孔隙溶液酸堿度對重塑黃土工程性質(zhì)的影響研究

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(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

隨著社會快速發(fā)展，廢水、廢氣、廢渣大量排放，導(dǎo)致地表水、地下水受到不同程度的污染，土體孔隙中水環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)一步對土體宏微觀結(jié)構(gòu)以及工程特性產(chǎn)生影響，甚至?xí)斐赏馏w結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)而導(dǎo)致巨大損失[1]。

從環(huán)境污染角度研究水土間的相互作用，主要包括2個方面:一是關(guān)于農(nóng)業(yè)土壤特性，主要涉及土-水溶液系統(tǒng)間污染物的轉(zhuǎn)化、遷移、降解、吸收、擴(kuò)散等一系列物理的、化學(xué)的、生物的作用[2-3]；二是關(guān)工程上的污染土研究。我國從20世紀(jì)60年代開始出現(xiàn)地基土被廢液污染使土性改變導(dǎo)致建筑物破壞的事故，隨后開展了對污染土性質(zhì)、污染離子在土中遷移，以及廢棄物處理的研究[4-7]。許中堅等[8]對紅壤土進(jìn)行了模擬酸雨淋溶實驗，發(fā)現(xiàn)酸雨 pH 值越小，持續(xù)時間越長，對土壤結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重。張信貴等[9]的研究則認(rèn)為強酸環(huán)境下土體的變形較大，弱酸和堿性環(huán)境下土體的變形較??；劉漢龍等[10]的研究也同樣發(fā)現(xiàn)了這個問題，并且發(fā)現(xiàn)土體的壓縮系數(shù)隨著酸堿濃度的增加而不斷增大，酸堿污染可增大土體的滲透性，尤其是酸污染效果更顯著。朱春鵬等[11]對土體的變形研究發(fā)現(xiàn)，酸性溶液污染的土體的軟化特征明顯，堿性污染土的軟化程度則隨著堿含量的增大愈加不明顯。相興華等[12]則認(rèn)為堿性溶液會導(dǎo)致土體的密度、壓縮系數(shù)、液塑限等有不同程度的增加。土體中的鈣離子膠結(jié)物和水體發(fā)生化學(xué)作用破壞了土體的結(jié)構(gòu)，使土體的剪切強度降低[13]。酸性條件下膠結(jié)強度增加，土體強度提高，堿性條件下剛好相反[14]，土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系逐漸由應(yīng)變硬化型向應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變，土顆粒表面電位降低，土顆粒結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致剪脹效應(yīng)[15]。以上研究表明，水土化學(xué)作用改變了土顆粒之間的平衡，導(dǎo)致了土體滲透性、強度等性質(zhì)的改變。

水土的化學(xué)作用主要是通過水土之間的離子交換、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蝕作用、氧化還原作用等方式實現(xiàn)[9]。不同的水環(huán)境下，水土化學(xué)作用的方式也不同。本文以鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液為原料，人工配制不同酸堿度溶液與黃土進(jìn)行長期化學(xué)反應(yīng)，研究酸堿溶液對土體基本物理力學(xué)性質(zhì)的影響，為巖土工程實踐提供借鑒。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用黃土取自陜西楊凌臺塬地區(qū)Q3黃土，取土深度為4.0 m。土樣呈褐黃色，質(zhì)地均勻，顆粒相對密度為2.71，天然含水率為13.1%，干密度為1.36 g/cm3，孔隙比為0.98，其酸堿度(pH值)為8.19，呈弱堿性，最大干密度為1.67 g/cm3，最優(yōu)含水率為18.9%。土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)及礦物成分分別見表1、表2和表3。試驗中所用的酸堿溶液是用化學(xué)分析純鹽酸溶液配制成pH值為1和4的2種酸性溶液；用去離子水作為pH為7的標(biāo)準(zhǔn)溶液；用化學(xué)分析純氫氧化鈉配制成pH為10和13的堿性溶液，共5種溶液。

表1 土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of loess sample

表2 土樣的基本化學(xué)指標(biāo)Table 2 Chemical indexes of loess sample

表3 土樣的礦物成分Table 3 Mineral composition of loess sample

2.2 試驗方法

首先將黃土風(fēng)干碾細(xì)過篩(2 mm)，然后稱取5等份黃土，每份2 500 g，分別浸泡于1 500 mL不同pH值的酸堿溶液中,以保證溶液與土體充分反應(yīng)，用保鮮膜密封。反應(yīng)30 d后，取出散狀樣，測試土體的顆粒組成、液限、塑限等基本物理指標(biāo)。土樣風(fēng)干至最優(yōu)含水率后將散樣按照最大干密度壓制成環(huán)刀樣和三軸樣，測試土體的抗剪強度以及滲透系數(shù)，并采用二相電極法測試土體的電阻率變化。全部測試內(nèi)容包括土體的顆粒組成、液塑限、滲透系數(shù)、抗剪強度等，具體試驗方法見《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 土的顆粒分析

土的顆粒分析試驗，研究的是土中各粒組的相對含量，粒組含量的不同直接影響了土體的工程性質(zhì)的不同。由于試驗中所用的黃土為粉質(zhì)黏土，粒度分析采用篩分法和密度計法，統(tǒng)一采用六偏磷酸鈉作為分散劑，試驗結(jié)果見表4。

強堿作用下土體的黏粒粒組含量增加8.38個百分點，粉粒粒組降低8.44個百分點，砂粒粒組基本不變。在受到溶液浸泡時，土體中的一些膠體、游離氧化物以及一些可溶鹽首先溶于水，土壤顆粒的連接減弱，同時顆粒表面離子吸附發(fā)生水化[16]，原來的團(tuán)聚體發(fā)生分解；在強堿溶液作用時，堿性溶液中的羥基會和土體中的陽離子發(fā)生化合反應(yīng)，導(dǎo)致顆粒分解的速度加快[17]，溶液中的Na+增多會使土顆粒之間的擴(kuò)散層厚度增加，排斥力大于吸引力，凈勢能表現(xiàn)為斥力，土樣產(chǎn)生分散[18]，細(xì)顆粒增多，黏粒含量增大。

表4 酸堿溶液浸泡后土體的顆粒組成Table 4 Granule composition of polluted soils

酸性溶液作用時，隨溶液酸性增強，土體的黏粒含量呈先增加后降低的趨勢。強酸作用下土體的黏粒粒組含量降低3.17個百分點，同時粉粒粒組含量增加3.15個百分點，砂粒粒組基本不變。強酸溶液作用時，黃土中的碳酸鹽[19]、鐵錳氧化物和氫氧化物被大量溶出，化學(xué)溶蝕作用越強，土體中被溶解的礦物越多，隨著土顆粒表面碳酸鈣等物質(zhì)的減少，附著在團(tuán)粒表面的粉粒和黏粒減少[20]，細(xì)顆粒含量降低。弱酸作用時，土體的黏粒含量稍有增加，這是因為黃土呈弱堿性，弱酸作用時，兩者之間發(fā)生中和反應(yīng)，原先團(tuán)聚在顆粒周圍的膠結(jié)物質(zhì)逐漸脫離團(tuán)聚體，細(xì)顆粒增加。

3.2 土的界限含水率

土體的界限含水率(液限、塑限)是決定土體性質(zhì)的重要指標(biāo)，與土體的粒度組成和礦物成分直接相關(guān)[21]。不同pH值溶液浸泡后土體的界限含水率見圖1，其中原狀黃土數(shù)據(jù)以涂黑的符號標(biāo)識。從圖1可以看出，酸堿溶液浸泡后土體的液限、塑限和塑性指數(shù)均低于原狀黃土；土體的液限和塑性指數(shù)隨溶液pH值的增大呈下降趨勢，可以用線性公式進(jìn)行擬合。

圖1 酸堿溶液浸泡后黃土的液塑限及塑性指數(shù)Fig.1 Atterberg limits and plastic index of the polluted loess

圖2 酸堿溶液浸泡后黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角Fig.2 Cohesive forces and internal friction angels of the polluted loess

在堿性溶液的長期作用下，堿蝕作用占主導(dǎo)地位，堿性溶液與黏土礦物中的次生二氧化硅、游離氧化物等發(fā)生堿化反應(yīng)生成新的礦物[22]，導(dǎo)致土體的可塑性減小；并且隨著堿性溶液pH值增大，堿蝕作用越強，土體的可塑性降低越多。在酸性溶液的長期作用下，較多的H+和Cl-進(jìn)入土體擴(kuò)散層，使得擴(kuò)散層變薄，土體的可塑性變?nèi)鮗10]；隨著鹽酸溶液pH值逐漸減小，鹽酸濃度逐漸加大，溶解于酸性溶液的膠體離子逐漸析出，并開始發(fā)揮膠結(jié)作用，導(dǎo)致隨著溶液pH值逐漸減小，土體的可塑性逐漸增強[10]。

3.3 土的不排水抗剪強度

圖2是經(jīng)過不同溶液浸泡30 d后土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線。與表1中原狀黃土相比，酸堿溶液浸泡后土體的黏聚力增大、內(nèi)摩擦角降低。HCl溶液浸泡后，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨溶液酸堿度降低逐漸增大，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；NaOH溶液浸泡后，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨溶液pH值增加逐漸增大，呈正相關(guān)關(guān)系。

土體在酸堿溶液中浸泡，顆粒間膠結(jié)物質(zhì)被酸堿溶液溶蝕，發(fā)生水化、溶解、沉淀等一系列化學(xué)反應(yīng)，結(jié)構(gòu)連接變?nèi)鮗23]，同時生成高度分散性的次生礦物，電分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土顆粒間的表面摩擦和顆粒間的連鎖作用減弱[14]。當(dāng)用HCl溶液浸泡土體時，土體中的鈣質(zhì)膠結(jié)物逐漸被溶蝕，浸泡溶液的pH值越小，土體中鈣質(zhì)膠結(jié)物溶蝕得越充分，試樣中細(xì)小顆粒逐漸減少[15]，膠結(jié)物質(zhì)溶蝕的同時，Ca2+析出，與鹽酸溶液中的Cl-相結(jié)合形成新的電解質(zhì)CaCl2，而CaCl2是加固黃土?xí)r常用的催化劑，具有快速膠結(jié)的作用[24]。因此，當(dāng)?shù)蚿H值的鹽酸溶液與黃土中的礦物作用時，會產(chǎn)生大量的CaCl2，導(dǎo)致土體的黏聚力增大。當(dāng)用NaOH溶液浸泡土體時，大量的Na+離子進(jìn)入固定層和擴(kuò)散層，導(dǎo)致土體的原始黏結(jié)力和固有黏結(jié)力有明顯的減弱現(xiàn)象。隨著堿性溶液pH值逐漸增大，NaOH在土體中的濃度逐漸加大，使土顆粒表面相互黏結(jié)發(fā)生膨脹和軟化，形成強度高并且具有水硬性的鈣鋁硅酸鹽絡(luò)合物，這些絡(luò)合物將土顆粒牢牢黏結(jié)[25]，使土體強度逐漸增大。

酸堿溶液作用后，土體的內(nèi)摩擦角要低于原狀黃土的內(nèi)摩擦角，這是由于水分進(jìn)入土體導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)性減弱。酸性溶液作用時，土體中粉粒含量增加，大顆粒增多，內(nèi)摩擦角增大；堿性溶液作用時，內(nèi)摩擦角相應(yīng)隨溶液堿性增強而增大，其原因尚不明確。

圖3 酸堿溶液浸泡后黃土的滲透系數(shù)Fig.3 Permeability coefficient of the polluted loess

3.4 土的滲透系數(shù)試驗研究

將不同溶液浸泡30 d后的重塑黃土按照最大干密度制備土樣，并采用原浸泡溶液作為滲透溶液進(jìn)行變水頭滲透試驗，得到不同土體的滲透系數(shù)，見圖3。不同溶液浸泡后土體的滲透系數(shù)變化較大，其中用中性去離子水浸泡土體的滲透系數(shù)最??；堿性環(huán)境中，隨溶液pH值增大，土體的滲透系數(shù)增大；酸性環(huán)境中，隨溶液pH值減小，土體的滲透系數(shù)逐漸增大，與王婷等[26]的研究結(jié)果一致。土體滲透系數(shù)與浸泡溶液pH值之間的關(guān)系可以用線性公式進(jìn)行擬合。

影響土體滲透系數(shù)的因素很多，如土的結(jié)構(gòu)、顆粒級配、膠體含量、密度等。當(dāng)用去離子水浸泡土體時，在水的溶解作用下，土體中的易溶鹽溶解于水，部分結(jié)構(gòu)坍塌，堵塞滲透通道，滲透系數(shù)較小。堿性溶液浸泡后，土體的黏粒含量增大(見3.1節(jié))，說明土體中的團(tuán)聚體逐漸分解形成細(xì)小顆粒，在滲流過程中發(fā)生流動，形成新的滲流通道，滲透系數(shù)增大；同時隨著溶液pH值增大，溶液中的Na+增多，而Na+是土體分散的主要影響因素[27]，因此隨著pH值增大，土體中團(tuán)聚體分散的程度增大，土體的滲透系數(shù)增大。酸性溶液浸泡時，土體的易溶鹽、碳酸鹽等與鹽酸反應(yīng)形成易溶于水的礦物，如氯化鈣、氯化鎂等，導(dǎo)致膠結(jié)程度降低，結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，鹽酸溶液pH值越小，化學(xué)溶蝕作用越嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)變異越大，土體的滲透系數(shù)增大。

3.5 土的電阻率

土的電阻率是表征土體導(dǎo)電性的基本參數(shù)，是土的固有物性參數(shù)之一，它是當(dāng)電流垂直通過邊長為1 m的立方體土?xí)r所呈現(xiàn)的電阻大小，單位為(Ω·m)[28]。本研究采用二相電極法，對不同pH值溶液浸泡30 d后土體的導(dǎo)電性進(jìn)行測試。試驗過程中，將用不同溶液浸泡后的土體按照最大干密度和最優(yōu)含水率制成直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體試樣，密封后放入18 °C的保溫箱內(nèi)，待土體溫度恒定后，在試樣兩端均勻涂抹導(dǎo)電膏，在 2 000 Hz的交流電環(huán)境下，采用TH2827C型精密LCR數(shù)字電橋觀測土體的電阻值，并計算出土體的電阻率(見圖4)。

圖4 酸堿溶液浸泡后黃土的電阻率Fig.4 Resistivity of the polluted loess

從圖4中可以看出，隨溶液pH值增加，浸泡后土體的電阻率整體呈現(xiàn)先增后降的趨勢，電阻率與溶液pH值之間的關(guān)系可以用線性公式進(jìn)行擬合。

土體電阻率主要取決于土體含水率以及土中水的電阻率[29]，絕對干燥的土壤的電阻率可以認(rèn)為接近無窮大，隨著含水量增加,土體的電阻率顯著降低[30]。原狀黃土的含水率為13.1%，低于重塑土體配制時的含水率18.9%，因此原狀黃土的電阻率要高于重塑土體的電阻率，并且由于原狀黃土的pH值為8.19，呈弱堿性，因此與pH為7的中性溶液浸泡后土體的電阻率較為接近。

土體電阻率與孔隙溶液中離子的類型和濃度具有相關(guān)性，溶液中不同的離子會采用不同方式影響土體的電阻率[31]。土壤中離子含量的多少決定了其電阻率的大小，離子含量的增大將導(dǎo)致整個土體電阻率的下降[32]。pH值越接近1或14，意味著溶液中H+或OH-的濃度越大，孔隙溶液離子數(shù)目越多，電阻率越低。

孔隙溶液導(dǎo)電性的大小除取決于溶液中離子的數(shù)目、離子所帶電荷數(shù)外，還和溶液中離子的遷移率有關(guān)[32]。遷移率，是指在單位恒定外電場驅(qū)動下離子的運動速度，它與離子本性如離子的電荷數(shù)、離子半徑等、溶劑的黏度、介電常數(shù)、溫度以及電場強度等因素有關(guān)[33]。表5[33]列出了地下水中常見離子在常溫常壓下的遷移率。大多數(shù)離子的遷移率幾乎相同，但H+和OH-的遷移率比其他離子幾乎要大一個數(shù)量級，同時H+的遷移率比OH-要大得多。在其他條件相同時，孔隙溶液的電阻率取決于所含離子的遷移率，遷移率越大，導(dǎo)電性越好，電阻率越小。由于H+的遷移率比OH-要大得多，其濃度升高或降低同樣程度時，酸性溶液電阻率變化幅度更大，擬合直線的斜率絕對值更大。

表5 低濃度時的離子遷移率(25 ℃)Table 5 Ion mobility in low concentrations at 25 ℃

4 結(jié) 論

(1)堿性溶液浸泡后土體黏粒含量增加，強酸溶液浸泡后土體黏粒含量減少；土體的界限含水率發(fā)生變化，液限和塑性指數(shù)隨溶液pH值的增大而逐漸減小，呈線性相關(guān)關(guān)系。

(2)鹽酸溶液浸泡后，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨溶液pH值降低逐漸增加，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；氫氧化鈉溶液浸泡后，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨溶液pH值增加逐漸增大，呈正相關(guān)關(guān)系；堿性環(huán)境中，隨溶液pH值增大，土體的滲透系數(shù)增大；酸性環(huán)境中，隨溶液pH值減小，土體的滲透系數(shù)逐漸增大。

(3)隨溶液酸堿度增加，土體的電阻率整體呈現(xiàn)先增后降的趨勢。

致謝：本論文是在國家留學(xué)基金資助下完成的。向參與試驗工作的楊松生、諶誠、劉瀟涵等同學(xué)致以誠摯的謝意。