鎘污染紅黏土強(qiáng)度劣化機(jī)理分析

摘要：為探究鎘污染條件下紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)演化對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，揭示鎘污染紅黏土的強(qiáng)度劣化機(jī)理，本研究通過直剪試驗(yàn)、X射線衍射（XRD）分析和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察研究了鎘污染紅黏土的剪切特性和微觀結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明：隨著鎘含量的增加，黏聚力平均減小25.5%，內(nèi)摩擦角平均增大21.1%，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)劣化趨勢(shì)，剪切破壞面形態(tài)凹凸越來越明顯；微觀影像顯示出顆粒蝕化現(xiàn)象，孔隙發(fā)育平均增大11.8%，且呈蜂窩狀，土顆粒接觸方式由角-面、邊-面、面-面轉(zhuǎn)為角-邊、點(diǎn)-面接觸，微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)（顆粒豐度、定向頻率及孔隙分形維數(shù)）反映出土顆粒由強(qiáng)聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)化為弱接觸的變化特征；因黏土顆粒對(duì)鎘離子吸附能力較強(qiáng)，導(dǎo)致擴(kuò)散雙電層被壓縮，同時(shí)鎘離子與黏土中碳酸鹽類發(fā)生水解反應(yīng)，從而降低了黏土顆粒間結(jié)合水膜連結(jié)力，黏聚結(jié)構(gòu)功能逐漸弱化。研究表明，鎘污染對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生劣化效應(yīng)，在地表徑流沖刷作用下易加劇耕地層水土流失等危害。

關(guān)鍵詞：紅黏土；鎘污染；抗剪強(qiáng)度；微觀結(jié)構(gòu)；劣化效應(yīng)

中圖分類號(hào)：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）07-1503-09 doi：10.11654/jaes.2024-0008

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，工業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)導(dǎo)致的重金屬污染問題備受關(guān)注。根據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，土壤污染類型以重金屬為主，其中鎘是首要污染物。研究表明重金屬侵入土體后并不能穩(wěn)定下來，其不斷遷移且腐蝕土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加速土體裂隙擴(kuò)張，損傷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這些性質(zhì)是改變巖土性能的主要原因。紅黏土作為一種區(qū)域性特殊土，是由碳酸鹽類巖石風(fēng)化后形成的一種呈棕紅色、紅褐色的高塑性黏土，廣泛分布于云貴高原、廣西、湖南等南方地區(qū)，該區(qū)域有色礦物分布帶廣，重金屬污染土壤的工程危害時(shí)有發(fā)生。在云南多處礦場(chǎng)周邊及潛在污染區(qū)取樣測(cè)試，這些紅黏土污染區(qū)鎘含量背景值為0.37-120 mg·kg-1，超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）篩選值，嚴(yán)重威脅區(qū)域耕地生態(tài)環(huán)境。由于紅黏土高孔隙比、高塑性、易失水收縮，這使得土體開裂滲透性增加，重金屬易隨水體發(fā)生遷移和富集，且重金屬毒性高、難降解，往往造成土壤生態(tài)環(huán)境破壞和肥力下降。重金屬的長(zhǎng)期積累改變土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)耕地層、邊坡等土體強(qiáng)度發(fā)生變化，常常引起土壤侵蝕、水土流失及滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞污染土研究大多集中于土體污染物特征、土壤污染評(píng)價(jià)等環(huán)境科學(xué)問題。土體的物理力學(xué)特性與污染物密切相關(guān)，但受污染土體普遍存在力學(xué)性能退化的現(xiàn)象。重金屬鎘污染條件下，黏土液限、塑限和黏粒含量整體下降；在重金屬淋濾條件下，研究發(fā)現(xiàn)鋅離子對(duì)桂林紅黏土的膠結(jié)結(jié)構(gòu)及土顆粒擴(kuò)散雙電層產(chǎn)生不可逆破壞，致使土體強(qiáng)度損傷。鎘離子使土顆粒表面雙電層變薄，顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚，導(dǎo)致孔隙增加，滲透系數(shù)增加。重金屬在土體中長(zhǎng)期累積、沉淀及絮凝，改變土體的水土化學(xué)環(huán)境、物質(zhì)組成及物理狀態(tài)，宏觀表現(xiàn)為土體物理力學(xué)指標(biāo)變化。前人研究還發(fā)現(xiàn)污染土的水土化學(xué)作用導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而引起土體物理狀態(tài)及其力學(xué)性質(zhì)的改變。Tovey最早通過分析細(xì)粒土SEM微觀圖像在土體結(jié)構(gòu)定性參數(shù)獲取方面取得顯著進(jìn)展。黏土隨垃圾滲濾液污染時(shí)間增加，微觀孔隙數(shù)量、體積持續(xù)發(fā)育，顆粒間膠結(jié)力受污染侵蝕逐漸喪失，粒團(tuán)接觸形式由表面強(qiáng)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)面弱接觸；隨著鉛含量增加，黏土孔隙發(fā)育明顯，土顆?？讖匠叽缭龃?，二次孔數(shù)量增加，且以點(diǎn)—點(diǎn)接觸方式為主。綜上，污染物侵入改變土顆粒間接觸方式、孔隙尺寸、團(tuán)聚體形態(tài)等微觀結(jié)構(gòu)，從而影響到土體的物理力學(xué)性質(zhì)。因此，鎘污染紅黏土強(qiáng)度特性及其微觀結(jié)構(gòu)特征定量解譯值得深入探討，需進(jìn)一步結(jié)合土體力學(xué)性能和物化性質(zhì)闡明重金屬污染對(duì)紅黏土的劣化機(jī)理，為污染土修復(fù)提供理論參考。

本研究以云南紅黏土為研究對(duì)象，通過制備不同鎘含量重塑試樣，開展直剪試驗(yàn)、X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀察，對(duì)比分析鎘污染紅黏土的抗剪強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，采用微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)（顆粒豐度、定向頻率及孔隙分形維數(shù)）定量分析不同鎘含量對(duì)紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而探討鎘污染紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)演化特征及其強(qiáng)度互饋響應(yīng)機(jī)理，為污染區(qū)土壤修復(fù)及水土流失防治問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自云南省昆明市，未污染紅黏土呈棕紅色，通過《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）和常規(guī)土壤分析方法，測(cè)得土壤基本理化性質(zhì)為：天然干密度1.35 g·cm-3，天然含水率23.4%，比重2.73，液限29.6%，塑限29.6%，塑性指數(shù)32.9%，pH7.4，有機(jī)質(zhì)含量7.4 g·kg-1，土壤顆粒分級(jí)為砂粒3 9.5%，粉粒41.2%，黏粒19.3%。其試驗(yàn)污染溶液選取鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液，試驗(yàn)用水為蒸餾水，土樣礦物組分采用X射線衍射儀，鑒定結(jié)果如圖1所示。

1.2 土樣制備

試樣制備具體步驟如下：①取適量原狀紅黏土碾碎過2 mm篩；②將篩過的紅黏土放人105℃烘箱直至烘干，裝入密封盒待用；③根據(jù)前人云南地區(qū)重金屬鎘污染含量測(cè)試結(jié)果，土樣鎘含量分別設(shè)置為0、50、100、150、200 mg·kg-1，按配比加入蒸餾水，取相應(yīng)烘干紅黏土，制備干密度、含水率與原狀紅黏土相同，分別為ρd=1.35 g·cm-3，w=23.4%；④將溶液分層噴灑于干土后均勻攪拌，并放人密封盒中靜置24 h；⑤采用壓樣法制作5組不同鎘含量土樣，每組3個(gè)平行試樣，合計(jì)環(huán)刀試樣60個(gè)；⑥對(duì)鎘污染紅黏土試驗(yàn)開展直剪試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果取平均值。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 直剪試驗(yàn)

使用南京土壤儀器廠生產(chǎn)ZJ型應(yīng)變控制直剪儀（測(cè)力環(huán)系數(shù)為1.55"kPa·mm-1），進(jìn)行快剪試驗(yàn)。垂直荷載設(shè)置為100、200、300、400 kPa，剪切速率控制為0.8 mm·min-1。當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定或出現(xiàn)明顯后退時(shí)表示試樣已破壞，記錄每組剪切位移和剪應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.2 微觀掃描電鏡試驗(yàn)

制備完成的環(huán)刀土樣完全風(fēng)干，選取中間具有代表性的新鮮切面，固定其在樣品臺(tái)上進(jìn)行真空鍍金。借助HITACHI S-3400N型號(hào)掃描電鏡，設(shè)置其電壓為15 kV、焦距為10 mm，放大倍數(shù)選取為50、100、300、1 000、3 000、

1.3.3 微觀結(jié)構(gòu)定量分析

選取掃描電鏡微觀圖片，具體步驟如下：①對(duì)灰度圖片設(shè)置最佳閾值進(jìn)行二值化處理；②對(duì)二值化處理圖片使用中值濾鏡去除噪點(diǎn)；③利用IPP （ImagePro Plus）軟件自動(dòng)識(shí)別土顆粒及孔隙輪廓，提取顆粒及短軸、長(zhǎng)軸、傾角、面積、周長(zhǎng)等結(jié)構(gòu)參數(shù)；④定量分析鎘污染紅黏土顆粒形態(tài)、排列方式及孔隙尺寸演化特征。

1.4 微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)

1.4.1 顆粒豐度

為客觀反映污染土顆粒形態(tài)變化采用公式（1），引入豐度為研究鎘污染紅黏土后土顆粒形態(tài)演化特征。

C=B/B（1）

式中：B為顆粒短軸長(zhǎng)，μm；L為顆粒長(zhǎng)軸長(zhǎng)，μm；c為顆粒豐度，無量綱，C值越大顆粒形態(tài)越趨向圓形，反之顆粒形態(tài)趨向長(zhǎng)條形。

1.4.2 定向頻率

通過引入定向頻率理論，根據(jù)顆粒單元的長(zhǎng)軸與Y軸的夾角，在某一方向上分布密度，定量分析顆粒單元體的排列特征，見公式（2）。

Pi（θ）=ni/N（2）

式中：Pi為單元體頻率，用百分?jǐn)?shù)表示；θ為定向角度區(qū)位，°；ni為單元體在第i個(gè)區(qū)位中的個(gè)數(shù)；N為單元體總數(shù)。

1.4.3 微觀孔隙率

微觀結(jié)構(gòu)孔隙形態(tài)采用分形維數(shù)，反映污染土孔隙平面粗糙程度。孔隙分形維數(shù)越大，計(jì)算區(qū)域平面越粗糙，孔隙發(fā)育越明顯。表達(dá)式如下：

lgP=（D/2）×lgA+C（3）

式中：P為孔隙等效周長(zhǎng)，μm；A為孔隙等效面積，μm2；D為孔隙形態(tài)分形維數(shù)，無量綱；C為擬合常數(shù)。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)處理結(jié)果數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，擴(kuò)散雙電層示意圖使用CorelDRAW軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘污染紅黏土剪切強(qiáng)度特征

2.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖2所示，剪應(yīng)力峰值隨鎘含量的增加呈減小趨勢(shì)，在100-400 kPa垂直壓力下隨剪切位移增加，剪應(yīng)力持續(xù)增大，達(dá)到峰值后曲線呈現(xiàn)減小并趨于穩(wěn)定。

隨剪切位移增加，剪應(yīng)力均呈先持續(xù)增加后減小趨勢(shì)，屬于應(yīng)變軟化型曲線。在垂直壓力較低情況下（100 kPa），隨剪切位移的逐漸增大，剪應(yīng)力先達(dá)到峰值后呈“跌落”現(xiàn)象，當(dāng)垂直壓力較大時(shí)，該現(xiàn)象逐漸消失，表明外界壓力因素的作用與鎘污染物摻量的增加，均會(huì)使土體剪切強(qiáng)度發(fā)生弱化。在垂直壓力300-400 kPa條件下，剪應(yīng)力與剪切位移曲線變化呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，但隨著鎘含量的逐漸增加，鎘污染紅黏土剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)衰減。

2.1.2 抗剪強(qiáng)度

如圖3（a）所示，隨著鎘含量的逐漸增加，鎘污染紅黏土抗剪強(qiáng)度整體出現(xiàn)下降趨勢(shì)。試樣在100、200 kPa下隨著鎘含量增加抗剪強(qiáng)度緩慢減小后趨于穩(wěn)定。當(dāng)垂直壓力增大時(shí)，抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)峰值，且隨著鎘含量增加抗剪強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。如圖3（b）所示，隨著鎘含量的逐漸增加，黏聚力平均減小25.5%，內(nèi)摩擦角平均增大21.1%。以上分析可知，隨著鎘含量增加，紅黏土表現(xiàn)出強(qiáng)度“劣化”趨勢(shì)。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

通過土體內(nèi)部顆粒形態(tài)、接觸方式和孔隙尺寸等結(jié)構(gòu)特征，定量分析不同鎘含量污染紅黏土微觀結(jié)構(gòu)演化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。利用IPP軟件統(tǒng)計(jì)不同鎘含量下土樣顆粒及孔隙基本參數(shù)，見表2。

如圖4a、圖4b所示，未污染紅黏土顆粒形態(tài)較為清楚，顆粒接觸方式較多如實(shí)線箭頭所示有角-邊、邊-面、面-面接觸方式；膠結(jié)物質(zhì)及凝粒含量較高，孔隙間填充黏土礦物或膠結(jié)物使土顆粒間接觸緊密（見箭頭圖4a），土體整體結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。如圖4c、圖4d所示，100 mg·kg-1鎘含量污染后紅黏土，土體表面出現(xiàn)蝕化現(xiàn)象，呈現(xiàn)蜂窩狀，部分膠結(jié)物質(zhì)或原生礦物溶解，紅黏土由致密結(jié)構(gòu)趨向疏松，導(dǎo)致土粒間黏聚力減弱；視域內(nèi)顆粒接觸變?yōu)榻?邊、點(diǎn)-點(diǎn)方式，接觸面積減小導(dǎo)致土體孔隙比例提高，顆粒間連接斷裂后形成連通孔隙和支架孔隙（圖4c虛線橢圓），土顆粒與孔隙界線不再清晰。鎘含量200 mg·kg-1污染紅黏土表面有次生化合物附著（圖4f）。微觀影像獲取污染土顆粒間聯(lián)結(jié)方式及孔隙結(jié)構(gòu)演化特征，可作為鎘污染紅黏土剪切強(qiáng)度劣化機(jī)制的依據(jù)。

2.2.1 顆粒豐度

通過IPP軟件統(tǒng)計(jì)不同鎘含量下土樣顆粒及孔隙基本參數(shù)，見表2。如圖5所示，顆粒豐度在0.4-0.6區(qū)間占比最高，隨鎘含量增加百分含量增幅明顯，在0.5-0.6區(qū)間中，隨鎘含量增加百分含量略有降低，其余區(qū)間百分含量分布均勻。由此可見，鎘污染土樣中，似橢圓形顆粒含量最多，是構(gòu)成污染土樣顆粒主要形態(tài)組成。對(duì)于0.1-0.3區(qū)間長(zhǎng)條顆粒和0.9-1.0區(qū)間似圓顆粒含量較少。因此，土樣由偏長(zhǎng)條形和似圓形顆粒向似橢圓形顆粒發(fā)育居多。鎘污染使顆粒團(tuán)聚體形態(tài)向似橢圓形轉(zhuǎn)變，豐度下降，顆粒角-邊或邊-面強(qiáng)接觸方式減少，導(dǎo)致粒團(tuán)間孔隙變大。

2.2.2 定向頻率

由圖6可知，污染土顆粒定向頻率分布呈“同向性”，顆粒定向角度以90°為主。原因在于土顆粒在短時(shí)間靜壓力下?lián)魧?shí)而成，使原本垂直分布的顆粒在壓力作用下向水平方向改造，使土顆粒具有明顯的定向性。此外，鎘污染下土體壓縮性提高，在應(yīng)力作用下加劇顆粒向水平面偏轉(zhuǎn)，且隨著鎘含量增加該現(xiàn)象更明顯。

2.2.3 微觀孔隙率

由圖7可知，隨著鎘含量增加，孔隙分形維數(shù)和孔隙率均呈現(xiàn)快速增大，分形維數(shù)和孔隙率與鎘含量呈正比關(guān)系。分形維數(shù)在鎘含量為200 mg·kg-1時(shí)分形維數(shù)增幅最大，孔隙率發(fā)育明顯。隨著鎘含量增加，微觀紅黏土孔隙率增大，局部結(jié)構(gòu)損傷開始積累，當(dāng)微觀視域內(nèi)孔隙率趨向穩(wěn)定，表明鎘污染誘發(fā)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征演化基本完成，定量描述紅黏土孔隙發(fā)育趨勢(shì)可為抗剪強(qiáng)度劣化提供佐證。

2.2.4 化學(xué)元素

為明確鎘污染紅黏土前后化學(xué)元素變化特征，對(duì)不同鎘含量的代表性土樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3。由表3可知，紅黏土中主要化學(xué)元素O、C、Al、Si、Fe占比較高。

從化學(xué)成分來看，與李順群等試驗(yàn)結(jié)果中紅黏土礦物主要為硅四面體或鋁八面體構(gòu)成的鋁硅酸鹽礦物組成相一致。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎘溶液摻入后隨著鎘含量增加，Al、Si元素含量呈波動(dòng)趨勢(shì)，但總體高于未污染水平；Fe、Ca、Mg、C元素含量逐漸減少。其主要原因?yàn)椋海?）離子吸附特性，土體中的Al、Si元素一般以氧化物、氫氧化物或硅酸鹽等形式存在于紅黏土中，并且它們有較強(qiáng)的吸附和交換能力；（2）紅黏土中黏土礦物伊利石（K，H3O）（Al2Si4O10）（OH）2是一種具有吸附和交換性能的黏土礦物，鋁氧八面體組分被鎘氧八面體取代，導(dǎo)致部分Al3+被釋放。Fe、Ca、Mg元素作為紅黏土中主要膠結(jié)氧化物質(zhì)形式存在，對(duì)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有重要作用。鎘污染條件下紅黏土與鎘離子發(fā)生水解作用，導(dǎo)致其膠結(jié)氧化物含量下降，使土顆粒間聯(lián)結(jié)作用逐步喪失，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。對(duì)于C元素下降應(yīng)與鎘含量增加引發(fā)的土體pH值環(huán)境改變有關(guān)。通常紅黏土的pH值較高，鎘離子水解可致使土體酸化，在酸性環(huán)境中碳元素的溶解度增加，使碳元素有機(jī)組分從土顆粒中溶解出來使其含量減少?？梢姡S著鎘含量增加，水土化學(xué)作用愈明顯，黏土礦物的理化性質(zhì)改變，伴隨膠結(jié)氧化物質(zhì)含量下降，使土顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度發(fā)生不可逆損傷，宏觀表現(xiàn)為顆粒孔隙發(fā)育及抗剪強(qiáng)度劣化。

3 討論

3.1 擴(kuò)散雙電層效應(yīng)

通過建立污染土顆粒擴(kuò)散雙電層模型，從微觀角度更好地解釋鎘污染紅黏土抗剪強(qiáng)度劣化機(jī)理。如圖8所示，黏土顆粒表面帶負(fù)電荷在靜電作用下易吸附水溶液中的陽(yáng)離子，越靠近靜電引力越大，被牢固吸附的離子在土顆粒表面形成固定層也稱強(qiáng)結(jié)合水層。離土顆粒表面距離越遠(yuǎn)，陽(yáng)離子等水化離子受靜電引力束縛減小，易脫離，向孔隙溶液中擴(kuò)散，形成擴(kuò)散層即弱結(jié)合水層。

重塑紅黏土經(jīng)鎘污染后，隨著鎘離子數(shù)量增加，黏土顆粒表面對(duì)鎘離子靜電引力作用增強(qiáng)，平衡土顆粒表面負(fù)電性所需陽(yáng)離子減少，擴(kuò)散層（弱結(jié)合水層）厚度變薄。此外，鎘離子價(jià)位高于一般水化陽(yáng)離子，從而導(dǎo)致中和土顆粒表面負(fù)電荷所需陽(yáng)離子數(shù)目減少，削弱土顆粒負(fù)電性，使顆粒間范德華引力大于斥力。土顆粒之間引力增大，易形成團(tuán)聚體，使孔隙通道增大，當(dāng)鎘含量增加到一定程度，顆粒凝聚結(jié)構(gòu)達(dá)到閾值，細(xì)小孔隙數(shù)量累積，迫使土樣微觀結(jié)構(gòu)下出現(xiàn)支架孔隙或連通孔隙擴(kuò)大現(xiàn)象（見圖4）。

從表3可以看出，在自由水或弱結(jié)合水中的Fe2+、Ca2+和Mg2+、等置換出的游離離子，在顆粒表面弱結(jié)合水中伴隨新物質(zhì)生成帶走部分弱結(jié)合水，削減弱結(jié)合水膜厚度，降低黏土顆粒間結(jié)合水膜連結(jié)力。此外，天然紅黏土中富含大量的硅鋁氧化物與碳酸鹽，它們與紅黏土顆粒表面結(jié)合水膜組合轉(zhuǎn)化為凝膠狀膠結(jié)物，促使黏土顆粒之間形成黏聚力較高的聚體結(jié)構(gòu)。在鎘離子對(duì)結(jié)合水膜中膠結(jié)物侵蝕下，膠結(jié)連力減弱，聚集體連結(jié)功能逐漸喪失，黏聚力下降導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度劣化。

3.2 水解效應(yīng)

已有研究表明，紅黏土中除了各類礦物以外，還含有影響土體抗剪強(qiáng)度的顆粒膠結(jié)物質(zhì)，在酸性環(huán)境中易被水解溶蝕。紅黏土中鎘離子水解反應(yīng)過程如下：

Cd （NO3）2→Cd2++NO3

Cd2++ H2O→Cd（OH）2↓+H+

CaCO3+H+→Ca2+ + HCO-3

Cd2++ HCO3-→CdCO3↓+H+

在鎘污染環(huán)境下，鎘離子水解呈酸性，使孔隙液pH值減小，水解產(chǎn)生的H+加劇碳酸鹽類礦物水解生成HCO-3，促使鎘離子與HCO-3形成碳酸鹽沉淀。除此之外，鎘離子水解生成的Cd（OH）2或CdCO3等難溶物鑲嵌在顆?？紫堕g產(chǎn)生一定咬合力，從而增大土體的內(nèi)摩擦角。孔隙液中鎘離子發(fā)生水解反應(yīng)，碳酸鹽類等膠結(jié)物質(zhì)溶解導(dǎo)致顆粒間有效膠結(jié)力下降，表現(xiàn)為黏聚力減小。與此同時(shí)，水解反應(yīng)對(duì)原生黏土礦物產(chǎn)生蝕化作用，使黏土顆粒表面結(jié)合水膜聯(lián)結(jié)力損傷。根據(jù)x射線衍射結(jié)果（表3），隨鎘含量增加紅黏土中游離氧化物和碳酸鹽類含量降低，說明紅黏土中膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生系列水解反應(yīng)，導(dǎo)致土顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度下降，孔隙發(fā)育促使土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。

綜上，當(dāng)重金屬鎘污染紅黏土后，鎘離子與土顆粒之間發(fā)生離子交換反應(yīng)、水解反應(yīng)使土體礦物成分發(fā)生改變，土體顆粒豐度減小、孔隙率增加使土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。隨著紅黏土顆粒對(duì)鎘離子靜電引力增強(qiáng)，平衡土顆粒負(fù)電性所需陽(yáng)離子數(shù)減少，結(jié)合水膜厚度變薄，黏土顆粒間水膜連結(jié)力減弱。鎘離子水解后pH值降低對(duì)黏土礦物與膠結(jié)氧化物質(zhì)產(chǎn)生溶蝕作用，粒團(tuán)內(nèi)膠結(jié)連力下降，同時(shí)導(dǎo)致粒團(tuán)間孔隙變大，黏聚力減小，抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出劣化現(xiàn)象。因此，未來針對(duì)污染土壤修復(fù)等水土流失問題．可考慮以下防治措施：一是限制土壤對(duì)重金屬離子的吸附交換能力等土水化學(xué)反應(yīng)，降低顆粒表面電荷量，減少膠體物質(zhì)溶蝕；二是促進(jìn)土壤中新物質(zhì)生成，增加污染土顆粒間膠結(jié)力，填補(bǔ)孔隙提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度，以增強(qiáng)土體穩(wěn)定性，遏制重金屬元素遷移。

4 結(jié)論

（1）隨著鎘含量的增加，鎘污染紅黏土剪切位移—剪應(yīng)力表現(xiàn)為“應(yīng)變軟化型”曲線，土體黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大，抗剪強(qiáng)度整體呈現(xiàn)劣化趨勢(shì)。

（2）從鎘污染紅黏土微觀影像分析可知，土顆粒結(jié)構(gòu)變?yōu)榉涓C狀，支架孔隙和連通孔隙尺寸擴(kuò)大，出現(xiàn)明顯的蝕化現(xiàn)象，顆粒特征以似橢圓形居多，定向頻率分布呈“同向性”，孔隙分形維數(shù)和孔隙率與鎘含量呈正相關(guān)，土顆粒由強(qiáng)聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)化為弱接觸。

（3）鎘污染紅黏土顆粒表面對(duì)鎘離子吸附力增強(qiáng)，擴(kuò)散雙電層被壓縮，土粒自身負(fù)電性被削弱，致使顆粒間引力增大、孔隙尺寸擴(kuò)大，易形成團(tuán)聚體，同時(shí)鎘離子在水解作用下加速碳酸鹽類等膠結(jié)物質(zhì)溶解，膠結(jié)連力逐漸弱化，進(jìn)而土體抗剪強(qiáng)度降低。

（4）鎘污染環(huán)境下紅黏土內(nèi)部發(fā)生離子交換及水解作用，結(jié)合水膜變薄、黏土膠結(jié)礦物質(zhì)溶解及黏聚力損傷，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生弱化，聯(lián)合微觀影像量化指標(biāo)、擴(kuò)散雙電層效應(yīng)和水解效應(yīng)共同揭示了鎘污染紅黏土強(qiáng)度劣化機(jī)理，期望服務(wù)于污染紅黏土修復(fù)及水土流失綜合防治研究。

（責(zé)任編輯：葉飛）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42367025）；云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上基金項(xiàng)目（202IOIAT070271）；云南省農(nóng)業(yè)聯(lián)合專項(xiàng) （20230IBD070001-171）；云南省高層次人才培養(yǎng)支持計(jì)劃“青年拔尖人才”專項(xiàng)（YNWR-QNBJ-2020-030）