Pb2+污染對紅黏土變形特性影響分析

肖桂元，劉 闖，劉 沖，朱杰茹 ,張達錦

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

0 引言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的進程不斷加快，工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)等發(fā)展迅速，但同時也給環(huán)境帶來一系列問題，其中重金屬污染是主要的土壤污染類型之一[1]。而Pb2+污染來源廣泛，如礦物開采、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣以及農(nóng)業(yè)施肥撒藥等[2]。由于重金屬不易被土壤降解且對土壤的污染具有隱蔽性、累積性和不可逆性等特點[3]。Pb2+在土壤中的遷移會引起黏土材料微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[4]和擴散層厚度的變化，從而影響其變形特性。

對于污染黏土，國內(nèi)外學者展開了大量的研究并取得了一定的研究成果。張志紅等[5]從滲透和微觀的方向出發(fā)研究得到，重金屬Cu2+改變了黏土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，從而影響?zhàn)ね量紫兜亩嗌俸痛笮?，造成宏觀上滲透系數(shù)的改變。NIKKHAH NASAB等[6]從Pb2+污染膨潤土的研究中得出，膨潤土是由于絮凝結(jié)構(gòu)和氫離子取代鈉離子而提高剪切強度的，而氫離子則隨著雙電層厚度的減小而增加。但由于高嶺石顆粒的斷裂和重新排列，使其強度隨Pb2+濃度的增加而降低，各試樣的壓縮指數(shù)和電阻率都降低。文獻[7-9]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cu2+濃度的增加，紅黏土的孔隙分布曲線呈雙峰分布，并且“峰寬”越寬表明孔隙越來越大，“峰”向右移表明孔隙越來越多,且電阻率愈低抗剪強度降低，孔隙率越大。NGUYEN等[10]使用蒸餾水、合成場地水和濃度為15、30 g/L的氯化鈉溶液作為孔隙水，研究對處理放射性廢物的潛在地質(zhì)地層的影響發(fā)現(xiàn)：高濃度鹽溶液的滲透導致土壤壓縮(滲透固結(jié))，而蒸餾水的滲透導致土壤膨脹(滲透膨脹)，這也符合擴散雙電層理論。肖桂元等[11]通過研究Cu2+污染紅黏土，發(fā)現(xiàn)CuSO4溶液中的離子會破壞紅黏土中的硅氧鍵，出現(xiàn)膨脹率降低的現(xiàn)象。陸海軍等[4]測試了Pb2+污染下黏土的無側(cè)限抗壓強度隨著濃度的增大抗剪強度降低，孔隙比變大。AKINWUNMI等[12]使用不同濃度的NaCl和CaCl2鹽溶液分別對鈉蒙脫石和鈣蒙脫石的溶脹力的影響進行研究時發(fā)現(xiàn)：在中高干密度下，離子濃度對鈉基蒙脫土的影響最為顯著。在中低干密度下，鈉蒙脫石的溶脹壓力大于鈣蒙脫石；然而，在高干密度和離子濃度下，鈣蒙脫石表現(xiàn)出較高的溶脹壓力。LAIRD等[13]研究發(fā)現(xiàn)，由于層電荷影響準晶的尺寸和穩(wěn)定性，層電荷可能間接影響雙電層溶脹和體積膨脹。DU等[14]用擴散雙電層理論與分子動力學相結(jié)合的方法，提出了一種新的計算膨脹土膨脹壓力的模型。BHARAT等[15]提出了一種基于Gouy-Chapman擴散雙電層方法，建立孔隙比與膨脹壓力理論關(guān)系的新方法。崔德山等[16]在加入ISS之后研究發(fā)現(xiàn)，ISS中的離子會置換出土顆粒上的陽離子，使得弱結(jié)合水膜減薄，Zate電位值下降。

已有的研究大多是關(guān)于擴散雙電層與微觀結(jié)構(gòu)對膨脹土或紅黏土的強度影響并建立了模型等，但很少有對紅黏土擴散層與變形這兩者之間建立聯(lián)系的研究。本文主要從擴散層的角度出發(fā)，找出其與紅黏土孔隙比之間的聯(lián)系，從而研究紅黏土的變形特征。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

所采用的紅黏土均取自廣西桂林市臨桂區(qū)某基坑工地，取土深度為6～8 m，未受到Pb2+的污染。土體基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 臨桂某工地紅黏土基本指標Tab.1 Basic indexes of red clay in a construction site in Lingui

試驗中所用的Pb2+溶液是由Pb(NO3)2作為固體溶質(zhì)和蒸餾水配制成，濃度分別為0、0.01、0.05、0.10 mol/L，配制方法如下：將每500 mL的溶液所需的固體Pb(NO3)2,加入到200 mL的蒸餾水的燒杯中溶解，再將此高濃度的溶液轉(zhuǎn)移到500 mL的量筒內(nèi)，并將燒杯用蒸餾水清洗，清洗液倒入量筒內(nèi)，最后加蒸餾水至量筒500 mL位置,配制成溶液。因為本次試驗中所使用的紅黏土最優(yōu)含水率為26.5%，所以在制樣過程中,為便于計算且使土達到較好的含水率范圍，將含水率設(shè)置為25%。通過計算，得出達到目標含水率所需用的溶液質(zhì)量后，使用噴壺均勻地噴灑至土中，攪拌均勻且無大的結(jié)塊并密封，靜置1 d使溶液能夠更加均勻地滲入土中,并復測含水率是否達到目標值，含水率達到目標值后密封靜置3 d使Pb2+能夠與紅黏土充分發(fā)生反應(yīng)。

1.2 試驗方法

相對密度試驗：將配制好的土烘干碾碎至5 mm以下，按照《土工試驗方法標準(GB/T 50123—2019)》進行試驗。在沙浴前，將注入比重瓶中液面的高度進行標注，在沙浴結(jié)束且試樣冷卻至室溫后,先注入蒸餾水至沙浴前所標注的位置，以降低試驗誤差，隨后再使用各濃度Pb2+溶液將密度瓶注滿、稱重。

固結(jié)試驗：使用氣壓式固結(jié)儀做標準固結(jié)試驗，壓力等級為12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200 kPa。根據(jù)規(guī)范土樣，沉降穩(wěn)定時可施加下一級荷載，穩(wěn)定標準規(guī)定為每級壓力下固結(jié)24 h或試樣變形每小時不大于0.01 m。本試驗采用的是每級壓力下固結(jié)24 h的標準。

雙電層試驗：試驗所用的儀器型號為JS94H-2型Zate電泳儀。稱量各濃度下的紅黏土各5 g，經(jīng)洗濾后加入100 mL的燒杯中，隨后加入去離子水配成懸浮液，取懸浮液0.5 mL注入電泳杯，開始試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 Pb2+濃度對紅黏土相對密度的影響

根據(jù)對未受污染的紅黏土與受Pb2+污染后的紅黏土相對密度試驗數(shù)據(jù)，繪制出相對密度變化趨勢圖，如圖1所示。

圖1 Pb2+濃度與紅黏土相對密度的關(guān)系Fig. 1 Relationship between Pb2+ concentration and specific gravity of red clay

Pb2+污染后，紅黏土的相對密度隨著Pb2+濃度的增大而增大，在相對密度試驗的計算中，最終計算的是土體顆粒質(zhì)量與土最終排水質(zhì)量的比值，用此比值與沙浴過程中使用的中性溶液的相對密度乘積，得到試驗對象的相對密度，而本次試驗中液體相對密度變化不大，于是相對密度越大排水量就越少，因此在質(zhì)量相同的情況下干土土體的體積就越小。這是由于黏土顆粒中的膠結(jié)物質(zhì)有所損失，造成土顆粒變的分散、原先封閉的孔隙聯(lián)通，使得水能夠進入孔隙中經(jīng)煮沸后排出空氣，而由于土變得分散時較小的土顆粒土會進入到土中較大的孔隙中，因此排開水的體積變小，相對密度變大，其反映的則是土顆粒中孔隙變多、變大。

根據(jù)所測得數(shù)據(jù)運用公式(1)、(2)可得出孔隙比和孔隙率：

(1)

(2)

式中：e0為孔隙比，ρw為水的密度，Gs為相對密度，ρd為實際壓實度下的干密度，n為孔隙率。從圖2可以看出,隨著Pb2+溶液濃度的升高,孔隙比與孔隙率隨之升高。這是由于Pb2+的加入使得土中的膠結(jié)物被侵蝕、溶解，進而導致土中孔隙變大、變多，或因為紅黏土雙電層變薄，土顆粒之間距離較原狀土變大，有效孔隙增加，故紅黏土的孔隙比隨著Pb2+溶液濃度的升高而升高。

圖2 Pb2+濃度與紅黏土孔隙比、孔隙率關(guān)系Fig. 2 Relationship between Pb2+ concentration and void ratio， porosity of red clay

2.2 鉛污染紅黏土的固結(jié)特征

未污染紅黏土與Pb2+污染黏土在不同固結(jié)壓力下孔隙比的變化如圖3所示。

圖3 不同壓力下各濃度孔隙比變化規(guī)律Fig. 3 Variation of void ratio of different concentrations under different pressures

與未污染紅黏土相比較，在400 kPa壓力之前，經(jīng)過Pb2+污染的紅黏土孔隙比隨著壓力的增大,曲線斜率比未受污染的土要大；400 kPa之后4條曲線幾乎呈平行的狀態(tài)；這是由于Pb2+的加入減弱了紅黏土中的膠結(jié)物的膠結(jié)能力，使得土骨架變得分散,更容易重新排列，從而表現(xiàn)出沉降更大，孔隙比減小得更快；而在400 kPa之后，由于紅黏土顆粒部分已經(jīng)重新分布，紅黏土孔隙大量減少，所以孔隙比的降低趨勢逐漸平緩。

紅黏土壓縮系數(shù)的變化會受到孔隙比的影響，孔隙比越小，表明土體越密實就越難以壓縮，相應(yīng)的壓縮系數(shù)就越小。如圖4所示，隨著壓力的增加，壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律(其中0、0.01 mol/L在25 kPa可能是由于儀器設(shè)備的原因數(shù)據(jù)有所偏離)。隨著Pb2+濃度的增加，初始壓縮系數(shù)逐漸增加，且各濃度的壓縮系數(shù)隨著壓力的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，并在400 kPa之后趨勢相同。這是由于壓力的增加，紅黏土的土骨架在不斷地被破壞并重新排列，隨后被壓實到一定程度之后，土顆粒形成新的結(jié)構(gòu)，新的結(jié)構(gòu)不會有大的錯動和排列，而是不斷地排水釋放孔壓從而被壓縮。因此壓縮系數(shù)會出現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律。

圖4 各濃度下壓縮系數(shù)隨壓力變化規(guī)律Fig. 4 Variation of compressibility with pressure at different concentrations

壓縮系數(shù)在0 mol/L和0.01 mol/L濃度下均在100 kPa達到最大，而0.05 mol/L在50 kPa增加到最大，0.01 mol/L在25 kPa時增加至最大值。這是由于Pb2+的存在減弱了紅黏土的膠結(jié)作用，所以Pb2+在低濃度時紅黏土的重新排列會比高濃度所用的壓力要大。

如圖5所示，在12.5 kPa壓力時，0 mol/L和0.01 mol/L濃度下紅黏土的壓縮模量具有較大值，這是由于此時紅黏土顆粒骨架還未受到完全破壞，具有一定抵抗變形的能力，而0.05 mol/L和0.10 mol/L濃度下紅黏土的壓縮模量較小，這是由于Pb2+的入侵降低了紅黏土的膠結(jié)能力，使得土顆粒骨架更容易發(fā)生錯動變形，從而失去了一部分抵抗變形的能力，且壓縮模量在50 kPa下0 mol/L與0.05 mol/L的差值達67.2%。在100 kPa壓力后，土樣被壓縮到一定程度后，土顆粒骨架結(jié)構(gòu)重新排列變得更加緊密，抵抗變形能力增加，壓縮模量開始迅速增大。

圖5 不同壓力下各濃度壓縮模量變化Fig. 5 Change of compression modulus of different concentrations under different pressures

2.3 Pb2+污染紅黏土后的雙電層

擴散雙電層分為兩層：靠近土顆粒較為緊密的一層稱為Stern(吸附層)，在巖土工程領(lǐng)域中又被稱為強結(jié)合水層；外圍較為松散自由的一層稱為擴散層，在巖土工程領(lǐng)域中又被稱為弱結(jié)合水層[17]。Stern和擴散層的分界面稱為滑動面。自滑動面到水溶液離子濃度均勻處電位差稱為電動電位ζ,所以擴散層厚度與電動電位成正比。

根據(jù)Gouy-Chapman單一平面雙電層理論，可推導出擴散層厚度的關(guān)系式如下[18]:

(3)

式中：e為電荷，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，zi、ci為第i種雙電層離子價態(tài)與濃度，R為Boltzmann常數(shù)，T為溫度，ε為電動電位值，1/k為擴散層厚度。

Pb2+在滲透壓力和離子交換的作用下，進入擴散層或極少數(shù)進入Stern層，這使得靠近黏土顆粒區(qū)域的離子濃度與價態(tài)較原來有所增加，而擴散層厚度與離子濃度與價態(tài)成反比，所以擴散層變薄。 圖6是電位值隨Pb2+濃度的變化曲線，從圖6中可以看出,隨著Pb2+濃度的增加,電位值逐漸減小且在濃度高時趨于平緩，電位值最后變化不大。而電位值與擴散層厚度成正比，所以擴散層的厚度也逐漸變薄，這與式(3)相吻合。

在同一壓實度下，擴散層厚度減小，相應(yīng)的紅黏土中的孔隙尺寸增大。這是因為Pb2+污染物與土顆粒發(fā)生物理化學反應(yīng)，導致土中的礦物組成和膠結(jié)特性發(fā)生改變，使得土顆粒之間黏結(jié)性變差、松散，在壓力的作用下排列組合易發(fā)生變化，進而使得紅黏土的壓縮系數(shù)和壓縮模量發(fā)生改變。

圖6 Zate電位值變化圖Fig. 6 Chart of Zate potential change

3 結(jié)論

通過基本土工試驗,確定了未污染紅黏土的基本物理指標，包括在Pb2+各濃度下污染后紅黏土的相對密度與壓縮系數(shù)、壓縮模量。采用Zate電位試驗測出電位值后，運用Couy-Chapman擴散雙電層理論得到Pb2+污染紅黏土后擴散雙電層厚度?；谝陨显囼炑芯康贸鼋Y(jié)論如下：

(1)與未污染土相比,Pb2+污染后的紅黏土被侵蝕后土顆粒變得松散，因為在煮沸的過程中土顆粒之間相互填充孔隙，因此相對密度隨著濃度的增加而變大，而在相同壓實度下孔隙比和孔隙率也會相應(yīng)增大，與固結(jié)試驗結(jié)果相吻合。

(2)隨著Pb2+濃度逐漸增加,紅黏土的壓縮系數(shù)增大，壓縮模量減小，在低壓力下未污染的紅黏土具有一定抵抗變形的能力，而受Pb2+污染后的紅黏土在低壓力時的壓縮模量較小，并且在50 kPa下0.05 mol/L Pb2+污染下紅黏土壓縮模量減少最多達到67.2%。這均是由于Pb2+的侵入使得紅黏土中的部分膠結(jié)物受到破壞，導致土的原本結(jié)構(gòu)受到影響，減弱了紅黏土抵抗變形的能力。

(3)在紅黏土顆粒的擴散層內(nèi),由于Pb2+的入侵改變了紅黏土顆粒擴散層內(nèi)的價態(tài)和濃度，使得電位值隨著Pb2+濃度的增加逐漸降低，而擴散層厚度與電位值成正比,與離子價態(tài)和濃度成反比，因此擴散層厚度在降低。宏觀則表現(xiàn)為孔隙率變大，最終導致壓縮模量變小。

(4)由于Pb2+的入侵紅黏土的膠結(jié)特性受到不良影響，土顆粒相對于未受污染的土變得松散，并且擴散層變薄增加了顆粒之間的孔隙大小，因此黏土在受壓時更容易被壓縮，在工程上會產(chǎn)生不均勻沉降,影響建筑物的可靠性，從而造成經(jīng)濟損失。