pH值對云南紅黏土力學特性及微觀結構的影響

潘 泰，趙貴濤，黃 英

(1.云南經(jīng)濟管理學院工程學院，昆明 650500；2.武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072； 3.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650500)

0 引 言

云南省位于中國西南邊陲，隨著其近幾年工業(yè)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，比如，昆鋼、中石油云南煉油項目等重大項目的落成，高鐵、高速公路的快速建設，煙草、化工等傳統(tǒng)行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，云南省經(jīng)濟處于持續(xù)高速發(fā)展狀態(tài)。然而，工業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的“廢氣、廢水、廢渣”在排放到周圍環(huán)境時不可避免地對周圍土體造成污染，而這種帶有酸性或堿性的污染物在與土體接觸時，會與土體中的物質發(fā)生化學反應，造成土體結構的改變，進而影響土體的物理和力學性能[1-3]，從而影響土工構筑物的安全性和穩(wěn)定性。

國內(nèi)外許多學者進行了大量研究來探明酸性或堿性條件對土體的侵蝕作用，但利用溶液pH值將酸性、堿性進行綜合對比分析的研究較少。例如：師瑩琨等[4]研究了不同pH值養(yǎng)護環(huán)境中摻入玻璃纖維對水泥力學性能的影響；王念秦等[5]通過室內(nèi)剪切試驗研究了不同濃度鹽酸溶液對離石黃土剪切特性的影響；牟春梅等[6]研究了不同質量分數(shù)的鹽酸溶液對桂林紅黏土力學性能的影響，同時揭示了酸污染紅黏土力學效應弱化機理；Gratchev等[7]采用剪切試驗研究了酸濃度對原狀土強度參數(shù)的影響；常錦等[8]采用飽和慢剪切試驗研究了酸雨入滲對膨脹土抗剪強度的影響；李高等[9]采用剪切和壓縮試驗研究了遷入條件下云南堿污染紅土的工程特性；陳筠等[10]采用室內(nèi)直剪試驗研究了貴陽堿污染紅黏土抗剪強度及破裂面微觀結構特征；李善梅等[11]研究了pH值變化對桂林紅黏土界限含水率的影響及其機理。而針對云南紅黏土在全pH值范圍包含強酸和強堿條件下以及不同酸堿作用時間的力學特性演化試驗探究還不夠完善。

本文針對云南紅黏土，選用鹽酸(HCl)和氫氧化鈉(NaOH)對土體進行酸堿處理，通過室內(nèi)直剪試驗探究了酸堿污染紅黏土的力學特性演化規(guī)律，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了土體微觀結構的變化，揭示了土體強度衰減的內(nèi)在機理。本文研究對云南地區(qū)酸堿污染條件下土工構筑物的建設和工程病害防治與分析具有指導意義。

1 實 驗

1.1 材料選取與制備

1.1.1 試驗用土

試驗用土取自云南省昆明市呈貢大學城地下3 m左右，按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)測得其基本物理性質，結果見表1。如表1所示，該土樣的塑性指數(shù)大于17，屬于黏土。將土樣送往云南省地礦局中心實驗室，通過化學分析試驗測得紅黏土化學成分，結果見表2。如表2所示，該土樣的主要化學成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3。

表1 紅黏土的基本物理性質指標Table 1 Basic physical properties indexes of laterite

表2 紅黏土的化學成分Table 2 Chemical compositions of laterite

1.1.2 不同pH值溶液制備

將鹽酸溶液和氫氧化鈉粉末分別放入燒杯中并加入去離子水配制成pH值分別為0.5、1.6、2.6、12.0、13.0、13.8的六種溶液，考慮到昆明地下水pH值為8.2，因此另外再配制pH值為8.2的溶液模擬原狀紅黏土的酸堿度，溶液配制完成之后用保鮮膜密封備用。

1.1.3 試驗土樣制備

將風干、磨碎并過2 mm篩的紅黏土放置在105 ℃的烘箱中烘干處理8 h，將pH值為0.5、1.6、2.6、8.2、12.0、13.0、13.8的七種溶液分別用噴壺均勻噴灑在500 g紅黏土上，浸潤24 h后制備成含水率為28.0%(質量分數(shù))的濕土膏，取濕土105 g，選用擊樣法將土膏制備成干密度為1.37 g/cm3的環(huán)刀試樣，將試樣密封放置在20 ℃恒溫水箱中，其中一部分試樣用于直剪試驗，一部分用于SEM測試。

1.2 試驗方法

1.2.1 直剪試驗

考慮pH值變化和酸堿作用時間兩個影響因素，確定兩種試驗方案，具體見表3。

表3 紅黏土直剪試驗方案Table 3 Direct shear test schemes for laterite

方案一：考慮pH值變化，選取酸堿作用時間為定值。為了讓土樣與不同pH值溶液進行充分的化學反應，選取酸堿作用時間3 d之后開展100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa法向應力下的直剪試驗，分析不同pH值下紅黏土的抗剪強度特征。

方案二：考慮酸堿作用時間變化，選取pH值為0.5和13.8的溶液處理后的試樣進行100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa法向應力下的直剪試驗。參考文獻[12]，強酸、強堿作用下的最佳浸潤時間分別選定為18 h和24 h。然后，將制好的試樣放入恒溫水槽中，待達到試驗設定的作用時間后開展各級法向應力下的直剪試驗，分析不同酸堿作用時間下紅黏土的抗剪強度特征，需要指出的是，文中酸堿作用時間包含浸潤時間。

1.2.2 微觀結構表征

選用美國MLA-650型掃描式電子顯微鏡觀察試樣在酸堿作用之后微觀結構的變化。分別在直剪試驗前后的試樣上取1～2 g進行試驗，試驗前用液氮冷卻法去除試樣內(nèi)部水分。最后用Metlab軟件編程對微觀結構照片進行處理并提取特征數(shù)據(jù)，定量分析土體微觀結構的演化。

2 結果與討論

2.1 pH值變化對紅黏土抗剪強度特性的影響

圖1 pH值對紅黏土抗剪強度的影響Fig.1 Effect of pH value on shear strength of laterite

圖1給出了經(jīng)歷不同pH值酸堿作用后試樣的直剪結果，即不同pH值條件下紅黏土的抗剪強度及包絡線。從圖1可以看出：

(1)不同法向應力情況下，與pH=8.2相比，隨著pH值的增大或減小，抗剪強度逐漸降低，pH值為8.2時試樣抗剪強度最大，pH值為0.5和13.8時抗剪強度最小。

(2)pH值為1.6、2.6、8.2、12.0、13.0時，不同法向應力下，試樣抗剪強度集中分布在上方，當酸性和堿性繼續(xù)增強至pH=0.5和pH=13.8時，試樣抗剪強度出現(xiàn)大幅度衰減,即在強酸、強堿情況下，紅黏土工程性質發(fā)生劣變。

(3)定義紅黏土的加權平均抗剪強度(τfm)如式(1)所示。相比pH值為8.2，pH值為0.5、1.6、2.6、12.0、13.0、13.8時，試樣的加權平均抗剪強度分別減小40.6%、7.7%、3.0%、2.3%、8.7%、43.7%，且隨著酸性和堿性的增強，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ都逐漸減小。強堿條件下污染紅黏土與強酸條件下污染紅黏土相比，其黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均更小，即堿污染紅黏土的工程性質更差。

(1)

式中：τfm為加權平均抗剪強度；σ1、σ2、σ3、σ4為各級法向應力；τf1、τf2、τf3、τf4為各級法向應力下對應的抗剪強度。

2.2 作用時間變化對紅黏土抗剪強度特性的影響

圖2給出了不同酸堿作用時間下，pH值為0.5和13.8時，即強酸、強堿條件下，紅黏土的抗剪強度變化情況。

圖2 酸堿作用時間對紅黏土抗剪強度的影響Fig.2 Effect of acid and alkali action duration time on shear strength of laterite

從圖2可以看出，pH值為0.5和13.8時，酸堿污染紅黏土的抗剪強度、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ隨著酸堿作用時間延長都逐漸減小，最后都趨于穩(wěn)定。當pH值為0.5時，與作用時間1 d相比，作用時間為3 d、7 d、15 d、30 d時，紅黏土的加權平均抗剪強度分別減小22.6%、37.8%、37.2%、39.3%；當pH值為13.8時，與作用時間1 d相比，作用時間為3 d、7 d、15 d、30 d時，紅黏土的加權平均抗剪強度分別減小32.4%、49.3%、50.3%、50.7%，由此可知酸堿污染紅黏土的加權平均抗剪強度減小幅度在作用時間1～7 d內(nèi)較大，在作用時間7～30 d內(nèi)較小并趨于穩(wěn)定，并且堿污染紅黏土的加權平均抗剪強度減小幅度更大。

表4給出了不同酸堿作用時間下，pH值為0.5和13.8時，即強酸、強堿條件下，紅黏土的主要化學成分變化情況。

表4 酸堿作用時間對紅黏土主要化學成分的影響Table 4 Effect of acid and alkali action duration time on major chemical components of laterite

從表4可以看出，HCl和NaOH侵蝕紅黏土過程分為兩個階段：前期劇烈反應階段(1～7 d)和后期穩(wěn)定階段(7～30 d)。云南紅黏土的主要礦物成分是高嶺石、褐鐵礦、石英，次要礦物是銳鈦礦、三水鋁石、蒙脫石[14]，這些礦物的主要化學成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3(含量見表2)。前期劇烈反應階段中，Al2O3、Fe2O3與HCl反應生成AlCl3、FeCl3，SiO2、Al2O3、游離Fe2O3與NaOH反應生成Na2SiO3、NaAlO2、Fe(OH)2，新產(chǎn)生的物質溶解在孔隙液中，紅黏土孔隙增大，顆粒間膠結物質減少，土體變得松散，所以紅黏土的抗剪強度急劇下降，SiO2在紅黏土中含量最多且只與NaOH發(fā)生化學反應，所以堿污染紅黏土的抗剪強度減小幅度更大。后期穩(wěn)定階段中，新生成的物質又在酸堿溶液中發(fā)生離子交換反應生成膠體H2SiO3、Al(OH)3、Fe(OH)3，這些膠體物質吸附在土顆粒表面穩(wěn)定土體結構，同時又溶解在孔隙溶液中生成可溶鹽，最終離子平衡，抗剪強度達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 微觀結構對抗剪強度變化的響應

2.3.1 微觀結構照片倍數(shù)選取

圖3給出了pH值為13.8時，堿作用時間為3 d的不同放大倍數(shù)下直剪試驗前紅黏土的SEM照片。

圖3 不同放大倍數(shù)下直剪試驗前紅黏土SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of laterite before direct shear test with different magnifications

從圖3可以看出:500倍SEM照片顯示孔隙較小，平片疊聚式粒團和溶劑化層無法區(qū)分；2 000倍SEM照片能清晰顯示孔隙大小、土體密實情況，還能顯示較多粒團以及粒團間的溶劑化層；5 000倍SEM照片顯示出的孔隙較大、顆粒較少、粒團較少；10 000倍SEM照片只能顯示出極少數(shù)粒團和粒團間的結構連結。所以選擇放大2 000倍SEM照片作為研究對象。

2.3.2 不同pH值下微觀結構對比

圖4給出了作用時間為3 d，不同pH值直剪試驗前紅黏土的SEM照片。

從圖4可以看出，pH值為8.2時紅黏土結構連結較強，平片疊聚式粒團較多且排列整齊、緊密，pH值為0.5、2.6和13.8時酸堿污染紅黏土結構連結較差，平片疊聚式粒團減少且排列紊亂，其中堿污染紅黏土的平片疊聚式粒團之間的結構連結破壞，粒團之間充滿溶劑化層，體現(xiàn)出較差的工程性質，對應了前文酸堿污染紅黏土的抗剪強度較差且堿污染紅黏土的抗剪強度最差的結論。

圖4 不同pH值下紅黏土微觀結構照片F(xiàn)ig.4 Microstructure images of laterite at different pH values

2.3.3 不同作用時間下微觀結構照片對比

圖5給出了pH值為0.5時，不同作用時間下直剪試驗前紅黏土的SEM照片。

圖5 不同作用時間下紅黏土微觀結構照片F(xiàn)ig.5 Microstructure images of laterite under different action duraction time

從圖5可以看出，隨著作用時間延長，酸污染紅黏土的孔隙增大，土顆粒變得分散，結構連結變?nèi)?，平片疊聚式粒團之間的溶劑化層增加。15 d時粒團之間的結構連結被破壞，粒團表面出現(xiàn)溶劑化層，30 d時土體表面有較發(fā)育的溶劑化層，且粒團內(nèi)部黏土礦物顆粒之間的結構連結被破壞，土顆粒分散，土體結構破壞嚴重。此現(xiàn)象證明隨著作用時間延長，酸污染紅黏土的工程性質變差，抗剪強度減小。

2.3.4 剪切前后微觀結構對比

圖6給出了作用時間為3 d，pH值為0.5和13.8時，剪切前后紅黏土的SEM照片。

從圖6可以看出，pH值為0.5時，酸污染紅黏土剪切后，顆粒排列更加整齊，平片疊聚式粒團更具有定向性，這是因為HCl溶液短時間內(nèi)只能破壞粒團間的結構連結，土體受到外力作用時，所有粒團更容易朝著一個方向運動。pH值為13.8時，堿污染紅黏土剪切后，平片疊聚式粒團減少，顆粒聚集在一處，孔隙增大，這是因為NaOH溶液短時間內(nèi)可以破壞粒團間的結構連結和粒團內(nèi)部黏土礦物顆粒之間的結構連結，土體受到外力時，顆粒更容易產(chǎn)生位移。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，堿污染紅黏土的工程性質較差。

圖6 剪切前后紅黏土微觀結構照片F(xiàn)ig.6 Microstructure imags of laterite before and after shearing

2.3.5 微觀結構特征參數(shù)分析

采用與文獻[15]相同的方法得到剪切前后紅黏土的孔隙率n和顆粒分布分維Dk。圖7給出了作用時間為3 d，pH值為0.5、2.6、8.2、13.8時，n和Dk的演化規(guī)律。

圖7 不同pH值下剪切前后紅黏土微觀結構特征參數(shù)Fig.7 Microstructure characteristic parameters of laterite before and after shearing at different pH values

從圖7可以看出，與pH值為8.2時相比，pH值為0.5、2.6、13.8時，剪切前孔隙率n分別增加34.7%、28.4%、69.2%，剪切后孔隙率n分別增加39.3%、18.8%、49.5%，剪切前顆粒分布分維Dk分別減少11.9%、7.8%、16.1%，剪切后顆粒分布分維Dk分別減少8.3%、4.9%、11.7%。這是因為原狀紅黏土的粒團間和粒團內(nèi)部顆粒間都有較強的連結，孔隙率小，土體結構復雜，酸堿溶液侵蝕土體，膠結物質減少，粒團間和粒團內(nèi)部顆粒間的連結被破壞后出現(xiàn)溶劑化層，孔隙變大，土體結構被破壞，受到外力作用時，土顆粒易發(fā)生位移聚集在一處。

3 結 論

(1)與pH值為8.2下相比，隨著pH值升高或者降低，紅黏土顆粒間的膠結物質溶解在孔隙液中，土體結構受到破壞，土顆粒間的內(nèi)摩阻力減小，酸堿污染紅黏土的抗剪強度、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ都逐漸減小。

(2)pH值為0.5和13.8時，隨著酸堿作用時間延長，HCl和NaOH侵蝕紅黏土過程分為兩個階段：前期劇烈反應階段和后期穩(wěn)定階段。前期紅黏土顆粒間的膠結物質與酸堿溶液發(fā)生化學反應，抗剪強度減小幅度較大，后期離子平衡，抗剪強度達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)對酸堿污染紅黏土的微觀結構照片和特征參數(shù)分析，證實酸堿污染紅黏土抗剪強度變差是酸堿溶液侵蝕土體結構所致。

(4)堿污染紅黏土與酸污染紅黏土相比較，前者工程性質更差，抗剪強度較小，土體結構連結較弱。