桂林地區(qū)堿污染紅黏土力學(xué)效應(yīng)弱化試驗

牟春梅,韋瑜璽,張 巖

(桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院;b.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室,廣西 桂林 541004)

0 引 言

桂林地區(qū)廣泛分布的紅黏土是由碳酸鹽巖類巖石, 包括玄武巖、 花崗巖等, 在濕熱氣候下經(jīng)風(fēng)化后殘積、 坡積形成的褐紅色、 棕紅色或黃褐色黏土, 具有孔隙大、含水量高、液塑限高等特點, 且結(jié)構(gòu)性強, 存在上硬下軟的成層分布特征。

對土體污染的研究和保護,歐美等許多國家自20世紀70年代就已開始,主要側(cè)重于對廢棄物填埋場及污染土處理等方面,并逐漸把電滲法和動電技術(shù)引入到污染土處理研究領(lǐng)域[1]。國內(nèi)學(xué)者從20世紀80年代中期開展了一系列研究:文獻[2-3]研究了紅黏土受到有機質(zhì)污染后其物理力學(xué)特性的變化規(guī)律;顧展飛等[4]以桂林紅黏土為研究對象,對浸泡于不同濃度的HCl、 NaOH、 Fe(NO3)3和Al(NO3)3溶液中的試樣進行固結(jié)實驗; 顧季威[5]將坡積土和亞粘土土樣浸沒在廢堿液中27天, 模擬福建某造紙廠對地基土的腐蝕過程; 趙莎等[6]對在不同濃度堿液中養(yǎng)護不同時間的貴陽紅黏土進行物理力學(xué)指標的測定。 文獻[7-15]也作了相關(guān)研究。

以上研究大多都是針對工業(yè)生產(chǎn)帶來的污染。而本文的研究側(cè)重于農(nóng)業(yè)及生活垃圾、污水等污染紅黏土。在農(nóng)業(yè)上,化肥(尿素、 銨態(tài)氮肥)、 農(nóng)藥(鈉鹽制劑、 鉀鹽制劑)的不合理施用會導(dǎo)致土體堿化, 養(yǎng)殖場畜禽糞便利用率低且隨意堆積也會導(dǎo)致土壤堿化; 生活中大量含有洗滌劑(洗衣粉、 沐浴露)的生活污水隨意排放也是引起土體堿化的原因之一。 基于此, 圍繞巖溶區(qū)污染紅黏土工程地質(zhì)性質(zhì)變化規(guī)律這一課題, 選取具有代表性的桂林雁山地區(qū)紅黏土作為試驗土樣, NaOH為堿類污染物, 考慮堿濃度(0、 4%、 8%、 12%)和養(yǎng)護時間(1、 7、 14 d)雙因子因素,人工制備堿污染紅黏土土樣,對堿污染紅黏土的力學(xué)性質(zhì)開展試驗,探究堿污染紅黏土力學(xué)效應(yīng)弱化的機理。

1 堿污染紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)試驗

1.1 土樣及污染物的選取

土樣取自桂林雁山地區(qū), 取土深度1～2 m, 主要由更新世殘積、 殘坡積及沖洪積組成并經(jīng)后期濕熱化作用改造形成的高塑性黏土, 紅黏土厚度為1～25 m, 其下伏巖性為厚層灰?guī)r。 土樣在陽光下自然暴曬風(fēng)干,風(fēng)干后含水率約為2%～3%,用木槌敲碎并過2 mm標準篩,放入密封塑料桶內(nèi)備用。紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。

桂林地區(qū)堿污染紅黏土的污染物成分極其復(fù)雜,主要來自農(nóng)藥噴灑、化肥使用、農(nóng)畜及生活污水等,這些污染物易導(dǎo)致土體堿化,考慮堿化過程是指交換性鈉不斷進入土壤吸收性復(fù)合體的過程,以及便于溶液的配制,本文選取常見的且具有代表性的氫氧化鈉(NaOH)作為污染物,純度大于等于96%,其他含有雜質(zhì)較多的成分為碳酸鹽,含量約為1.5%。

1.2 污染土樣的制備

堿溶液的配制: 將純度為96%氫氧化鈉晶體分別配制成0、 4%、 8%、 12%的NaOH溶液(wB), 分裝在不同的試劑瓶內(nèi), 貼上標簽。

污染土樣的制備: 將不同濃度的NaOH溶液分別與紅黏土充分拌合后密封靜置24 h, 使其充分反應(yīng),在室溫條件下密封靜置分別養(yǎng)護1、 7和14 d, 室內(nèi)試驗測定其實際含水率為29.0%～31.0%。 同一條件下的試樣制備5個, 進行平行試驗。

1.3 試驗方案

將制備好的不同堿濃度、不同浸泡養(yǎng)護時間的紅黏土試樣,直接進行室內(nèi)直剪試驗和壓縮試驗,獲取堿污染紅黏土的抗剪強度指標與變形指標,探究不同濃度堿溶液、不同浸泡養(yǎng)護時間條件下紅黏土力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。

表1 紅黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 堿污染紅黏土的直剪試驗

2.1.1 抗剪強度的變化 強度變化試驗是針對不同堿濃度(0、 4%、 8%、 12%)、 不同浸泡養(yǎng)護時間(1、 7、 14 d)的紅黏土試樣進行的直接剪切試驗,分析研究不同濃度、不同浸泡養(yǎng)護時間對堿污染紅黏土強度特性的影響，試驗結(jié)果詳見表2。

對數(shù)據(jù)進行分析可以得出:浸泡養(yǎng)護時間相同、豎向壓力相同,隨著堿濃度的增加紅黏土抗剪強度都是遞減的;浸泡養(yǎng)護時間相同、不同堿濃度的紅黏土隨著豎向壓力的增加,抗剪強度都是遞增的,且增幅值比較均勻。由于較難看出浸泡養(yǎng)護時間不同、堿濃度不同,豎向壓力相同情況下紅黏土抗剪強度的變化程度,故選取垂直壓力200和400 kPa,將對應(yīng)的強度變化值進行繪圖分析。圖1反映堿污染紅黏土抗剪強度隨堿濃度和養(yǎng)護時間變化的程度，其中，η為不同濃度堿污染紅黏土的抗剪強度與原狀土抗剪強度之差占原狀土抗剪強度的比例。

表2 堿溶液污染紅黏土的抗剪強度值

Table 2 Shear strength of red clay contaminated with NaOH solution kPa

養(yǎng)護時間/d垂直壓力w(NaOH)/%04812110067.3776.7568.9260.49200112.52104.3598.6787.53300162.31150.37144.91127.18400214.78202.98197.09183.56710067.4158.1554.6747.24200112.4397.3594.7880.43300162.35142.67135.89113.28400214.86189.58181.39157.461410067.3849.1246.5343.86200112.4393.0491.3175.98300162.30138.42131.17106.44400214.85181.65172.26150.07

圖1 NaOH溶液污染紅黏土抗剪強度隨堿濃度和養(yǎng)護時間的變化程度曲線Fig.1 Shear strength curve of alkali contaminated with red clay with alkali concentration and curing time

結(jié)果表明: 1)不論養(yǎng)護時間的長短, 與原狀土(NaOH濃度為0，下同)相比, 堿污染都會引起紅黏土抗剪強度的減小。 2)在豎向壓力、 養(yǎng)護時間一定, 隨著NaOH濃度的增大, 堿污染紅黏土的抗剪強度減小的程度逐漸增大。 當NaOH濃度按0、 4%、 8%、 12%變化時, 豎向壓力200 kPa, 養(yǎng)護時間1 d時, 與原狀土相比, 堿污染紅黏土的抗剪強度分別減小了7.3%、 12.3%、 22.2%; 豎向壓力400 kPa, 養(yǎng)護時間7 d時, 與原狀土相比, 其抗剪強度分別減小了 11.8%、 15.6%、 26.7%; 豎向壓力400 kPa, 養(yǎng)護時間14 d時, 與原狀土相比, 其抗剪強度分別減小了15.5%、 19.8%、 30.2%。 3)在豎向壓力一定, NaOH濃度在0、4%、 8%、 12%變化, 養(yǎng)護時間對原狀土的抗剪強度無影響, 但對于堿污染紅黏土, 隨著養(yǎng)護時間的延長, 其抗剪強度減小的幅度增大。 當NaOH濃度變化時, 在同一豎向壓力下(200 kPa), 養(yǎng)護時間1 d時, 與原狀土相比, 堿污染紅黏土的抗剪強度分別減小了7.3%、 12.3%、 22.2%; 養(yǎng)護時間7 d時, 與原狀土相比, 堿污染紅黏土的抗剪強度分別減小了13.4%、 15.7%、 28.5%; 養(yǎng)護時間14 d時, 與原狀土相比, 堿污染紅黏土的抗剪強度分別減小了17.2%、 18.8%、 32.4%, 可見隨著養(yǎng)護時間的延長, 堿污染紅黏土的抗剪強度減小的幅度增大。

由以上分析可知,當堿溶液侵蝕紅黏土試樣時,隨著堿濃度和養(yǎng)護時間的增加,膠結(jié)作用較為明顯,所以抗剪強度降低趨勢較為緩慢,當堿溶液濃度進一步加大時,膠體生成量減小,由膠結(jié)作用生成的沉淀物和其他物質(zhì)發(fā)生溶解,使得紅黏土試樣的抗剪強度再次發(fā)生較大的降低。

2.1.2 抗剪強度指標的變化 直剪試驗的最終目的是確定土的抗剪強度指標[16]。由表2中的強度值τ,根據(jù)抗剪強度的數(shù)學(xué)表達式,即庫倫定律τ=σtgφ+c,可得到不同浸泡養(yǎng)護時間、不同堿溶液濃度,堿污染紅黏土試樣的抗剪強度參數(shù)值。為了比較直觀地看出不同養(yǎng)護時間、不同堿溶液濃度時強度參數(shù)增減幅值的變化情況,根據(jù)表3中的強度參數(shù)值繪制圖2。

(1)在原狀土狀態(tài), 當養(yǎng)護時間1 d時, 紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為16.51 kPa、26.67°; 當養(yǎng)護時間7 d時, 紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為16.20 kPa、26.21°; 當養(yǎng)護時間14 d時,紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為16.23 kPa、26.28°。 可見, 未被污染的紅黏土的抗剪強度指標隨養(yǎng)護時間的增加則無明顯變化。

圖2 NaOH溶液污染紅黏土抗剪強度指標隨養(yǎng)護時間的變化情況Fig.2 Variation of shear strength index of red clay contaminatedwith different mass fraction of NaOH solution with curing time

表3 NaOH溶液污染紅黏土抗剪強度指標

(3)在堿濃度相同,隨著養(yǎng)護時間的增加(1 d→14 d),堿污染紅黏土的黏聚力與內(nèi)摩擦角的減小程度變大。當養(yǎng)護時間按1、7和14 d變化時,NaOH溶液濃度為4%,堿污染紅黏土的黏聚力的變化程度分別為7.1%、25.7%、37.6%;NaOH濃度為12%,其黏聚力的變化程度分別為16.5%、46.1%、58.8%。同理,養(yǎng)護時間按1、7和14 d變化時,NaOH濃度為4%,堿污染紅黏土的內(nèi)摩擦角的變化程度分別為5.5%、10.8%、12.8%;NaOH濃度為8%,堿污染紅黏土的內(nèi)摩擦角的變化程度分別為7.7%、12.9%、16.1%?？梢?對于堿污染紅黏土,不論堿溶液濃度的高低,隨著土樣養(yǎng)護時間的延長,其黏聚力與內(nèi)摩擦角減小的程度是逐漸變大的。對比養(yǎng)護時間1、7與14 d情況下堿污染紅黏土的黏聚力與內(nèi)摩擦角的減小幅度可知,養(yǎng)護時間在1 d→7 d堿污染紅黏土的黏聚力與內(nèi)摩擦角減小的幅度大于養(yǎng)護時間在7 d→14 d的,表明在堿溶液濃度相同,堿污染紅黏土的黏聚力與內(nèi)摩擦角減小的幅度在第7天開始減小。

2.2 堿污染紅黏土的壓縮試驗

2.2.1 孔隙比的變化 為了便于比較孔隙比e的變化程度,本文取NaOH溶液污染紅黏土的初始孔隙比e0以及在p1=100 kPa和p2=200 kPa壓力下固結(jié)穩(wěn)定時的孔隙比e1和e2進行對比,圖3反映了堿污染紅黏土孔隙比隨NaOH濃度與養(yǎng)護時間的關(guān)系。

圖3 NaOH溶液污染紅黏土孔隙比的變化Fig.3 Change of void ratio of red clay contaminated by NaOH solution

紅黏土被NaOH溶液污染腐蝕后,初始孔隙比均大于未被污染紅黏土(原狀土), 隨著NaOH溶液濃度的增大, 各養(yǎng)護時間下(7、 14 d)初始孔隙比呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。紅黏土在p1=100 kPa與p2=200 kPa壓力下固結(jié)穩(wěn)定時的孔隙比e1和e2總體小于初始孔隙比。當壓力值為p1=100 kPa時，其孔隙比隨NaOH溶液濃度的增大而增大；壓力值為p2=200 kPa時，孔隙比隨NaOH溶液濃度的增大呈現(xiàn)增大的變化趨勢。紅黏土未被污染時,孔隙比的變化范圍最小。在3種荷載作用下(無荷載、p1=100 kPa與p2=200 kPa),污染紅黏土的孔隙比e0、e1和e2均大于對應(yīng)荷載作用下未被污染紅黏土的孔隙比,養(yǎng)護時間為14 d,NaOH濃度為8%,與未被污染紅黏土相比,堿污染紅黏土的孔隙比e0、e1和e2分別增大了0.057、0.089、0.026,由此說明堿溶液對土樣的孔隙比變化有一定作用。在相同NaOH濃度下,養(yǎng)護時間從1 d增加到14 d,其孔隙比的變化趨勢大致相同,變化的幅度逐漸增大。

2.2.2 壓縮模量的變化 通過土的壓縮系數(shù)a與土的壓縮模量Es可直觀地研究堿污染紅黏土的壓縮特性。

式中:pi表示某級相對應(yīng)的壓力值;ei表示某級壓力下的孔隙比。取垂直壓力間隔p1=100 kPa到p2=200 kPa,對應(yīng)土的壓縮系數(shù)a1-2和壓縮模量Es1-2代表堿污染紅黏土試樣的壓縮性能。

NaOH溶液污染紅黏土的壓縮模量隨堿濃度和養(yǎng)護時間的變化情況如圖4所示:(1)在養(yǎng)護時間相同的情況下,養(yǎng)護時間為1 d,隨著NaOH濃度從0增加到12%,與原狀土相比,堿污染紅黏土的壓縮模量分別減小了0.094、1.267、1.581 MPa;養(yǎng)護7 d時,隨著NaOH濃度的增加到12%,堿污染紅黏土的壓縮模量分別減小了0.380、1.469、2.057 MPa;養(yǎng)護14 d時,隨著NaOH濃度的增加, 堿污染紅黏土的壓縮模量分別減小了0.460、 1.672、 2.016 MPa。 可見, 隨著NaOH濃度的增大, 堿污染紅黏土壓縮模量的減小程度逐漸增大, 在NaOH濃度為4%～8%, 其變化的程度最大,NaOH濃度為8%～12%次之。(2)在相同NaOH濃度下, 隨著養(yǎng)護時間的增加, 堿污染紅黏土的壓縮模量逐漸減小, NaOH濃度為4%, 養(yǎng)護時間為1、 7和14 d時, 堿污染紅黏土的壓縮模量分別為3.590、 3.301、 3.220 MPa; NaOH濃度為8%, 養(yǎng)護時間為1、 7和14 d時, 堿污染紅黏土的壓縮模量分別為2.417、 2.212、 2.015 MPa。 在同一NaOH濃度下, 堿污染紅黏土的壓縮模量受養(yǎng)護時間的影響, 隨著養(yǎng)護時間的增加,其壓縮模量逐漸減小。

圖4 NaOH溶液污染紅黏土的壓縮模量的變化Fig.4 Change of compression modulus of red clay contaminated with NaOH solution

不同濃度的NaOH溶液紅黏土在不同養(yǎng)護時間的情況下,壓縮系數(shù)增大,壓縮模量逐漸減小,變形能力增強,土體壓縮性增大。究其原因,當堿溶液侵入紅黏土后,堿-土作用使土顆粒間的聯(lián)結(jié)物質(zhì)被溶解,導(dǎo)致顆粒間的膠結(jié)力減小,從而使堿污染紅黏土的壓縮系數(shù)的增大,壓縮模量減小,引起土體壓縮性增大。

3 堿污染紅黏土力學(xué)效應(yīng)弱化機理

堿-土作用的4個階段是引起紅黏土力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的主要原因,其相互作用引起了紅黏土顆粒的變化,使其原本穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生改變。以下結(jié)合堿-土作用結(jié)構(gòu)示意圖5及化學(xué)反應(yīng)式詳細分析堿污染紅黏土力學(xué)效應(yīng)弱化機理。

圖5 NaOH溶液污染紅黏土的堿-土作用情況結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of alkali-soil interaction of red clay polluted by NaOH solution

圖5c為污染紅黏土的中期膠結(jié)作用結(jié)構(gòu)示意。隨著堿溶液侵入土體的時間增長,紅黏土和堿溶液充分反應(yīng),NaOH與紅黏土中的膠結(jié)物質(zhì)SiO2和晶體物質(zhì)Al2O3發(fā)生反應(yīng),分別形成具有黏聚性物質(zhì)Na2SiO3和NaAlO2,由于Na2SiO3化學(xué)性質(zhì)不太穩(wěn)定,易吸潮,易溶于水,在溶液中易與H2O、CO2發(fā)生反應(yīng),生成H2SiO3和Na2CO3,其中H2SiO3為膠體,Na2CO3為晶體。同理,NaAlO2在水中發(fā)生水解,生成Al(OH)3(絮狀沉淀物)。圖5d為污染紅黏土的后期溶解作用結(jié)構(gòu)示意。新生成的膠體物質(zhì)性質(zhì)不穩(wěn)定,極易溶于水,使土顆粒間的膠結(jié)能力變差,從而導(dǎo)致受到堿污染的紅黏土壓縮性增強。反應(yīng)方程式如下:

4 結(jié) 論

本文僅針對不同堿液濃度污染紅黏土分別在養(yǎng)護1、7、14 d的力學(xué)試驗的結(jié)果分析,目前還在開展更多養(yǎng)護時間、不同堿液濃度污染土樣的雙因子條件下的力學(xué)特性試驗。階段性試驗成果如下:

(1)在豎向壓力,養(yǎng)護時間一定(如400 kPa,7 d),隨著堿濃度遞增(4%→8%→12%),堿污染紅黏土的抗剪強度τ分別減小了11.8%、15.6%、26.7%,且τ減小的幅度變大;在豎向壓力一定(200 kPa),堿濃度在4%→8%→12%,隨著養(yǎng)護時間延長(1 d→14 d),堿污染紅黏土的抗剪強度分別減小了7.3%、12.3%、22.2%和13.4%、15.7%、28.5%和17.2%、18.8%、32.4%。堿污染紅黏土的抗剪強度隨著養(yǎng)護時間的增加其遞減的變幅率增大。

(2)原狀紅黏土的強度指標隨養(yǎng)護時間的增加無明顯變化。堿污染紅黏土在養(yǎng)護時間一定(如1 d),隨著堿濃度的增大,其c、φ分別減小了7.1%、10.0%、16.5%和5.5%、7.7%、10.8%,且堿溶液濃度在0～4%和8%～12%時c、φ的變化幅度均大于4%～8%;在堿濃度一定(4%)時, 隨著養(yǎng)護時間的增加(1 d→14 d),堿污染紅黏土的c、φ減小幅度分別為7.1%、25.7%、37.6%和5.5%、9.5%、12.7%,隨著養(yǎng)護時間的增加,c、φ值遞減的變幅率增大。低濃度和高濃度以及養(yǎng)護時間對c、φ值的影響較大。

(3)堿濃度一定,隨著養(yǎng)護時間增加, 孔隙比的變化趨勢大致相同, 變幅值逐漸變大; 養(yǎng)護時間一定(7 d), 隨著堿濃度的增加, 堿污染紅黏土的壓縮模量分別減小了0.380、 1.469、 2.057 MPa, 其減小幅值逐漸增大, 堿濃度為4%～8%, 遞變幅值最大, 8%～12%的次之; 堿濃度一定(8%), 養(yǎng)護時間增加(1 d→14 d),堿污染紅黏土的壓縮模量分別為2.417、 2.212、 2.015 MPa。 堿污染紅黏土的壓縮模量對養(yǎng)護時間最敏感。

(4)堿-土作用過程中,由水解作用電離出的OH-與紅黏土中起膠結(jié)作用的礦物質(zhì)(SiO2、 Al2O3)發(fā)生系列物理化學(xué)反應(yīng),使污染紅黏土土顆粒間的膠結(jié)物被溶解后又重新生成絮狀物,導(dǎo)致土顆粒間的膠結(jié)能力減小,土體原本穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生改變,變形能力增強,抗剪強度減小。堿-土相互作用是導(dǎo)致桂林地區(qū)堿污染紅黏土力學(xué)效應(yīng)弱化的根本原因。