酸性溶液對重塑黃土工程性質(zhì)的影響研究

楊秀娟 武雷杰 劉惹梅

摘 要：地基酸堿污染已成為環(huán)境巖土工程領(lǐng)域一個亟待解決的問題。采用室內(nèi)模擬方法，用不同酸堿度的鹽酸溶液浸泡黃土，研究酸性溶液對黃土基本物理化學(xué)力學(xué)性質(zhì)的影響，并通過掃描電鏡試驗對其進行微觀研究。試驗表明：隨著酸性溶液酸性增強和浸泡時間的增長，黃土中交換性陽離子增多，有機質(zhì)含量降低，土粒顆粒相對密度減小，黏粒含量增大，液限、塑限均增大，滲透性增強，抗剪強度降低;SEM圖像顯示隨著酸性增強和浸泡時間增長土體孔隙孔徑增大，由面-面接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c-點接觸。

關(guān)鍵詞：環(huán)境巖土工程;酸污染;重塑黃土;酸堿度;工程性質(zhì)

中圖分類號：TU441 ? 文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.027

Abstract： Acid-base pollution has become an urgent problem to be solved in the field of environmental geotechnical engineering. The effects of acid solution on the basic physical and chemical properties of loess were studied by using indoor simulation and immersing loess with hydrochloric acid solutions of different pH values. The microscopic study was also conducted by scanning electron microscopy. The results show that with the increase of acidity and immersion time in acid solution， the amount of cations in loess is increased and the content of organic matter is decreased， the proportion of soil particles is decreased and the content of clay particles is increased. The results show that the pore size increases with the increase of acidity and immersion time and the surface-to-surface contact gradually changes to point-to-point contact.

Key words： environmental geotechnical engineering; acid pollution; remolded loess; pH value; engineering property

黃土是一種質(zhì)地均勻，含大量鈣質(zhì)膠結(jié)物，具有多孔性、濕陷性的土壤[1]，易受雨水、地表徑流、地下水的影響導(dǎo)致工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。在生活中，隨著工業(yè)廢水、廢氣、廢渣及生活污水的排放，部分酸性物質(zhì)與水融合形成酸性溶液進入土壤，而黃土中的鹽類物質(zhì)如碳酸鹽、硫酸鹽等極易與酸性溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。西北黃土中的易溶鹽含量平均為0.32%，碳酸鈣的總平均含量為10.34%[2]。當(dāng)酸堿溶液與黃土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，鈣質(zhì)膠結(jié)物被溶蝕，土骨架崩塌，導(dǎo)致黃土濕陷。20世紀(jì)60年代我國就出現(xiàn)了廢液污染地基土導(dǎo)致建筑物破壞的事故[3]。張信貴等[4]的研究認為強酸環(huán)境下土體的變形較大，弱酸和堿性環(huán)境下土體的變形較小。朱春鵬等[5]對土體進行變形研究發(fā)現(xiàn)，酸性溶液污染的土體的軟化特征明顯。酸性條件下膠結(jié)強度增大，土體強度提高[6]。水土化學(xué)作用改變了土顆粒之間的平衡，導(dǎo)致土體壓縮、強度等性質(zhì)改變。李善梅等[7]認為土體的基本物理性質(zhì)會受水體pH值的影響。筆者以鹽酸溶液為原料，人工配制不同酸堿度的酸性溶液與黃土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進一步研究酸性溶液對土體基本物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗材料

本試驗所用黃土取自陜西楊凌臺塬地區(qū)Q3黃土，取土深度為3.5～4.0 m。土樣呈褐黃色，質(zhì)地均勻，顆粒相對密度為2.71，酸堿度（pH值）為8.19，呈弱堿性。楊凌黃土的天然干密度為1.38 g/cm3，天然含水率為13.3%，其基本物理化學(xué)指標(biāo)見表1和表2。

1.2 試驗方法

采用化學(xué)分析純鹽酸溶液配制pH值為3.0、5.0的兩種試驗用酸性溶液。將黃土風(fēng)干、碾細，過2 mm（孔徑）篩，然后稱取4等份黃土，每份5 000 g，按照黃土與鹽酸質(zhì)量比例為2∶1加入酸性溶液，用保鮮膜密封。同時，用等量純水浸泡相同質(zhì)量的黃土作為對比空白樣。反應(yīng)15、30 d后，取出散狀樣，測試土體的顆粒組成、液限、塑限等基本物理化學(xué)指標(biāo)。試驗過程中，測試土樣干密度控制在1.68 g/cm3，即壓實度為0.98，含水率采用最優(yōu)含水率17.5%。測試內(nèi)容包括土體的顆粒級配、液塑限、滲透系數(shù)、抗剪強度等，具體試驗方法見《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）。其中交換性鹽基離子測定采用火焰光度計法和EDTA絡(luò)合滴定法，有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法，見《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 酸性溶液對土粒相對密度的影響

土的工程性質(zhì)主要受黏土礦物成分和有機物成分的影響。土粒相對密度的大小決定于礦物成分及有機質(zhì)含量，是劃分土顆粒、土中水和土中氣各自體積占比的依據(jù)。土中有機物以碳、氮、氫、氧為主體，還有少量的硫、磷以及金屬元素組成的有機化合物。用比重試驗測試土體的顆粒相對密度，采用重鉻酸鉀容量法測定土中的有機質(zhì)含量，測定結(jié)果見圖1及圖2。

隨著溶液pH值降低即溶液酸性增強，土體的顆粒相對密度直線下降，同時有機質(zhì)的含量不斷減小，且在相同pH值條件下，浸泡時間越長有機質(zhì)含量越低。造成這種結(jié)果的原因是：土壤中的腐殖質(zhì)是有機質(zhì)的主體，也是土壤中最難降解的組分，腐殖質(zhì)常與巖土礦物發(fā)生強烈作用，形成有機無機復(fù)合膠體，這種有機無機復(fù)合膠體會對土體產(chǎn)生一定的影響。酸溶液與土中有機質(zhì)中的腐殖質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所以酸性越強、浸泡時間越長，土中有機質(zhì)含量越低。同時土中可溶鹽和游離氧化物與酸發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致土體顆粒相對密度降低。在測試中發(fā)現(xiàn)，浸泡30 d的土體顆粒相對密度和浸泡15 d的土體顆粒相對密度基本一致，原因可能是浸泡時間過長導(dǎo)致后期反應(yīng)程度降低，使得土體顆粒相對密度變化不大。在反應(yīng)初期，土體的顆粒相對密度變化情況尚需進一步通過試驗確定。

2.2 酸性溶液對土體陽離子的影響

當(dāng)土壤用鹽溶液淋洗時，土壤具有吸附溶液中陽離子的能力，同時釋放出等量電荷的其他陽離子，這些釋放出的陽離子稱為交換性陽離子，一般包括H+、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+和Fe2+。其中：Al3+水解形成強酸，一般不考慮其為交換性陽離子;Fe3+和Fe2+易水解生成難溶性的氫氧化物或氧化物沉淀;H+為交換性酸離子，不考慮其為交換性鹽基離子。因此，土壤膠體吸附的堿金屬離子和堿土金屬離子組成了土體的交換性鹽基。天然土和不同pH值溶液浸泡后的黃土的陽離子含量測定結(jié)果見表3。

隨著pH值的降低，土中的Ca2+含量不斷增大，同時在相同pH值條件下，土樣浸泡30 d的土體中Ca2+含量高于浸泡15 d的。造成這種結(jié)果的原因主要是：黃土中的碳酸鹽與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶于水的CaCl2，并且浸泡時間越長，土顆粒與酸的反應(yīng)越充分。因此，經(jīng)過酸性溶液浸泡后的黃土Ca2+含量增多。從交換性陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）來看，楊凌黃土的交換性陽離子含量為228.9 mg/kg，浸泡15 d后，分別增大到248.0 mg/kg（pH=5）和260.0 mg/kg（pH=3）;浸泡30 d后，稍微減小到244.3 mg/kg（pH=5）和257.1 mg/kg（pH=3）。原因是在浸泡15 d時，土與酸性溶液充分反應(yīng)，土體中的交換性鹽基離子析出，含量增大;當(dāng)浸泡30 d時，反應(yīng)基本完成，由于各離子的置換能力不同，Ca2+的置換能力遠大于其他離子的置換能力，部分K+、Na+、Mg2+離子被Ca2+置換，因此總量發(fā)生變化。

2.3 酸性溶液對土體粒度組成的影響

土的工程性質(zhì)與土的粒度成分密切相關(guān)，試驗中研究土各種粒組的相對含量，土的粒度分析采用密度計法，分散劑選用六偏磷酸鈉，試驗結(jié)果見表4。隨著pH值的降低即酸性的增強，土中砂粒含量基本不變，粉粒含量減小，黏粒含量增大。并且隨著浸泡時間的延長，土體中的粉粒減少，黏粒含量增大。出現(xiàn)這種情況的原因可能是：土在酸性溶液中浸泡后，土體中的膠體、游離氧化物膠體和可溶性鹽膠體被腐蝕，使得土顆粒之間的連結(jié)減弱，因此顆粒容易分散[8]，導(dǎo)致浸泡后土體黏粒含量比天然土的高。本文測試結(jié)果與王緒民等[9]的研究結(jié)果相悖，原因是在本次試驗中，土樣直接浸泡封存，然后晾曬取土測試，整個過程中土顆粒并未流失，而王緒民等的試驗土樣為先制成環(huán)刀樣然后浸泡，在浸泡過程中有顆粒流失。

2.4 酸性溶液對土體界限含水率的影響

土的界限含水率是劃分土體狀態(tài)的一項重要指標(biāo)，其中土的液塑限經(jīng)常作為評估土壤侵蝕脆弱性及地表淺層移動的指標(biāo)[10]。土與不同pH值的酸性溶液反應(yīng)后，它的粒度成分和礦物成分都發(fā)生了改變，測試結(jié)果見表5。

經(jīng)酸性溶液浸泡后的土體液限、塑限均大于天然土的，并且隨著溶液酸性增強，土體的液限、塑限增大，隨著浸泡時間的增長，液限、塑限增長速率變大。土體液限與塑限之差為土體的塑性指數(shù)，代表土體處于可塑狀態(tài)時土中含水率的變化范圍，與土體中黏粒含量和礦物成分直接相關(guān)。由測試結(jié)果可以看出，所有測試土樣的塑性指數(shù)在17.2～17.6之間，對比表4中土樣的黏粒含量可以發(fā)現(xiàn)，塑性指數(shù)與黏粒含量的增大并沒有呈現(xiàn)明確的相關(guān)關(guān)系。

隨著酸性的增強，黏粒的熱力學(xué)電位增大，電動電位也增大，但由于土溶液呈酸性，使得有的黏土顆粒表面帶正電荷，有的土顆粒表面帶負電荷，在帶負電荷顆粒表面擴散層中含有較多的H+離子，帶正電荷顆粒表面擴散層中含有較多的Cl-離子，它們都使得擴散層變厚，土的可塑性變強[11]，因此土的液限、塑限都增大。在工程應(yīng)用中常用塑性指數(shù)IP對土進行分類，但是從前述試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，塑性指數(shù)與土的黏粒含量并不具有直接對應(yīng)關(guān)系，這可能導(dǎo)致對酸污染土的誤判，在工程應(yīng)用中應(yīng)慎重使用塑性指數(shù)IP作為評價指標(biāo)。

2.5 酸性溶液對土體滲透系數(shù)的影響

土體滲透性的強弱，對土體的固結(jié)、強度以及工程施工都有非常重要的影響。土體的滲透系數(shù)可以反映土滲透性強弱。經(jīng)過酸污染后的土體滲透性變化情況見圖3。

隨著酸性增強，土體的滲透系數(shù)變大，即滲透性增強，且隨著浸泡時間的增長，滲透系數(shù)增大。影響滲透系數(shù)的因素包括土中孔隙通道的粗細及孔隙的多少。由于酸浸泡的原因，土顆粒之間各種礦物、膠體和有機質(zhì)被溶蝕，使得孔隙體積增大、孔隙數(shù)量增多，因此土體滲透性增強。

2.6 酸性溶液對土體抗剪強度的影響

抗剪強度是土體抵抗外力破壞能力的反映。本試驗采用直接剪切快剪試驗測試得出各土樣的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，土樣含水率為17.5%，干密度控制在1.68 g/cm3，試驗結(jié)果見圖4。隨著酸性的增強土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時減小，并且隨著浸泡時間的增長，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小。由此可以證明，土樣在受到酸污染后，土顆粒結(jié)構(gòu)膠結(jié)物質(zhì)被溶蝕，結(jié)構(gòu)連結(jié)變?nèi)?，酸性溶液對土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力均具有一定影響。

3 微觀結(jié)構(gòu)試驗研究

微觀結(jié)構(gòu)是指土體內(nèi)顆粒大小、形狀、表面特征、顆粒之間的連結(jié)及排列方式。細粒土的微觀結(jié)構(gòu)研究是評價土的工程性質(zhì)的一個重要方面。采用掃描電鏡對原狀樣和酸性溶液浸泡后的土樣進行微觀結(jié)構(gòu)觀測。觀測照片（放大3 000倍）見圖5。

本次試驗黃土的骨架以單礦物顆粒為主，有少量集粒。原狀黃土骨架顆粒棱角分明，大小不均，分散分布，大孔隙，蜂窩結(jié)構(gòu)，集粒富集，見圖5（a）。經(jīng)過酸性溶液浸泡后的土體，其中的各種礦物和膠體被腐蝕，使得土的結(jié)構(gòu)連結(jié)發(fā)生改變，土中的孔隙、顆粒和膠體形態(tài)都發(fā)生了變化。經(jīng)過不同濃度HCl浸泡后土樣均表現(xiàn)出顆粒棱角變小，顆粒圓度增大，顆粒尺寸變小，集粒消失，貫通通道形成等現(xiàn)象。

對比圖5（b）、（c）可見，在pH=5的酸溶液作用下，浸泡15 d的土樣的土顆粒排列比較緊密，以面-面接觸和面-點接觸為主，而經(jīng)過30 d浸泡后的土樣中土顆粒以點-點接觸為主，孔隙增大，通道逐漸形成。這是由于隨著浸泡時間的增長，黃土的碳酸鈣膠結(jié)物逐漸被侵蝕溶解，因此黃土內(nèi)部孔隙變多，并逐漸連通形成貫通通道。

由圖5（d）、（e）看出，在pH=3條件下，浸泡30 d的土體大孔隙減少，小孔隙增多，從而使孔隙比增大。這是因為在高濃度酸性溶液浸泡下，土的原始膠結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸破壞，大顆粒團聚體逐漸消失，小顆粒逐漸增多，在顆粒自重作用下，顆粒下沉填充到大孔隙中，所以大孔隙相對減少，小孔隙相對增多。

總體上來看，骨架顆粒的連結(jié)方式隨著浸泡溶液酸堿度的增大和浸泡時間的增長逐漸向點接觸方式變化，這說明了浸泡的溶液濃度越高、浸泡時間越長對土體結(jié)構(gòu)的影響越大。

結(jié)合前文2.5節(jié)中滲透試驗結(jié)果，對比不同酸性濃度和不同浸泡時間的微觀照片可知，原土微觀結(jié)構(gòu)中孔隙較少，隨著酸性溶液濃度的增大和浸泡時間的變長，黃土的碳酸鈣膠結(jié)物逐漸被侵蝕溶解，使得黃土內(nèi)部孔隙變多，并逐漸連通形成貫通通道，降低土體抗?jié)B強度，在滲透試驗中表現(xiàn)為隨著酸性溶液濃度增大和浸泡時間的變長，滲透系數(shù)增大，與試驗結(jié)果相符。黃土顆粒之間原有的膠結(jié)結(jié)構(gòu)不斷被酸性溶液侵蝕，整體結(jié)構(gòu)性逐漸被破壞，由粒狀的面接觸架空結(jié)構(gòu)逐漸變成點接觸的大孔隙架空結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為土體強度減弱，與2.6節(jié)中的抗剪強度指標(biāo)隨酸性溶液侵蝕破壞逐漸降低相符。

4 結(jié) 論

通過酸性溶液浸泡黃土，研究了酸性溶液對黃土基本物理化學(xué)力學(xué)指標(biāo)的影響，并應(yīng)用掃描電鏡分析了不同侵蝕程度的黃土土樣的微觀結(jié)構(gòu)，主要結(jié)論如下：

（1）酸性溶液的作用導(dǎo)致黃土的顆粒相對密度、有機質(zhì)含量隨著酸性溶液侵蝕程度的加強逐漸降低，同時其交換性鹽基陽離子逐漸增加。

（2）酸性溶液作用后，土體中黏粒粒組含量增加，粉粒粒組含量減少，同時其液塑限增大。

（3）酸性溶液的作用導(dǎo)致土體滲透系數(shù)增強，抗剪強度降低，從微觀結(jié)構(gòu)可以看出，隨著酸性溶液濃度的增大和浸泡時間的變長，黃土的碳酸鈣膠結(jié)物逐漸被侵蝕溶解，骨架顆粒的連結(jié)方式由面-面接觸逐漸向點-點接觸方式變化，這說明浸泡的溶液濃度越高、浸泡時間越長對土體結(jié)構(gòu)的影響越大。

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【責(zé)任編輯 張華巖】