酸雨對河道淤泥氣泡混合土工程性質的影響

夏磊 顧歡達

摘 要：通過滲濾法考察模擬酸雨對河道淤泥氣泡混合土的侵蝕作用，試驗過程中測定混合土試樣的物理力學指標、滲濾液的pH值和Ca2+ 濃度值以及礦物組分受酸雨滲濾影響后的變化規(guī)律，研究考察酸雨對混合土性質的影響。試驗結果表明：酸雨導致河道淤泥氣泡混合土中的礦物水解并以Ca2+ 離子形式析出，導致混合土中性化。酸雨的酸性越強，土體中性化程度越高，在中性化過程中又有新的礦物生成，使混合土中礦物相對含量發(fā)生改變，導致混合土物理力學性質的變化;與正常雨水作用相比，經(jīng)酸雨作用后的河道淤泥氣泡混合土含水率和密度升高，強度降低，破壞模式向脆性化發(fā)展，并且酸雨的酸性越強，物理力學性質的變化越明顯。

關鍵詞： 氣泡混合土;模擬酸雨;溶出特性;物理力學性質

中圖分類號：X517;TU502.6

文獻標志碼：A? 文章編號：1674-4764（2018）06-0076-09

Influence of acid rain on engineering properties of

foamed light soil with river sludge

Xia Lei1，Gu Huanda2

（1.Shanghai Railway Rail Transit Development Co.， Ltd.， Anhui Railway Construction Engineering Co.， Ltd.，

Bengbu 233000， Anhui， P.R. China;2.Department of Civil Engineering，Suzhou University of

Science and Technology，Suzhou 215011，Jiangsu，P.R.China）

Abstract：Impact of acid rain on foamed light soil with river sludge （FMLSS）was studied by? percolation method. Physical and mechanical indexes of specimens， pH value and Ca2+ ?concentration of leachate， as well as the change of mineral composition of FMLSS after acid rain infiltration were measured during test， to investigate the influence of acid rain on properties of FMLSS. Experimental results show that acid rain results in the hydrolysis of minerals and dissolution in the form of Ca2+ ?ions leading to neutralization of FMLSS. It is found that the stronger the acidity of simulated acid rain， the higher the degree of neutralization. At the same time， new minerals are generated in the process of neutralization， which changes the relative content of minerals in the mixed soil and leads to the changes of physical and mechanical properties. Compared with those in the normal water condition，? moisture content and density increase， while the peak strength decreases. In addition， the failure mode evolves to the brittle type after acid rain. Based on the results， it can? be safely arrived at that the stronger the rain acidity， the greater the degree of physical and mechanical changes.

Keywords：foamed light soil;simulated acid rain;leaching characteristics;physical and mechanical ?properties

在中國江南地區(qū)，伴隨著河道治理及清淤工程的進行，每年都會產生大量的河道淤泥，基于綜合有效利用目的開發(fā)利用河道淤泥已引起社會各界的重視。將河道淤泥處理后制成可以滿足工程要求的土工材料，不僅可以提高河道淤泥的利用效率，也可以節(jié)省大量巖土材料，降低工程成本。同時，還有益于改善河道環(huán)境質量，降低淤泥處理成本。以河道淤泥作為原料土開發(fā)制成河道淤泥氣泡混合土是一種較新穎的利用方式，主要體現(xiàn)在混合土制作工藝簡單、施工技術簡便、適用性強等方面。

酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪、霜、霧、露等大氣降水[1-2] 。近年來，隨著工業(yè)化的進展及大量化石燃料的使用，空氣中酸性物質積累形成酸雨。酸雨已成為一個影響范圍廣泛、程度比較嚴重的環(huán)境問題。在工程領域，關于酸雨侵蝕對混凝土等水泥基材料、水泥土及巖石等的影響有較多的研究，結果顯示，混凝土等水泥基材料、水泥土及巖石等在酸性環(huán)境下，其物理力學性能將發(fā)生劣化[3-9] ，直接影響 工程構造物的耐久性及安全性。氣泡混合土屬于一種新型土工材料，主要用水泥作為固化材料與原料土反應形成水泥土承載骨架[10-12] ，關于其本身的工程性質已有系統(tǒng)研究，并且已有應用實例，但是，考慮酸雨作用對氣泡混合土工程性質影響的相關研究較少。將河道淤泥作為土工材料用于實際工程時，除了需要考察其物理力學性能以檢驗工程適用性外，使用過程中的耐久性或性質穩(wěn)定性也是反映其性能的重要方面。在工程中，氣泡混合土常被用于軟基填土處理等領域，在大范圍酸雨環(huán)境下，使用過程中難免會受酸雨作用或影響，考慮酸雨作用下河道淤泥氣泡混合土的性能演化是評價其耐久性的一個重要方面。為此，通過試驗研究對河道淤泥氣泡混合土的耐酸性及破壞機理進行研究。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗原料土來源于蘇州某河道疏浚淤泥，為保證氣泡混合土的流動性[11] ，將河道淤泥用5 mm篩過篩處理，經(jīng)處理后其基本物理指標如表1所示，顆粒分析狀況如圖1所示。由顆粒級配曲線可得：原料土中砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為9.91%、70.98%和19.11%，主要以粉粒和黏粒為主;不均勻系數(shù) C ?u=5.38，曲率系數(shù) C ?c=1.31，原料土為級配良好土。由表1可知，原料土含水率高，塑性指數(shù) I ?P=17.9，液限 ω ?L=47.1?；谝陨蠝y定的基本物理指標，再依據(jù)《土的分類標準》（GB/T 50145—2007）中的分類體系，可知原料土為一種級配良好的低液限粉土。

研究表明，氣泡的穩(wěn)定性是影響氣泡混合土強度和密度的主要因素，而復配發(fā)泡劑比單一發(fā)泡劑產生的氣泡穩(wěn)定性好[13] 。發(fā)泡劑采用TY復配型發(fā)泡劑，在40 ℃時其發(fā)泡力（發(fā)泡力是在一定溫度條件下，從90 cm高度將200 mL試液流到刻度量筒底部50 mL相同試液的表面后，測量得到的泡沫高度）≥200 mm，半消沉時間≥100 min。TY復配型發(fā)泡劑由作為主發(fā)泡劑和輔助發(fā)泡劑的A組與作為穩(wěn)泡劑的B組構成，A組的成分有 α -烯基磺酸鈉、烷基糖苷、椰油酰胺丙基甜菜堿、茶皂素和脂肪酸甲脂磺酸鈉，B組的成分有明膠、阿拉伯膠、羥甲基纖維素和聚陰離子纖維素。

固化劑采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 模擬酸雨配制

據(jù)觀測，中國的酸雨主要是硫酸型酸雨，酸雨嚴重地區(qū)降水的pH值已低至2.85左右，并且pH值仍有降低的趨勢。為此，采用硫酸和硝酸按摩爾比9∶1配制pH值分別為2.5、4.0和5.6的酸性溶液，其中，pH值為2.5和4.0的酸液用于模擬酸雨，而pH值為5.6的酸液模擬正常雨水。

1.3 試樣制作

1.3.1 配比設計? 氣泡混合土是指按一定的比例把固化劑、水和制作好的氣泡漿與原料土混合并且攪拌均勻后所形成的新型土工材料[10-12] 。水泥摻入比、氣泡摻入比及含水率均采用與原料土經(jīng)換算后的干土重比值確定，分別用 ω c、 ?ω e、 ?ω 表示，比如水泥摻入比 ω ?c=水泥粉末質量/干土質量。通過配合試驗確定了2種配比的氣泡混合土，分別以C1和C2表示。氣泡混合土配比情況見表2。

1.3.2 試樣制作? 根據(jù)配比情況及原料土含水率計算需要摻入的水泥、氣泡漿及水的質量，制作氣泡混合土;將制作好的氣泡混合土分3層灌入內徑3.9 cm、高7.8 cm的模具中;放進標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護大約1 d后拆模;繼續(xù)放到標準養(yǎng)護室養(yǎng)護到28 d 齡期。

1.4 試驗方法

1.4.1 試驗原理? 河道淤泥氣泡混合土本身是一種多孔材料，具有一定的滲透性，酸雨降落到地面后會通過土體孔隙垂直向下滲透到河道淤泥氣泡混合土內部。滲濾的酸雨對固化體有物理沖刷和化學溶濾作用[14-15] 。流動的滲濾液可以模擬酸雨的物理沖刷作用，滲濾試驗法可以較好地模擬酸雨的這一作用過程[16] 。

在模擬酸雨試驗過程中，考慮了酸液初始pH值、滲濾量以及河道淤泥氣泡混合土配合情況等因素的影響，設計了在模擬酸雨滲濾作用下河道淤泥氣泡混合土的腐蝕試驗。

1.4.2 試驗裝置? 試驗裝置由3部分組成，分別為盛放模擬酸雨的容器、放置河道淤泥氣泡混合土試樣的裝置和接收滲濾出溶液的容器。將模擬酸雨置于具有一定容積的容器內，氣泡混合土試樣置于用有機玻璃加工成的滲濾裝置內，用塑料錐形瓶收集滲濾出的溶液，各部分之間用塑料軟管相互連接并設置有調水閥，以便于調節(jié)滲流量，圖2所示為模擬酸雨滲濾試驗裝置。3個容器分別盛有初始pH值為2.5、4.0和5.6的酸液，每種環(huán)境下可同時進行9個試樣的滲濾試驗。

1.4.3 試驗流程? 每一種配比的河道淤泥氣泡混合土試樣在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護到28 d齡期時取出，對每個試樣稱重并測量其體積，計算得到密度;拿3個試樣進行強度試驗，并將其余試樣分成3份，分別裝入滲濾試驗裝置中進行滲濾試驗。

滲濾試驗以滲濾量作為試驗節(jié)點，滲濾量以滲濾液體積數(shù)進行衡量，定義滲濾液體積數(shù)為滲濾出的酸液總體積與試樣的體積之比，設定測試滲濾液體積數(shù)為2.9、4.0、6.7、10.0和20.0，5個試驗節(jié)點對應的滲濾量為266.1、372.5、620.9、931.3、 1 862.6 mL。 在每個試驗節(jié)點測定滲濾液的pH值和Ca2+ 離子濃度;在滲濾液體積數(shù)為4.0、6.7和20時，分別取出3個試樣進行強度試驗。試驗過程中及時監(jiān)測錐形瓶中流下的滲濾液體積，及時倒出瓶中滲濾液，離試驗節(jié)點還差50 mL時開始接取約80 mL滲出溶液進行pH和Ca2+ 離子濃度的測定。

2 溶出特性分析

研究表明，通常情況下，污泥固化體在填埋場滲透液的作用下其內部堿性物質會不斷流失，被固定在固化體內的重金屬可能會再次溶出[14-15] 。張虎元等[17] 通過酸性中和容量試驗和滲透溶濾試驗對污泥固化體中重金屬溶出特性進行研究，結果表明：在酸性中和試驗中，當浸漬液的pH值小于6時，大量重金屬溶出;但以水泥作為固化劑固化的污泥具有一定的穩(wěn)定性，在短期的滲流作用下固化污泥中的重金屬很難溶出。

酸雨等水化學溶液的侵蝕造成混凝土等水泥基材料、水泥土及巖石強度等力學性能的劣化與Ca2+ 等離子溶出有關[3，6，9，18-20] 。溶液pH值變化及溶出離子濃度變化能反映材料與化學溶液之間的反應程度及材料被侵蝕的程度[21-22] 。為了分析酸雨與河道 淤泥氣泡混合土的反應機制，考察混合土內部參與化學反應的礦物成分以及反應程度，在滲濾試驗過程中，測定滲濾液的Ca2+ 離子濃度和pH值的變化規(guī)律。

2.1 滲濾液pH值變化規(guī)律

在設定的試驗節(jié)點，采取經(jīng)過混合土試樣滲濾后的酸液測定pH值，結果如圖3所示。

根據(jù)試驗結果可以得到：

1）在滲濾初期滲濾液體積數(shù)比較小的階段，即累積滲濾量不大的情況下，滲濾開始發(fā)生時滲濾液pH值較大，此后，隨著累積滲濾量的增大，析出的滲濾液pH值呈下降趨勢，當滲濾液體積數(shù)達到一定程度后，析出的滲濾液pH值趨于穩(wěn)定或呈略為增大趨勢。其機理在于，在滲濾初期，混合土中性化程度較低，酸雨對土骨架的侵蝕作用不明顯，隨著累積滲濾量的增大，pH值逐漸降低;當滲濾作用達到一定程度時，隨著酸雨的持續(xù)侵蝕，混合土中較多堿性礦物水解并被滲濾析出，導致土體內部孔隙體積增大，酸性溶液容易滲入，同時，酸液與混合土內部的礦物接觸面積變大，酸液與混合土的反應強度增大，導致后期析出的滲濾液pH值呈趨于穩(wěn)定甚至略為增大的趨勢，此結果說明隨著酸雨侵蝕作用的持續(xù)進行，滲濾量越大或作用時間越長，酸雨對混合土的侵蝕作用呈強化或加速趨勢。

2）考察不同初始酸液酸性水平的影響，在累積滲濾量相同的條件下，pH5.6、pH4.0和pH2.5酸液經(jīng)混合土滲濾后，pH值升幅均值分別約為6.19、7.91和9.38，即初始設定酸性越強的酸液滲濾后的pH升幅越大，初始設定酸性越弱的酸液滲濾后pH升幅越小。這說明模擬酸雨酸性越強，土樣受滲濾作用后中性化進展速度越快，中性化程度越高;模擬酸雨酸性越弱，土樣的中性化程度相對降低。

3）對比不同的混合土配合條件可以看出，總體上C2配合混合土滲濾液的pH值較高，根據(jù)表2所示配合條件可知，C2配合氣泡摻入較多，即形成的混合土中相對孔隙總體積更大，使得滲濾通過更容易，滲濾發(fā)生后土體的中性化程度更高，在同樣的累積滲濾量條件下，滲濾液的pH值更高。

2.2 滲濾液Ca2+ 離子濃度變化規(guī)律

在設定的試驗節(jié)點取經(jīng)過混合土試樣滲濾后的酸液測定Ca2+ 離子濃度，結果如圖4所示?？疾煸囼灲Y果及對應的相關關系，可以得到：

1）經(jīng)混合土滲濾出的溶液中，Ca2+ 濃度的變化與酸液初始pH值存在密切的相關關系，初始pH值越低，滲出的溶液中溶出的Ca2+ 濃度越大。在滲濾液體積數(shù)達到10.0之前，滲濾出的溶液Ca2+ 濃度隨著滲濾液體積數(shù)的增大而逐漸減小;在滲濾液體積數(shù)大于10.0之后，隨著滲濾的進行，滲出的溶液Ca2+ 濃度又出現(xiàn)增大的趨勢。原因在于，累積滲濾量較少時，混合土中性化程度較低，隨著滲濾的進行，滲出溶液中Ca2+ 溶出量濃度會隨著累積滲濾量的增大逐漸減小;但是，當滲濾作用達到一定程度時，Ca2+ 累計溶出量已經(jīng)較多，混合土侵蝕程度增大，酸液容易滲入，同時，酸液與混合土內部的礦物接觸面積變大，酸液與混合土的反應強度增大，滲出的溶液中Ca2+ 濃度明顯增大。

2）對比不同氣泡摻量條件下滲濾液Ca2+ 濃度，可以發(fā)現(xiàn)，除了pH5.6酸液條件下兩者比較接近外，隨著酸液酸性水平的提高，氣泡摻量較少的C1配合條件下滲出溶液Ca2+ 濃度要高于氣泡摻量較多的C2配合條件下的溶液Ca2+ 濃度，且酸液的酸性越強其趨勢越明顯，可以認為，在氣泡摻量較少的混合土內部氣孔數(shù)量相對較少，利于溶出的土骨架體積相對較大。

3 酸雨作用對河道淤泥氣泡混合土物

理力學性質的影響

3.1 酸雨作用下物理性質的變化

3.1.1 含水率變化? 在酸性溶液滲濾作用下，河道淤泥氣泡混合土試樣的含水率隨滲濾量的變化情況如圖5所示。根據(jù)圖示試驗結果可以看出，兩種配合條件的混合土試樣經(jīng)酸液滲濾作用后含水率變化規(guī)律基本相同，混合土的含水率隨著滲濾量的增加而增大，并且酸液初始pH值越低，含水率增大趨勢越明顯。在試驗時間范圍內，初始pH為5.6、4.0和2.5的酸液環(huán)境下，C1配合試樣的含水率與滲濾前相比，增加的百分比分別為3.25%、3.96%、4.28%， C2增加了5.70%、6.39%、6.84%，說明氣泡含量大的試樣含水量增大更加明顯。根據(jù)試樣的含水率變化可以看出，含水率增大呈階段性，在滲濾初期混合土的含水率升高較快，當滲濾液總量累計到使?jié)B濾液體積數(shù)達到6.7時，試樣增加的含水率已達到整個試驗齡期內增加含水率的70%～85%，這個值相當于浸漬試驗中混合土浸漬28 d時含水率的增加程度。

3.1.2 濕密度變化? 圖6顯示為河道淤泥氣泡混合土在模擬酸雨滲濾作用下試樣的濕密度隨滲濾量的變化情況。根據(jù)圖示結果可以看出，在酸液的滲濾作用下，混合土的濕密度隨著滲濾量的增加而增大，并且酸液酸性越強，濕密度增大趨勢越明顯。在滲濾液體積數(shù)達到20的條件下，pH5.6、pH4.0和pH2.5酸液滲濾作用時，C1配合的試樣濕密度與滲濾前混合土相比，分別增加了0.79%、0.90%、1.17%，C2配合的試樣濕密度分別增加了1.75%、2.19%、2.25%。這同樣說明，氣泡摻量較多的C2配合混合土濕密度增長幅度大于氣泡摻量較少的C1。濕密度變化同樣顯示出明顯的階段性，滲濾初期，混合土的濕密度增長幅度較大。當滲濾液體積數(shù)為6.7時，在C1和C2配合條件下，混合土在3種設定酸度的酸液滲濾作用下濕密度平均值與滲濾前相比分別增加了0.69%和1.75%，分別占到整個滲濾過程中濕密度總增加值的72.02%和84.61%。

3.2 酸雨作用下力學性質的變化

3.2.1 河道淤泥氣泡混合土的強度變化? 圖7為河道淤泥氣泡混合土在模擬酸雨滲濾作用下試樣的抗壓強度隨滲濾液體積數(shù)的變化情況。

根據(jù)試驗結果可以得到：

1）在3種酸度水平酸液滲濾作用下，兩種配合條件的試樣峰值強度隨滲濾量的增加呈增長趨勢，但在滲濾液體積數(shù)超過6.7后，隨著滲濾的進行，增長趨勢趨緩。結合滲濾后的溶出性可知，在短期滲濾條件下，Ca2+ 累計溶出量少，混合土中土骨架的劣化程度較低，固化劑的固化作用仍可以保持混合土的強度增長趨勢;但是，當滲濾液總量累計到使?jié)B濾液體積數(shù)達到6.7時，酸性溶液的侵蝕累積作用開始削弱氣泡混合土內部土骨架強度，強度增長趨緩。

2）進一步考察模擬酸雨酸性水平的影響可以發(fā)現(xiàn)，在酸性較強的pH4.0及pH2.5條件下，隨著滲濾的進行，混合土峰值強度增長的幅度小于酸性較弱的pH5.6條件下混合土峰值強度。在設定溶液初始pH值為5.6、4.0和2.5條件下，整個滲濾過程中，兩種配比經(jīng)滲濾作用后試樣的強度平均值與滲濾前相比分別增大了25.55%、20.35%和20.39%。結合溶出試驗結果， 較強酸性條件下，Ca2+ 累計溶出量大于較弱酸性條件下Ca2+ 累計溶出量，土骨架損傷程度較高，導致強度低于pH5.6條件下的強度。

3）對比不同配比的影響可以看出，氣泡摻量較少的C1配合混合土經(jīng)滲濾作用后峰值強度增幅大于氣泡摻量較多的C2配合混合土。在C1和C2配合條件下，整個滲濾過程中，混合土在3種設定酸度的酸液滲濾作用下峰值強度平均值與滲濾前相比分別增大了24.10%和20.09%。原因是隨著氣泡摻量的增加，土中氣孔所占體積增大而土骨架體積相對減小，酸液滲濾作用后土骨架受損傷程度較高導致混合土強度相對降低。

3.2.2 河道淤泥氣泡混合土的變形特性? 圖8所示為河道淤泥氣泡混合土在模擬酸雨滲濾作用下試樣的變形模量 E ??50 和峰值應變隨滲濾液體積數(shù)變化情況。

由圖示結果可以得到：

1）在3種酸度酸液滲濾作用下，兩種配合條件的試樣變形模量 E 50 隨強度增長呈增長趨勢，但在滲濾液體積數(shù)超過6.7后，隨著滲濾的進行增長趨勢趨緩。以上結果與滲濾后的溶出性相關，在短期的滲濾條件下Ca2+ 累計溶出量少，混合土中土骨架的劣化程度較低，固化劑的固化作用仍可以保持混合土的強度與剛度增長趨勢;但是，當滲濾液總量累計到使?jié)B濾液體積數(shù)達到6.7時，酸性溶液的侵蝕累積作用開始削弱氣泡混合土內部土骨架剛度， E 50 增長趨緩。進一步考察模擬酸雨酸度的影響可以發(fā)現(xiàn)，模擬酸雨的酸性越強，混合土的 E 50 增長幅度越大，原因是在模擬酸雨中的H+離子侵蝕混合土造成混合土中礦物溶解的同時，模擬酸雨中的SO2-? 4 等離子滲入混合土內部與水化產物反應生成結晶鹽，對氣孔有填充作用，密實度增加，變形模量增大[7-8，23] ，H+的溶解作用為SO2-? 4向混合土內部的滲透提供通道[7，23] ，生成的結晶鹽越多，這就是pH值越低的酸液中變形模量增大的幅度越大的原因。試驗結束時，在初始pH值為5.6、4.0和2.5酸液條件下，兩種配比經(jīng)滲濾作用后試樣的變形模量平均值與滲濾前相比分別增加了42.62%、56.97%和65.81%。

2）經(jīng)3種酸度酸液滲濾作用后混合土的峰值應變均呈減小趨勢，即試樣破壞前的應變減小，模擬酸雨作用后導致混合土脆性化，且模擬酸雨的酸性越強，混合土的脆性化程度越高。因此，經(jīng)酸雨作用后的河道淤泥氣泡混合土由于酸雨的侵蝕作用，在受荷后更易于發(fā)生破壞，耐久性趨弱。滲濾試驗結束時，在設定溶液初始pH值為5.6、4.0和2.5條件下，兩種配比經(jīng)滲濾作用后試樣的峰值應變平均值與滲濾前相比分別減小了34.00%、36.94%和42.41%。進一步考察模擬酸雨滲濾量影響可以發(fā)現(xiàn)，峰值應變隨滲濾量增大表現(xiàn)出的變化規(guī)律與變形模量類似，在滲濾初期，峰值應變減小幅度大;但在滲濾液體積數(shù)超過6.7后，隨著滲濾的進行減幅明顯降低。上述混合土的脆性化過程同樣與其溶出性密切相關，滲濾初期Ca2+ 溶出速率較快，土骨架的中性化速度相對也較快。

3）在C1和C2配合條件下，整個滲濾過程中混合土在3種設定酸度的酸液滲濾作用下變形模量平均值與滲濾前相比分別增大了51.61%和58.66%，而峰值應變平均值與滲濾前相比分別減小了35.36%和40.21%。對比不同配比的影響，可以發(fā)現(xiàn)，氣泡摻量較多的C2配合混合土經(jīng)滲濾后變形模量增幅大、脆性化程度高。原因是氣泡摻量較多的情況下，混合土中氣孔所占體積增大而土骨架體積相對減小、滲透性相對好，H+和SO2-? 4離子更易滲入混合土內部，導致混合土中性化程度大，同時，生成的結晶鹽較多，模擬酸雨對土骨架的侵蝕程度大。

4 酸雨作用下河道淤泥氣泡混合土礦

物組分變化及機理分析

4.1? 酸雨作用下河道淤泥氣泡混合土的礦物組分

變化

通過XRD試驗對經(jīng)過酸液滲濾作用后的河道淤泥氣泡混合土進行物相定性測試，圖9列出了部分試驗結果。

考察試驗結果可以得到：

1）河道淤泥氣泡混合土中含有石英、石膏、水化硅酸二鈣、鈣礬石和鈉長石的晶相，5種物相中，石英的衍射峰在各試驗齡期均為最強，其次是鈉長石和石膏，而水化硅酸二鈣和鈣礬石的峰最弱。

2）考察不同配合條件下土樣5種物相衍射線主強線的強度變化，可以發(fā)現(xiàn)，在酸雨作用前，河道淤泥氣泡混合土中5種物相衍射線主強線的強度均隨氣泡摻量的增加而增大;經(jīng)模擬酸雨作用后，鈉長石的晶相主強線的強度隨氣泡摻量的增加而降低，鈣礬石的晶相主強線的強度隨氣泡摻量增加有小幅度降低。

3）無論是氣中養(yǎng)護還是模擬酸雨侵蝕，混合土的五種礦物中石英和鈉長石的相對含量增大;在氣中養(yǎng)護環(huán)境下，混合土中石膏的相對含量基本沒變，鈣礬石的相對含量減小，鈉長石的相對含量增幅較大;在模擬酸雨環(huán)境下，混合土中石膏的相對含量降低 較多，而鈣礬石的相對含量僅在酸性較弱的pH5.6 條件下出現(xiàn)降低趨勢，在酸性較強的pH4.0、pH2.5條件下鈣礬石的相對含量呈增大趨勢，并且，隨著酸雨酸性的增強其增大趨勢越明顯。原因是河道淤泥氣泡混合土中的石膏會與水泥水化產物水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石，另外，試驗中用到的模擬酸雨為硫酸型酸雨，酸性越強的模擬酸雨中SO2-? 4離子濃度越大，其與混合土反應后生成的鈣礬石增多。

酸雨中的侵蝕性離子與河道淤泥氣泡混合土中礦物之間的部分反應方程式為

Ca（OH） 2+2H+=Ca2+ +2H 2O

3CaO·2SiO 2·3H 2O+6H+=3Ca2+ +

2（SiO 2·2H 2O）+ 2H 2O

4CaO·Al 2O 3·13H 2O+8H+=4Ca2+ +Al 2O 3·3H 2O+ 14H 2O

Ca（OH） 2+SO2-? 4 ?=CaSO 4+2OH-

CaSO 4+2H 2O=CaSO 4·2H 2O

4CaO·Al 2O 3·13H 2O+3（CaSO 4·2H 2O）+13H 2O= 3CaO·Al 2O 3·3CaSO 4·31H 2O+ Ca（OH） 2

4.2? 河道淤泥氣泡混合土物理力學性質與礦物組

分變化相關性???? 酸雨作用使河道淤泥氣泡混合土中石英、鈉長石等流失，酸液不斷滲入，導致混合土含水率和濕密度均增大。在酸性較強的條件下，混合土中礦物溶出的較多，導致含水率升高幅度越大;酸雨侵蝕后的混合土礦物的含量隨著氣泡摻量的增加而增多，不同氣泡摻量的混合土在酸雨環(huán)境下礦物相對含量變化的差別以及滲透性的不同導致混合土的含水率和濕密度均隨氣泡摻量的增加而增大。

在酸雨環(huán)境下，酸雨中的H+離子使氣泡混合土中堿性的水化產物水解、溶出，導致河道淤泥氣泡混合土整體的膠凝性變差;主要礦物石英和鈉長石含量的減少導致混合土的整體結構遭到破壞;鈣礬石含量的增大可能會引起混合土在微孔處開裂。結果導致混合土強度降低且破壞模式向脆性化發(fā)展。在酸性較強的條件下，這些侵蝕效應更明顯;酸雨侵蝕效應隨氣泡摻量的增加而增大。

5 結論

利用室內試驗方法考察研究了在模擬酸雨環(huán)境下河道淤泥氣泡混合土的溶出特性及相關的物理力學性質的變化，并且分析了微觀礦物成分變化與物理力學性質的相關性，主要結論如下：

1）酸雨中的H+離子會與河道淤泥氣泡混合土中的膠凝材料水化硅酸鹽等反應，導致其水解并以Ca2+ 等離子太溶出，使混合土不斷中性化。模擬酸雨的酸性越強，與混合土的反應強度越大，反應后酸液中溶出Ca2+ 量越多，滲濾液pH值升高幅度越大，土體中性化程度越高。在滲濾液體積數(shù)達到10.0之前，滲濾液Ca2+ 濃度隨著滲濾的進行而逐漸減小，但當滲濾液體積數(shù)大于10.0之后，滲濾液Ca2+ 濃度又出現(xiàn)增大的趨勢，說明以水泥作為固化劑形成的河道淤泥氣泡混合土固化效果較好，在累計滲濾量較少時，混合土侵蝕程度較低，只有當滲濾液累計量達到一定值時，混合土溶出較多Ca2+ 離子。

2）在模擬酸雨的滲濾作用下河道淤泥氣泡混合土含水率和濕密度隨滲濾量的增加而增大，且在滲濾初期增幅較大。模擬酸雨的酸性越強，滲濾作用后的混合土含水率和濕密度增長幅度越大。氣泡摻量多的混合土滲濾后含水率和濕密度增長幅度大。

3）在模擬酸雨的滲濾作用下，河道淤泥氣泡混合土變形模量 E 50 和峰值強度隨滲濾量的增加呈增大趨勢，而峰值應變呈減小趨勢，且在滲濾初期，變形模量和強度增幅以及峰值應變減幅較大。隨著模擬酸雨酸性的增強，滲濾作用后的混合土變形模量增幅和脆性化程度提高，而峰值強度降低。氣泡摻量多的混合土滲濾后受侵蝕程度大，土骨架受損傷程度較高，脆性化程度高、峰值強度增長幅度相對降低。

4）根據(jù)XRD試驗分析結果，可知酸雨作用使河道淤泥氣泡混合土中石英、石膏、水化硅酸二鈣、鈣礬石和鈉長石等礦物的相對含量改變，導致混合土的宏觀結構發(fā)生變化，從而引起物理力學性質的變化。

參考文獻：

[1]??ZHANG ?X Y， JIANG H， JIN J X， et al. Analysis ofacid rain patterns in northeastern China using a decision tree method [J]. Atmospheric Environment， 2012， 46（1）： 590-596.

[2]? LI ?Z J， SONG L L， MA J Z， et al. The characteristics changes of pH and EC of atmospheric precipitation and analysis on the source of acid rain in the source area of the Yangtze River from 2010 to 2015 [J].Atmospheric Environment， 2017， 156：61-69.

[3]?? 苗勝軍， 蔡美峰， 冀東， 等. 酸性化學溶液作用下花崗巖力學特性與參數(shù)損傷效應[J]. 煤炭學報， 2016， 41（4）： 829-835.

MIAO S J， CAI M F， JI D， et al. Damage effect of granites mechanical properties and parameters under the action of acidic solutions [J]. Journal of China Coal Society， 2016， 41（4）： 829-835.（in Chinese）

[4]?? 李寧， 朱運明， 張平， 等. 酸性環(huán)境中鈣質膠結砂巖的化學損傷模型[J]. 巖土工程學報， 2003， 25（4）： 395-399.

LI N， ZHU Y M， ZHANG P， et al. A chemical damage model of sandstone in acid environment [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2003， 25（4）： 395-399.（in Chinese）

[5]? WANG ?W， LIU T G， SHAO J F. Effects of acid solution on the mechanical behavior of sandstone [J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2016， 28（1）：04015089-1-04015089-6.

[6]?? 韓鐵林， 陳蘊生， 師俊平， 等. 水化學腐蝕對砂巖力學特性影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2013， 32（Sup2）： 3064-3072.

HAN T L， CHEN Y S， SHI J P， et al. Experimental study of mechanical characteristics of sandstone subjected to hydrochemical erosion [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013， 32（Sup2）： 3064-3072. （in Chinese）

[7]?? 張英姿， 范穎芳， 劉江林， 等. 模擬酸雨環(huán)境下C40混凝土抗壓性能試驗研究[J]. 建筑材料學報， 2010， 13（1）： 105-110.

ZHANG Y Z， FAN Y F， LIU J L， et al.Experimental study on compressive performance of concrete C40 in simulated acid environment [J]. Journal of Building Materials， 2010， 13（1）： 105-110.（in Chinese）

[8]?? 夏峰. 模擬酸雨環(huán)境下水泥基材料力學性能研究[D]. 南昌： 華東交通大學， 2014.

XIA F. Study on mechanical properties of cement-based materials under simulated acid rain environment [D]. Nanchang： East China Jiaotong University，2014.（in Chinese）

[9]?? 寧寶寬. 環(huán)境侵蝕下水泥土的損傷破裂試驗及其本構模型[D]. 沈陽： 東北大學， 2006.

NING B K. Experiments and its constitutive model of cement-mixed soil under environmental erosion [D].Shenyang： Northeastern University， 2006.（in Chinese）

[10]?? 姬鳳玲， 朱偉， 張春雷. 疏浚淤泥的土工材料化處理技術的試驗與探討[J]. 巖土力學， 2004， 25（12）： 1999-2002.

JI F L， ZHU W， ZHANG C L. Study of treatment technology of dredging sludge with geosynthetizing method [J]. Rock and Soil Mechanics， 2004， 25（12）： 1999-2002.（in Chinese）

[11]?? 陳忠平， 王樹林， 鄧江. 氣泡混合輕質填土新技術[M].北京： 人民交通出版社， 2004.

CHEN Z P， WANG S L， DENG J. New technology bubble mixed light soil [M]. Beijing： China Communications Press， 2004.（in Chinese）

[12]? YOON ?G L， KIM S B. Numerical analysis of light-weight air foamed soils using dredged materials for soft ground improvement method [J]. Japanese Geotechnical Society Special Publication， 2016， 2（61）： 2073-2077.

[13] ??何國杰， 丁振洲， 鄭穎人. 氣泡混合輕質土的研制及其性能[J]. 地下空間與工程學報， 2009， 5（1）： 18-22.

HE G J， DING Z Z， ZHENG Y R， et al. Preparation of bubble mixed light soil and its properties [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009， 5（1）： 18-22.（in Chinese）

[14]? STANFORTH ?R， YAP C F， NAYAR R. Effects of weathering on treatment of lead contaminated soils [J]. Journal of Environmental Engineering， 2005， 131（1）：38-48.

[15]? ZHANG ?H Q， YANG Y Y， YI Y C. Effect of sulfate erosion on strength and leaching characteristic of stabilized heavy metal contaminated red clay [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2017，27（3）：666-675.

[16]? BAKHSHIPOUR ?Z， ASADI A， HUAT B B K， et al.Effect of acid rain on geotechnical properties of residual soils [J]. Soils & Foundations， 2016， 56（6）：1008-1020.

[17]?? 張虎元， 王寶， 董興玲， 等. 固化污泥中重金屬的溶出特性[J]. 中國科學（E輯： 技術科學）， 2009， 39（6）：1167-1173.

ZHANG H Y， WANG B， DONG X L， et al. Dissolution characteristics of heavy metals in solidified sludge [J]. Science in China（Series E： Technological Sciences）， 2009， 39（6）： 1167-1173.（in Chinese）

[18]?? 張倩， 趙潔， 成華. 酸雨對水泥砼強度影響的模擬及其腐蝕的化學機理分析[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2005， 24（3）： 49-51.

ZHANG Q， ZHAO J， CHENG H. Simulation of influences of the acid rain on the concrete pavement and analysis of the chemical corrosion mechanism [J]. Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science）， 2005， 24（3）： 49-51.（in Chinese）

[19]?? 楊俊杰， 孫濤， 張玥宸， 等. 腐蝕性場地形成的水泥土的劣化研究[J]. 巖土工程學報， 2012， 34（1）： 130-138.

YANG J J， SUN T， ZHANG Y C， et al. Deterioration of soil cement stabilized in corrosive site [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2012， 34（1）： 130-138.（in Chinese）

[20]?? 傅小茜， 馮俊德， 謝友均. 硫酸鹽侵蝕環(huán)境下水泥土的力學行為研究[J]. 巖土力學， 2008， 29（Sup1）： 659-662.

FU X Q， FENG J D， XIE Y J. Mechanical behavior of soil cement under ambient with sulfate conditions [J]. Rock and Soil Mechanics， 2008， 29（Sup1）： 659-662.（in Chinese）

[21]? SAXENA ?V， AHMED S. Dissolution of fluoride in groundwater： a water-rock interaction study [J]. Environmental Geology， 2001， 40（9）： 1084-1087.

[22]? DU ?Y J， WEI M L， REDDY K R， et al. Effect of acid rain pH on leaching behavior of cement stabilized lead-contaminated soil [J]. Journal of Hazardous Materials， 2014， 271（4）： 131-140.

[23]?? 張英姿， 趙穎華， 范穎芳. 受酸雨侵蝕混凝土彈性模量研究[J]. 工程力學， 2011， 28（2）： 175-180.

ZHANG Y Z， ZHAO Y H， FAN Y F. A theoretical model for assessing elastic modulus of concrete corroded by acid rain [J]. Engineering Mechanics， 2011， 28（2）： 175-180.（in Chinese）