金屬陽離子對(duì)黃土強(qiáng)度及塑性的影響研究

任曉亮 蔣希雁 張雷剛

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

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金屬陽離子對(duì)黃土強(qiáng)度及塑性的影響研究

任曉亮 蔣希雁 張雷剛

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

黃土在我國(guó)華北地區(qū)分布廣泛，同時(shí)在黃土區(qū)建設(shè)有相當(dāng)數(shù)量的垃圾填埋場(chǎng).本文選用不同濃度銅離子污染液作為代表污染物，黃土作為污染對(duì)象，對(duì)污染前后的黃土進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和塑性指標(biāo)試驗(yàn)，從中分析研究陽離子污染物對(duì)黃土的強(qiáng)度和塑性的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，陽離子對(duì)黃土強(qiáng)度有明顯的強(qiáng)化作用，其中粘聚力和摩擦角都有所提高.在以后的工程實(shí)踐中應(yīng)該加以重視并根據(jù)污染物價(jià)態(tài)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正.污染后的黃土塑性指數(shù)IP有所降低，且塑限變化大于液限變化.總體而言，陽離子對(duì)黃土強(qiáng)度和塑性均產(chǎn)生影響.

垃圾填埋場(chǎng)；黃土；金屬陽離子；強(qiáng)度；塑性

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化的大勢(shì)所趨，隨之產(chǎn)生大量的生活，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的污染.我國(guó)處理生活垃圾的主要方法是衛(wèi)生填埋法，通過衛(wèi)生填埋法處理[1-2]的垃圾占處理垃圾總量的90%以上，此辦法比較其他方面有很多優(yōu)點(diǎn)[3].在我國(guó)，有許多垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)在黃土區(qū)且我國(guó)規(guī)范對(duì)垃圾填埋場(chǎng)地基的要求只是針對(duì)地基未被污染的情況.而且垃圾填埋場(chǎng)在投入使用后很難再進(jìn)行修復(fù).綜上所述，有必要對(duì)垃圾填埋場(chǎng)污染后的情況進(jìn)行研究.在設(shè)計(jì)中預(yù)先考慮到滲濾液作用下垃圾填埋場(chǎng)可能發(fā)生的變化，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，確保垃圾填埋場(chǎng)的安全使用.

為解決這一問題，眾多學(xué)者根據(jù)填埋場(chǎng)的實(shí)際情況，進(jìn)行了大量的試驗(yàn).其中，張曉璐[4]進(jìn)行了酸、堿污染土的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，酸堿污染液對(duì)淤泥質(zhì)粘土的強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力C有增強(qiáng)的作用；寇乃羽等[5]研究了表面活性劑對(duì)黃土強(qiáng)度的影響，得到了表面活性劑對(duì)黃土強(qiáng)度有弱化作用；唐曉武等[6]進(jìn)行了吸附離子對(duì)粉質(zhì)粘土及改良土特性的影響研究，得到吸附離子對(duì)粉質(zhì)粘土強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力和內(nèi)摩擦角有增強(qiáng)的作用；何斌等[7]則針對(duì)有機(jī)質(zhì)污染物研究了洗衣粉對(duì)土體的塑性等指標(biāo)，得到了洗衣粉對(duì)土體液、塑限影響的經(jīng)驗(yàn)公式.

本文選用具有代表性離子溶液(CuSO4溶液)作為污染物，以張家口地區(qū)黃土作為污染對(duì)象，對(duì)污染后的黃土進(jìn)行制樣并進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)并測(cè)定其液、塑限變化情況，并分析此現(xiàn)象原因.

1 試樣的基本物理性質(zhì)

1.1 試驗(yàn)土樣

表1 黃土CL的基本物理性質(zhì)

1.2 污染土樣制備

CL經(jīng)自然風(fēng)干后，用木碾碾散，過5 mm篩，經(jīng)105 ℃烘干后，保存到密封塑料袋中，本文所用土樣

表2 污染液濃度

均用此土重塑樣.而后按照擊實(shí)試驗(yàn)[8]測(cè)得的最優(yōu)含水率，用純水和CuSO4溶液配制成濕土樣，靜置24小時(shí)后，三軸試樣的制備方法是將濕土在三瓣模中擊實(shí)至最大干密度.所用CuSO4溶液濃度如表2所示.

2 硫酸銅污染液對(duì)土體強(qiáng)度的影響

將試樣分別在100 KPa、200 KPa和300 KPa圍壓下進(jìn)行不固結(jié)不排水(UU)三軸試驗(yàn)，剪切應(yīng)變速率為0.8 mm/min.試驗(yàn)結(jié)果如圖1、2所示.

2.1 Cu2+對(duì)黃土強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，在試驗(yàn)所涉及的CuSO4污染液濃度范圍內(nèi)，試驗(yàn)所用黃土的粘聚力C隨污染液濃度的升高均有不同程度的增長(zhǎng).具體表現(xiàn)為該黃土的粘聚力C從未污染時(shí)的62.03 KPa增大到受CuSO4污染液污染后的134.67 KPa.

粘聚力增長(zhǎng)是因?yàn)镃uSO4污染液進(jìn)入到黃土內(nèi)部，與黃土中的鹽類物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，膠結(jié)作用得到增強(qiáng)，同時(shí)溶液中的Cu2+與黃土中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生離子交換作用，生成穩(wěn)定的復(fù)合體，對(duì)粘聚力增長(zhǎng)具有促進(jìn)作用.

圖1 黃土土樣粘聚力C與CuSO4 圖2 黃土土樣摩擦角φ與CuSO4

從圖2可以看出，在試驗(yàn)所涉及的CuSO4污染液濃度范圍內(nèi)，試驗(yàn)所用黃土的摩擦角φ隨污染液濃度的增大而有所增長(zhǎng).從增長(zhǎng)幅度上看，摩擦角的增長(zhǎng)比率小于粘聚力的增長(zhǎng)比率.具體表現(xiàn)為摩擦角從未被CuSO4污染液污染時(shí)的30.05°增長(zhǎng)到被污染后的33.57°.

摩擦角的增長(zhǎng)是由于黏聚作用和顆粒之間的引力使土顆粒變粗，鑲嵌作用增強(qiáng)，致使當(dāng)進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，顆粒間的摩擦力和咬合力都得到增強(qiáng).

黃土被CuSO4污染液污染后，總體上可以看出，對(duì)強(qiáng)度的影響是有利的，同時(shí)可以看出CuSO4濃度從0到0.75 mol/L之間，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)是較明顯的；CuSO4濃度從0到0.5 mol/L之間，粘聚力的增長(zhǎng)較快，而后影響則變小.

把黏聚力和摩擦角在4種濃度下的強(qiáng)度指標(biāo)取均值，可以較為直觀地看到污染前后的變化情況，具體見表3，對(duì)黃土來說，CuSO4污染液污染后，雖然摩擦角增長(zhǎng)幅度不大(只增加2.61°)，但黏聚力會(huì)卻有很大程度的增長(zhǎng)(51.85 kPa).

表3 銅離子對(duì)黃土強(qiáng)度指標(biāo)影響情況

2.2 Cu2+離子影響土體強(qiáng)度結(jié)果分析

由于污染液的影響，污染液中的離子可以通過離子吸附與離子交換作用與粘土顆粒發(fā)生反應(yīng)(這里主要是Cu2+)，導(dǎo)致顆粒表面的雙電層厚度變薄，孔隙減小，有效接觸面積增大最終使土顆粒間的作用力增強(qiáng)，最終使得土體的強(qiáng)度增強(qiáng).

所以，在垃圾填埋場(chǎng)投入使用后，有必要對(duì)填埋場(chǎng)中襯墊結(jié)構(gòu)使用的粘性土材料在污染液作用下的強(qiáng)度變化進(jìn)行研究，從而采取及時(shí)合適的措施確保填埋場(chǎng)的安全性和穩(wěn)定性.這對(duì)填埋場(chǎng)襯墊層的邊坡穩(wěn)定性具有重要意義.

3 硫酸銅污染液對(duì)土體塑性的影響

使用光電式液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀，測(cè)定未被污染和被不同濃度CuSO4污染液污染的黃土土樣的液、塑限.液、塑限測(cè)定結(jié)果與塑性指數(shù)計(jì)算結(jié)果分別示于圖3和圖4中.

3.1 Cu2+對(duì)黃土塑性影響效果

由圖3可以看出，CuSO4污染土體的液、塑限均隨污染液濃度的增加而增加.當(dāng)CuSO4污染液濃度較低時(shí)(<0.25 mol/L)時(shí)，無污染土的液、塑限小于CuSO4污染土的液、塑限；具體表現(xiàn)為液限從25.2%上升到28.17%，塑限從12.3%上升到15.23%.當(dāng)CuSO4污染液濃度較高時(shí)(>0.25 mol/L)時(shí)，較CuSO4污染液濃度為0.25 mol/L時(shí)的液限，此時(shí)液限則開始下降，塑限則仍在上升，但上升的幅度較之前變小.具體表現(xiàn)為液限從28.17%下降到25.45%，塑限從15.23%上升到17.23%.

由圖4可以看出，CuSO4污染土體的塑性指數(shù)隨CuSO4污染液濃度的增加而降低.具體表現(xiàn)為CuSO4污染液濃度較低時(shí)(<0.25 mol/L)，CuSO4污染液濃度對(duì)黃土的塑性指數(shù)Ip影響較小，且呈上升趨勢(shì)；具體表現(xiàn)為塑性指數(shù)Ip從12.9%上升到12.94%.CuSO4污染液濃度較高時(shí)(>0.25 mol/L)，CuSO4污染液濃度對(duì)黃土的塑性指數(shù)Ip影響較大，且呈下降趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為塑性指數(shù)Ip從12.94%下降到8.22%.

圖3 CuSO4污染土液、塑限與CuSO4 圖4 CuSO4污染土塑性指數(shù)與CuSO4

如圖5所示，本文通過繪制Cu2+對(duì)黃土塑性指數(shù)影響趨勢(shì)線反映了其影響程度.Cu2+對(duì)黃土塑性指數(shù)的影響呈對(duì)數(shù)趨勢(shì).Cu2+影響趨勢(shì)線為Ip=-3.61Ln(n0)+7.95，R2=0.974.可以看出Cu2+對(duì)黃土的塑性影響較為明顯，擬合效果很好.

3.2 Cu2+影響黃土塑性理論分析

根據(jù)液、塑限試驗(yàn)數(shù)據(jù)和污染物離子特點(diǎn)進(jìn)行分析.影響試驗(yàn)黃土粘性和塑限的主要因素是進(jìn)入土中的離子對(duì)粒間作用力的影響，實(shí)現(xiàn)的主要途徑是粘土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層[9]結(jié)構(gòu).帶有負(fù)電荷的粘土顆粒表面，將溶液中的陽離予和極性水分子通過靜電引力吸附至顆粒表面.常用的描述粘土顆粒表面離子分布性狀的理論Gouy-Chapman理論.

根據(jù)Gouy-Chapman擴(kuò)散雙電層理論，雙電層厚度與濃度、離子價(jià)、介電常數(shù)、溫度等有關(guān)，表示此關(guān)系的關(guān)系式為：

圖5 Cu2+濃度與塑性指數(shù)關(guān)系的擬合曲線

D為介電常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)，erg/K；T為熱力學(xué)溫標(biāo)，K；n0為溶液濃度，mol/L；e為電子電荷，1.6×10-6C；ν為與粘土顆粒表面電荷符號(hào)相反的離子的價(jià)態(tài).

在本試驗(yàn)中，主要研究Cu2+對(duì)黃土特性的影響，本試驗(yàn)取較為常見的Cu2+進(jìn)行研究分析，由于雙電層結(jié)構(gòu)的存在，粘土顆粒表面的可交換離子與污染液中的Cu2+發(fā)生交換作用，由于Cu2+價(jià)態(tài)較高，根據(jù)關(guān)系式2-1，雙電層厚度變薄，吸附水膜層數(shù)減少，塑性指數(shù)變小.

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)理論進(jìn)行分析，說明金屬陽離子對(duì)黃土強(qiáng)度和塑性有直接影響，并得到以下主要結(jié)論：

(1)Cu2+對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度具有促進(jìn)作用，試驗(yàn)結(jié)果表明粘聚力和摩擦角都有所增大，其中，粘聚力有顯著的增大，摩擦角增大比率小于粘聚力增大比率.該結(jié)果在垃圾填埋場(chǎng)的使用過程中是有利的.

(2)通過對(duì)Cu2+污染黃土進(jìn)行液、塑限測(cè)定，測(cè)定結(jié)果顯示，污染黃土的塑限有所增長(zhǎng)，而液限增長(zhǎng)幅度較小，變化幅度相差不大.最終導(dǎo)致塑性指數(shù)減小.該結(jié)果將減弱地基土對(duì)污染液的吸附作用，影響填埋場(chǎng)的安全性.

(3)由于上述影響的實(shí)際存在，在以后的工程實(shí)踐中應(yīng)該加以重視并根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，以確保垃圾填埋場(chǎng)的長(zhǎng)期安全使用.同時(shí)垃圾污染液對(duì)黃土的作用比較復(fù)雜，尤其是多種離子對(duì)土體同時(shí)作用時(shí)，其對(duì)填埋場(chǎng)的影響十分復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究.

[1]陳希翌.貴陽市高雁垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理現(xiàn)狀分析及優(yōu)化過程研究[D].貴陽：貴州大學(xué)，2010，3～7

[2]張賀.垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理技術(shù)研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2014，5～11

[3]呂揚(yáng).粘土襯墊層截污性能的試驗(yàn)研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2008,4～6

[4]張曉璐.酸、堿污染土的試驗(yàn)研究[D].南京：河海大學(xué)，2007，41～43

[5]寇乃羽.表面活性劑對(duì)黃土和膨潤(rùn)土力學(xué)及環(huán)境土工特性的影響[D].杭州：浙江大學(xué)2011,20～24

[6]唐曉武，應(yīng)豐，寇乃羽，王周慶.吸附離子對(duì)粉質(zhì)粘土及改良土特性的影響[J].巖土力學(xué)，2010，31(8):2519～2522

[7]何斌，韓鵬舉，齊園園，白曉紅.洗衣粉污染土壓縮特性及電阻率的試驗(yàn)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，46(2):211～213

[8]中華人民共和國(guó)水利部.GB/T50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版，1999：52～56

[9]葉為民，黃偉，陳寶,等.雙電層理論與高廟子膨潤(rùn)土的體變特征[J].巖土力學(xué)，2009，3(7):1989～1903

Study on Effect of Metal Cations on the Strength and Plasticity of Loess

RENXiao-liang，JIANGXi-yan,ZHANGLei-gang

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

The cohesive soil is mainly used in landfill.The loess is more than the cohesive soil in parts of our country.If the loess can replace cohesive soil,it will alleviate the problem of limited cohesive soil in some parts.Loess with different concentrations cupric ion has been investigated in this paper.Shear strength test and plastic index test of the polluted loess are conducted to research the influence of cations pollutants on the strength and plasticity characteristics of loess.It has been proved that the cations can intensify the loess,and cohesion and friction angle are increased.Thus,revising the mechanical parameters of loess is needed.Loessal plasticity index has decreased after being polluted by cationic and the plastic limit is greater than the liquid limit.In a word,cationic has impact on loess strength and plasticity.

landfill;loess;metal cation;strength;liquid;plastic limit

2016-03-17

任曉亮(1990-)，碩士研究生，從事環(huán)境巖土工程研究.

TU 411

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