的滲透全液中，離子濃度的變化規(guī)律顯著.分析圖中各曲線可知：

（1）鑒于測試過程的誤差難以避免，故認(rèn)定滲液中的鐵離子濃度無變化.這是因為堿性物質(zhì)不能與鐵的氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的緣故.

（2）鋁離子濃度與參加反應(yīng)的氫氧化鈣含量關(guān)系密切、且檢出較多.這是由于紅土中的Al2O3與Ca（OH）2反應(yīng)，生成了可溶于水的Ca（AlO2）2，被滲透試驗的滲液帶出.測試結(jié)果表明：堿性物質(zhì)確實消耗了支撐紅土地基指標(biāo)的Al2O3.

（3）鈦離子的檢出量雖不大但趨勢明顯，證實Ca（OH）2與紅土的支撐物質(zhì)TiO2也發(fā)生了反應(yīng)，不過生成的CaTiO3量較少且溶解度很低.

酸堿反應(yīng)中生成的CaTiO3屬于非黏性粉末，極易被壓力滲水帶出，從而使紅土結(jié)構(gòu)的密實度和摩擦角逐漸下降；黏粒因較細(xì)而比表面積較大，作為其主要成分的Al2O3更易參加化學(xué)反應(yīng)，因此黏粒解構(gòu)較多.這意味著與堿性物質(zhì)相接觸的紅土，因上述化學(xué)反應(yīng)使得黏聚力逐漸下降，沙質(zhì)粉土化將緩慢顯現(xiàn)；無定形SiO2變質(zhì)流失，則降低了紅土結(jié)構(gòu)的強度，并在接觸部位與堿性材料發(fā)生離析，紅土地基將由于支撐物質(zhì)的變質(zhì)而產(chǎn)生細(xì)觀裂隙，并由于滲流帶走了化學(xué)產(chǎn)物和細(xì)顆粒而逐漸造成滲透破壞.

4 結(jié)語

在紅土徑流區(qū)域內(nèi)的山區(qū)水質(zhì)顯酸性，作為巖土工程主體材料的紅土亦全剖面呈酸性.采用堿性材料加固大壩或路橋的紅土地基，將增大接觸帶紅土中水介質(zhì)的pH 值，致使黏粒礦物與倍半氧化物同電性相排斥；酸堿化學(xué)反應(yīng)還將消耗紅土中的硅溶膠、氧化鋁等黏結(jié)物質(zhì)，同時堿性材料也將遭受有壓多酸水土環(huán)境的侵蝕.化學(xué)反應(yīng)的生成物或溶于水、或沉淀為非黏性粉末，終將逐漸被滲水帶出而形成細(xì)觀通道；化學(xué)反應(yīng)和壓力滲流的聯(lián)合作用，還將使得土顆粒的包裹層、膠結(jié)物緩慢溶蝕，顆粒間的填充物逐漸滲出而致級配失衡.因此紅土地基的強度、抗?jié)B能力都將被堿性物質(zhì)緩慢破壞.

以紅土為主材的結(jié)構(gòu)，總體上屬于酸性環(huán)境，理論分析及試驗研究均確認(rèn)了堿性物質(zhì)與紅土主材之間的緩慢長期互損.因此，若選擇堿性材料對紅土地基實施加固，就必然在酸堿材料的接觸帶及其鄰域上從細(xì)至大、從外至內(nèi)緩慢侵蝕紅土顆粒；相應(yīng)地，堿性加固材料也將逐漸被酸性水土所解構(gòu).由于紅土徑流區(qū)域內(nèi)的水土酸性并不太強烈，這些化學(xué)反應(yīng)在短時間內(nèi)僅憑肉眼或許難以發(fā)現(xiàn)，但對于耗資較大的路橋邊坡、河堤大壩等紅土地基而言，由于這類盲目加固而導(dǎo)致建筑物的返修期太短、經(jīng)濟壽命劇減的教訓(xùn)已經(jīng)很多，建議予以足夠的重視.

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