酸雨對河道淤泥氣泡混合土工程性質(zhì)的影響

夏磊,顧歡達(dá)

(1.上鐵軌道安徽鐵建工程有限公司，安徽 蚌埠 233000；2.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

在中國江南地區(qū)，伴隨著河道治理及清淤工程的進(jìn)行，每年都會產(chǎn)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(zhì)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(shù)簡便、適用性強(qiáng)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(jìn)展及大量化石燃料的使用，空氣中酸性物質(zhì)積累形成酸雨。酸雨已成為一個影響范圍廣泛、程度比較嚴(yán)重的環(huán)境問題。在工程領(lǐng)域，關(guān)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(jié)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(xué)性能將發(fā)生劣化[3-9]，直接影響工程構(gòu)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(yīng)形成水泥土承載骨架[10-12]，關(guān)于其本身的工程性質(zhì)已有系統(tǒng)研究，并且已有應(yīng)用實(shí)例，但是，考慮酸雨作用對氣泡混合土工程性質(zhì)影響的相關(guān)研究較少。將河道淤泥作為土工材料用于實(shí)際工程時，除了需要考察其物理力學(xué)性能以檢驗工程適用性外，使用過程中的耐久性或性質(zhì)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(lǐng)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(jī)理進(jìn)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(biāo)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)Cu=5.38，曲率系數(shù)Cc=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)IP=17.9，液限ωL=47.1。基于以上測定的基本物理指標(biāo)，再依據(jù)《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(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(qiáng)度和密度的主要因素，而復(fù)配發(fā)泡劑比單一發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣泡穩(wěn)定性好[13]。發(fā)泡劑采用TY復(fù)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?xí)r間≥100 min。TY復(fù)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(gòu)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。

表1 原料土的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of raw soil

圖1 原料土的顆粒級配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of raw

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(yán)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(shè)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ωc、ωe、ω表示，比如水泥摻入比ωc=水泥粉末質(zhì)量/干土質(zhì)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。

表2 氣泡混合土配比Table 2 FMLSS ratio

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(zhì)量，制作氣泡混合土；將制作好的氣泡混合土分3層灌入內(nèi)徑3.9 cm、高7.8 cm的模具中；放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)大約1 d后拆模；繼續(xù)放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)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(nèi)部。滲濾的酸雨對固化體有物理沖刷和化學(xué)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(shè)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(nèi)，氣泡混合土試樣置于用有機(jī)玻璃加工成的滲濾裝置內(nèi)，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(shè)置有調(diào)水閥，以便于調(diào)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(jìn)行9個試樣的滲濾試驗。

圖2 滲濾試驗裝置Fig.2 Diafiltration test

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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)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(jìn)行強(qiáng)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(jìn)行滲濾試驗。

滲濾試驗以滲濾量作為試驗節(jié)點(diǎn)，滲濾量以滲濾液體積數(shù)進(jìn)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(shè)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(diǎn)對應(yīng)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(diǎn)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(jìn)行強(qiáng)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(diǎn)還差50 mL時開始接取約80 mL滲出溶液進(jìn)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(nèi)部堿性物質(zhì)會不斷流失，被固定在固化體內(nèi)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(jìn)行研究，結(jié)果表明：在酸性中和試驗中，當(dāng)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(xué)溶液的侵蝕造成混凝土等水泥基材料、水泥土及巖石強(qiáng)度等力學(xué)性能的劣化與Ca2+等離子溶出有關(guān)[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(xué)溶液之間的反應(yīng)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(yīng)機(jī)制，考察混合土內(nèi)部參與化學(xué)反應(yīng)的礦物成分以及反應(yīng)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(shè)定的試驗節(jié)點(diǎn)，采取經(jīng)過混合土試樣滲濾后的酸液測定pH值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 滲濾液pH值隨滲濾液體積數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curves of pH concentration of

根據(jù)試驗結(jié)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(dāng)滲濾液體積數(shù)達(dá)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(jī)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(dāng)滲濾作用達(dá)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(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙體積增大，酸性溶液容易滲入，同時，酸液與混合土內(nèi)部的礦物接觸面積變大，酸液與混合土的反應(yīng)強(qiáng)度增大，導(dǎo)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(jié)果說明隨著酸雨侵蝕作用的持續(xù)進(jìn)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(qiáng)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(shè)定酸性越強(qiáng)的酸液滲濾后的pH升幅越大，初始設(shè)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(qiáng)，土樣受滲濾作用后中性化進(jìn)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(shè)定的試驗節(jié)點(diǎn)取經(jīng)過混合土試樣滲濾后的酸液測定Ca2+離子濃度，結(jié)果如圖4所示?？疾煸囼灲Y(jié)果及對應(yīng)的相關(guān)關(guān)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(guān)關(guān)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(dá)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??；在滲濾液體積數(shù)大于10.0之后，隨著滲濾的進(jìn)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(jìn)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(dāng)滲濾作用達(dá)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(nèi)部的礦物接觸面積變大，酸液與混合土的反應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)其趨勢越明顯，可以認(rèn)為，在氣泡摻量較少的混合土內(nèi)部氣孔數(shù)量相對較少，利于溶出的土骨架體積相對較大。

圖4 滲濾液Ca2+濃度隨滲濾液體積數(shù)變化曲線Fig.4 Variation curves of Ca2+ concentration of

3 酸雨作用對河道淤泥氣泡混合土物理力學(xué)性質(zhì)的影響

3.1 酸雨作用下物理性質(zhì)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(jié)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(nèi)，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(dāng)滲濾液總量累計到使?jié)B濾液體積數(shù)達(dá)到6.7時，試樣增加的含水率已達(dá)到整個試驗齡期內(nèi)增加含水率的70%～85%，這個值相當(dāng)于浸漬試驗中混合土浸漬28 d時含水率的增加程度。

圖5 含水率隨滲濾液體積數(shù)的變化曲線Fig.5 Variation curves of moisture content

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(jié)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(qiáng)，濕密度增大趨勢越明顯。在滲濾液體積數(shù)達(dá)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(dāng)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(shè)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%。

圖6 濕密度隨滲濾液體積數(shù)的變化曲線Fig.6 Variation curves of wet density with

3.2 酸雨作用下力學(xué)性質(zhì)的變化

3.2.1 河道淤泥氣泡混合土的強(qiáng)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(qiáng)度隨滲濾液體積數(shù)的變化情況。

圖7 峰值強(qiáng)度隨滲濾液體積數(shù)的變化曲線Fig.7 Variation curves of peak strength with

根據(jù)試驗結(jié)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(qiáng)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(jìn)行，增長趨勢趨緩。結(jié)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(qiáng)度增長趨勢；但是，當(dāng)滲濾液總量累計到使?jié)B濾液體積數(shù)達(dá)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(nèi)部土骨架強(qiáng)度，強(qiáng)度增長趨緩。

2)進(jìn)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(qiáng)的pH4.0及pH2.5條件下，隨著滲濾的進(jìn)行，混合土峰值強(qiáng)度增長的幅度小于酸性較弱的pH5.6條件下混合土峰值強(qiáng)度。在設(shè)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(qiáng)度平均值與滲濾前相比分別增大了25.55%、20.35%和20.39%。結(jié)合溶出試驗結(jié)果，較強(qiáng)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(dǎo)致強(qiáng)度低于pH5.6條件下的強(qiáng)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(qiáng)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(shè)定酸度的酸液滲濾作用下峰值強(qiáng)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(dǎo)致混合土強(qiáng)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E50和峰值應(yīng)變隨滲濾液體積數(shù)變化情況。

圖8 E50和峰值應(yīng)變隨滲濾液體積數(shù)的變化曲線Fig.8 Variation curves of E50 and peak strain

由圖示結(jié)果可以得到：

2)經(jīng)3種酸度酸液滲濾作用后混合土的峰值應(yīng)變均呈減小趨勢，即試樣破壞前的應(yīng)變減小，模擬酸雨作用后導(dǎo)致混合土脆性化，且模擬酸雨的酸性越強(qiáng)，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(jié)束時，在設(shè)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(yīng)變平均值與滲濾前相比分別減小了34.00%、36.94%和42.41%。進(jìn)一步考察模擬酸雨滲濾量影響可以發(fā)現(xiàn)，峰值應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(guān)，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。

4 酸雨作用下河道淤泥氣泡混合土礦物組分變化及機(jī)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(jìn)行物相定性測試，圖9列出了部分試驗結(jié)果。

圖9 混合土在pH2.5環(huán)境下不同試驗節(jié)點(diǎn)時的XRD圖譜Fig.9 XRD pattern of FMLSS in pH2.5 environment at different test

考察試驗結(jié)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(qiáng)，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(qiáng)線的強(qiáng)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(qiáng)線的強(qiáng)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(qiáng)線的強(qiáng)度隨氣泡摻量的增加而降低，鈣礬石的晶相主強(qiáng)線的強(qiáng)度隨氣泡摻量增加有小幅度降低。

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(yīng)方程式為

Ca(OH)2+2H+=Ca2++2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+6H+=3Ca2++

2(SiO2·2H2O)+ 2H2O

4CaO·Al2O3·13H2O+8H+=4Ca2++Al2O3·3H2O+ 14H2O

CaSO4+2H2O=CaSO4·2H2O

4CaO·Al2O3·13H2O+3(CaSO4·2H2O)+13H2O= 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+Ca(OH)2

4.2 河道淤泥氣泡混合土物理力學(xué)性質(zhì)與礦物組分變化相關(guān)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(dǎo)致混合土含水率和濕密度均增大。在酸性較強(qiáng)的條件下，混合土中礦物溶出的較多，導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)物水解、溶出，導(dǎo)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(dǎo)致混合土的整體結(jié)構(gòu)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(jié)果導(dǎo)致混合土強(qiáng)度降低且破壞模式向脆性化發(fā)展。在酸性較強(qiáng)的條件下，這些侵蝕效應(yīng)更明顯；酸雨侵蝕效應(yīng)隨氣泡摻量的增加而增大。

5 結(jié)論

利用室內(nèi)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(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)的變化，并且分析了微觀礦物成分變化與物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，主要結(jié)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(yīng)，導(dǎo)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(qiáng)，與混合土的反應(yīng)強(qiáng)度越大，反應(yīng)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(dá)到10.0之前，滲濾液Ca2+濃度隨著滲濾的進(jìn)行而逐漸減小，但當(dāng)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(dāng)滲濾液累計量達(dá)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(qiáng)，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E50和峰值強(qiáng)度隨滲濾量的增加呈增大趨勢，而峰值應(yīng)變呈減小趨勢，且在滲濾初期，變形模量和強(qiáng)度增幅以及峰值應(yīng)變減幅較大。隨著模擬酸雨酸性的增強(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)度增長幅度相對降低。

4)根據(jù)XRD試驗分析結(jié)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(dǎo)致混合土的宏觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起物理力學(xué)性質(zhì)的變化。