KCl溶液對(duì)紅黏土骨架結(jié)構(gòu)與抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

劉 沖，肖桂元，2*，劉 闖，張達(dá)錦

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430000)

紅黏土是一種由石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽類巖石在亞熱帶溫?zé)釟夂驐l件下經(jīng)風(fēng)化作用而形成的褐紅色的黏性土，其主要礦物成分有高嶺石、云母、膠體SiO2、赤鐵礦及三水鋁土礦等。它主要分布在貴州、廣西、云南等地，是一種區(qū)域性特殊土。Liu等[1]和Lei等[2]通過(guò)研究土中礦物成分及含量與土體本身的工程關(guān)系,得出土的工程性質(zhì)受其自身礦物組成成分及所占比例的影響，根據(jù)紅黏土礦物成分及所占比例,可以得出紅黏土與其他土類工程性質(zhì)的差異性。紅黏土本身不僅具備強(qiáng)度高、承載力大及壓縮性低等特性，而且具有黏粒含量高、水穩(wěn)定性差及脹縮性大等不穩(wěn)定性物理性質(zhì)。因此，前人對(duì)紅黏土的工程性質(zhì)進(jìn)行了大量研究，李善梅等[3]利用室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)研究不同濃度的碳酸銨溶液對(duì)紅黏土工程性質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著碳酸銨溶液濃度的增加，紅黏土的黏聚力和滲透性都有所增強(qiáng)，但紅黏土的壓縮模量相對(duì)減?。粡埍宓萚4]對(duì)不同壓力條件下的飽和黏性土體進(jìn)行應(yīng)力關(guān)系試驗(yàn)，證明黏性土體的親水性對(duì)弱結(jié)合水排出的臨界孔隙比有直接影響。房營(yíng)光等[5]、谷任國(guó)等[6]采用改進(jìn)的直剪蠕變儀試驗(yàn)方法，研究土體的流變性與土中礦物成分及強(qiáng)、弱結(jié)合水之間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明土中礦物含量的增加會(huì)導(dǎo)致土體的黏滯系數(shù)減小，且發(fā)現(xiàn)土中礦物是通過(guò)顆粒表面的結(jié)合水影響土的流變性，即強(qiáng)結(jié)合水含量的增加會(huì)導(dǎo)致流變變形阻力減小，而當(dāng)達(dá)到吸附結(jié)合水含量時(shí)，弱結(jié)合水含量的增加會(huì)導(dǎo)致流變變形阻力增大。周志國(guó)等[7]從結(jié)合水角度分析了紅黏土在動(dòng)力條件下發(fā)生剪切破壞，是因?yàn)榻Y(jié)合水含量的減少引起顆粒之間黏聚力的降低。李碩等[8]、許增光等[9]、Min等[10]、黨發(fā)寧等[11]及張玉等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了黏性土滲透特性與土中結(jié)合水含量之間的關(guān)系，按照微觀結(jié)合水“固化”的等效原則，得到了黏性土滲流系數(shù)等效計(jì)算方法。牟春梅等[13]通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酸污染會(huì)造成紅黏土壓縮性增強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度降低及黏聚力減小。

近年來(lái)，關(guān)于結(jié)合水與土體力學(xué)性質(zhì)關(guān)系的研究取得了一定進(jìn)展，畢仁能等[14]和崔德山等[15]從微觀方面分析發(fā)現(xiàn)土體孔隙中的化學(xué)溶液會(huì)造成黏土顆粒表面結(jié)合水膜變薄，引起土粒與土粒之間的吸引力增大，增強(qiáng)了土的抗剪強(qiáng)度。但關(guān)于離子濃度引起不同礦物構(gòu)成的黏性土結(jié)合水的溫度區(qū)間和含量變化，以及根據(jù)土中結(jié)合水含量變化與離子濃度的改變兩個(gè)因素綜合分析對(duì)土體工程性質(zhì)的影響方面研究較少。因此，本文通過(guò)探究KCl溶液濃度改變后，紅黏土中結(jié)合水發(fā)生的變化對(duì)土體工程性質(zhì)的影響，為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)土樣的制備與分析

試驗(yàn)土樣取自廣西壯族自治區(qū)桂林市雁山鎮(zhèn)紅黏土，取土深度為3～4 m?，F(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)并未取得實(shí)際所需污染土樣，將現(xiàn)場(chǎng)取回的紅黏土進(jìn)行自然風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm土工篩，測(cè)得土樣的風(fēng)干含水率為6.27%，對(duì)土樣做基本的室內(nèi)土工試驗(yàn)，得出土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。根據(jù)工程實(shí)地調(diào)查確定KCl溶液濃度依次為0 .00、0.01、0.10、0.30、0.50、1 .00 mol/L，試驗(yàn)所用不同濃度KCl溶液按比例采用KCl晶體(分析純)與蒸餾水配制而成。

表1 紅黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical property indexes of red clay

紅黏土中的黏粒顆粒含量是土中產(chǎn)生結(jié)合水的主要原因，其含量對(duì)土樣的宏觀力學(xué)性質(zhì)及微觀性質(zhì)均有重要影響。因此，通過(guò)對(duì)紅黏土進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，分析土樣顆粒含量的組成情況，結(jié)果表明，紅黏土中的黏粒顆粒含量為31.6%，比一般土中的黏粒顆粒含量高，試驗(yàn)土樣具體粒組成分組成見表2。

表2 紅黏土粒組顆粒含量占比Tab.2 Percentage of grain group of red clay

2 熱分析試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 熱分析試驗(yàn)

采用熱失重的方法，分別對(duì)0 .00、0.01、0.10、0.30、0.50、1 .00 mol/L KCl溶液污染后的試驗(yàn)土樣進(jìn)行結(jié)合水測(cè)試。試驗(yàn)采用的土樣為重塑紅黏土，為避免試驗(yàn)土樣受到土中有機(jī)質(zhì)和電解質(zhì)的干擾，試驗(yàn)開始前依次對(duì)土樣進(jìn)行處理。首先，用濃度為30%的H2O2溶液與土樣充分反應(yīng)，靜置6 h，再放入恒溫水浴箱去除土中殘留的H2O2溶液，并經(jīng)過(guò)105 ℃烘箱烘干去除有機(jī)質(zhì)；隨后進(jìn)行電解質(zhì)的去除。通過(guò)洗濾去除電解質(zhì)，具體步驟為一般的洗鹽步驟，其中每洗2次，測(cè)量處理土樣上清液的電導(dǎo)率，直到土樣上清液的電導(dǎo)率值保持穩(wěn)定，則土樣電解質(zhì)處理完成；將處理后的土樣放入105 ℃烘箱烘干后過(guò)0.075 mm篩。為制備不同濃度KCl溶液的試驗(yàn)土樣，采用向紅黏土中依次添加0 .00、0.01、0.10、0.30、0.50、1 .00 mol/L濃度KCl溶液的方式進(jìn)行配制，并將配好的土樣用雙層保鮮膜密封14 d，使含有K+的溶液均勻滲入土樣，對(duì)每種濃度取(26±1) mg的土樣進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)儀器采用珀金埃爾默儀器(上海)有限公司生產(chǎn)的STA8000同步熱分析儀(圖1)。

圖1 STA8000同步熱分析儀Fig.1 Synchronous thermal analyzer 8000(STA8000)

2.2 熱分析試驗(yàn)結(jié)果分析

STA8000同步熱分析儀的升溫溫度為25～400 ℃(室溫26 ℃)，升溫速率10 ℃/min。熱流量大氣流速設(shè)為20 mL/min，試驗(yàn)氣體為氮?dú)狻Ｊ紫?，依次?duì)0.00、0.01、0.10、0.30、0.50、1.00 mol/L KCl溶液污染后的紅黏土試樣進(jìn)行熱失重試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果用TG曲線表示(即樣品失重質(zhì)量G與溫度T的關(guān)系曲線)。然后，對(duì)TG曲線做一次微分曲線(DTG曲線)，相比TG曲線，DTG曲線的優(yōu)點(diǎn)是可以看到明顯的吸熱峰，確定失重溫度區(qū)間。綜上，本文采用TG曲線得到不同濃度KCl溶液下紅黏土內(nèi)結(jié)合水的具體含量變化，由DTG曲線上的吸熱峰確定弱、強(qiáng)結(jié)合水的失重溫度區(qū)間，結(jié)果如圖2～圖7。

圖20.00 mol/L KCl濃度下的TG-DTG曲線Fig.2TG-DTG curve at 0.00 mol/L KCl concentration圖30.01 mol/L KCl濃度下的TG-DTG曲線Fig.3TG-DTG curve at 0.01 mol/L KCl concentration

圖40.10 mol/L KCl濃度下的TG-DTG曲線Fig.4TG-DTG curve at 0.10 mol/L KCl concentration圖50.30 mol/L KCl濃度下的TG-DTG曲線Fig.5TG-DTG curve at 0.30 mol/L KCl concentration

圖60.50 mol/L KCl濃度下的TG-DTG曲線Fig.6TG-DTG curve at 0.50 mol/L KCl concentration圖71.00 mol/L KCl濃度下的TG-DTG曲線Fig.7TG-DTG curve at 1.00 mol/L KCl concentration

由圖2～圖7可知，每條DTG曲線均含有3個(gè)明顯的吸熱峰，每個(gè)吸熱峰所對(duì)應(yīng)的溫度為土中結(jié)合水失重溫度，吸熱峰峰值在TG曲線上對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為樣品失重質(zhì)量百分比，即某個(gè)溫度范圍內(nèi)失去的土中水質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。且從圖2～圖7的DTG曲線可看出樣品失重階段分為3個(gè)階段，每個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的TG曲線上失去的土中水的類型依次為自由水、弱結(jié)合水、強(qiáng)結(jié)合水。根據(jù)圖2～圖7分析得出，不同濃度KCl溶液下紅黏土中自由水、弱結(jié)合水、強(qiáng)結(jié)合水所對(duì)應(yīng)的失重溫度區(qū)間及各個(gè)濃度KCI溶液下紅黏土中自由水、弱結(jié)合水、強(qiáng)結(jié)合水的含量，結(jié)果如表3和表4所示。

由表3可知，當(dāng)KCl溶液濃度從0.00 mol/L增加到1.00 mol/L時(shí)，自由水失重溫度區(qū)間由30.04～62.27 ℃變化至30.04～76.65 ℃，強(qiáng)結(jié)合水失重溫度區(qū)間由137.10～285.79 ℃變化至117.15～287.42 ℃，失重溫度區(qū)間有所增大；而弱結(jié)合水失重溫度區(qū)間由62.27～137.1 ℃變化至76.65～117.15 ℃，失重溫度區(qū)間明顯減小。

表3 不同濃度KCl溶液中自由水、弱結(jié)合水、強(qiáng)結(jié)合水所對(duì)應(yīng)的失重溫度區(qū)間Tab.3 Weight loss temperature intervals corresponding to free water，weakly bound water and strong bound water in different concentrations of KCI solution

由表4可知，當(dāng)KCl溶液濃度從0.00 mol/L增加到1.00 mol/L時(shí)，自由水含量由0.959 2%增大至7.244%，弱結(jié)合水含量由1.229 2%增大至4.768%，結(jié)合水含量有所增加，而強(qiáng)結(jié)合水含量由1.420 2%減小至1.256%，結(jié)合水含量略微減少，但總體來(lái)說(shuō)結(jié)合水的含量是增加的。

表4 不同濃度KCl溶液中結(jié)合水含量Tab.4 Content of bound water in different concentrations of KCI solution

由試驗(yàn)分析可知，引起紅黏土中結(jié)合水的失重溫度區(qū)間及含量變化的主要原因是：當(dāng)紅黏土孔隙中KCl溶液濃度增加后，正電荷K+含量增多，黏土顆粒表面負(fù)電荷緊密吸附著溶液中的陽(yáng)離子，促使紅黏土顆粒表面Zate電位增加，引起固定層K+對(duì)擴(kuò)散層中K+排斥作用增大，導(dǎo)致擴(kuò)散層厚度變厚，結(jié)合水含量增加；熱分析試驗(yàn)結(jié)果中的失重溫度區(qū)間和結(jié)合水含量變化表明，K+影響下減小的結(jié)合水量主要為弱結(jié)合水，較高KCl濃度對(duì)強(qiáng)結(jié)合水的失重溫度區(qū)間及結(jié)合水含量影響不大。

3 滲透試驗(yàn)及結(jié)果分析

本試驗(yàn)通過(guò)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定不同濃度KCl溶液中重塑紅黏土的飽和滲透系數(shù)，研究不同濃度KCl溶液對(duì)其滲透性的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

制備試樣時(shí)，為了使土樣在環(huán)刀內(nèi)盡可能均勻分布，將土樣分層加入環(huán)刀內(nèi)，且每次分層都進(jìn)行刮毛試樣表面，使其充分接觸，每種試樣都制備3個(gè)平行樣進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。

變水頭滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)按如下公式計(jì)算：

(1)

式中：a為變水頭管截面積(cm2)；A為試樣面積(cm2)；t為滲流時(shí)間(s)；L為滲徑(cm)，等于試樣高度；Hb1為開始時(shí)水頭(cm)；Hb2為終止時(shí)水頭(cm)。

由表5可知，在相同條件下，KCI溶液濃度為0.00 mol/L時(shí)，污染土的平均滲透系數(shù)為3.054 5×10-9cm/s；KCI溶液濃度為0.30 mol/L時(shí)，污染土的滲透系數(shù)為5.211 0×10-11cm/s；KCI溶液濃度為1.00 mol/L時(shí)，污染土的滲透系數(shù)為2.782 8×10-10cm/s。隨著KCl濃度的增加，紅黏土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，但總的來(lái)說(shuō)，滲透系數(shù)受KCl溶液濃度的影響減小了，主要原因是：(1)隨著KCl溶液濃度的增加，土中K+含量增加，黏土顆粒表面負(fù)電荷緊密吸附著溶液中的K+，促使紅黏土顆粒表面Zate電位增加，引起固定層K+對(duì)擴(kuò)散層中K+排斥作用增大，導(dǎo)致擴(kuò)散層厚度變厚，結(jié)合水含量增加；而紅黏土中結(jié)合水與自由水相比，具有較高的穩(wěn)定性和黏滯阻力，從而使紅黏土滲透系數(shù)減小。(2)隨著土中KCl溶液濃度的增加，土中結(jié)合水含量變大，土體內(nèi)礦物成分和膠體受到溶液侵蝕發(fā)生反應(yīng)，破壞原土樣的結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生沉淀聚集于土體孔隙中，造成土體孔隙變小，使得紅黏土試樣變得密實(shí)，進(jìn)而使紅黏土的滲透性變?nèi)酢?/p>

4 直剪試驗(yàn)

該試驗(yàn)采用的儀器是南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。通過(guò)向紅黏土中分別添加濃度為0 .00、0.01、0.10、0.30、0.50、1 .00 mol/L 的KCl溶液來(lái)制備試驗(yàn)樣品，并采用快剪試驗(yàn)的方法研究KCl溶液對(duì)紅黏土性質(zhì)的影響。結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同濃度KCl溶液污染紅黏土試樣的抗剪強(qiáng)度曲線Fig.8 Shear strength lines of red clay samples contaminated with KCl solution of different concentrations

由圖8可知，在相同壓實(shí)度和同等受力條件下，試驗(yàn)土樣隨著KCl溶液濃度的增加，紅黏土抗剪強(qiáng)度逐漸降低，且減小的幅度逐漸增大。其主要原因是：(1)因?yàn)橥翗邮艿讲煌瑵舛菿Cl溶液侵蝕，破壞了紅黏土內(nèi)部顆粒之間游離氧化鐵膠結(jié)狀態(tài)，使其黏聚力減小，抗剪強(qiáng)度降低。(2)隨著KCl溶液濃度的增加，土樣孔隙及表面有KCl晶體析出，破壞試樣結(jié)構(gòu)，使其完整性降低，進(jìn)而導(dǎo)致紅黏土的抗剪強(qiáng)度降低。

5 討論與結(jié)論

本文通過(guò)研究不同濃度KCl溶液下紅黏土結(jié)合水失重溫度區(qū)間和含量的變化，并結(jié)合土中結(jié)合水含量變化與離子濃度的改變兩個(gè)因素綜合分析其對(duì)土體工程性質(zhì)的影響。與韓婷婷等[16]研究土中結(jié)合水含量的改變對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響相比，本文通過(guò)不同濃度KCl溶液下土中結(jié)合水溫度區(qū)間不同強(qiáng)、弱結(jié)合水含量的改變的研究，明確了土體力學(xué)性質(zhì)的改變主要是由弱結(jié)合水含量的改變引起的；與何俊等[17]研究土中結(jié)合水膜厚度的改變對(duì)土體流變性的影響相比，本研究更加清楚地解釋了結(jié)合水膜厚度的改變是由土中正電荷離子濃度改變引起的。本研究采用微觀與宏觀相結(jié)合的方法全面分析了土體工程性質(zhì)發(fā)生改變的原因，得到結(jié)論如下：

(1)當(dāng)紅黏土孔隙中KCl溶液濃度增加后，正電荷K+含量增多，黏土顆粒表面負(fù)電荷緊密吸附著溶液中的陽(yáng)離子，促使紅黏土顆粒表面Zate電位增加，引起固定層K+對(duì)擴(kuò)散層中K+排斥作用增大，導(dǎo)致擴(kuò)散層厚度變厚，結(jié)合水含量增加；熱失重試驗(yàn)結(jié)果中的失重溫度區(qū)間和結(jié)合水含量變化表明，K+影響下減少的結(jié)合水含量主要為弱結(jié)合水，較高濃度KCl對(duì)強(qiáng)結(jié)合水的失重溫度區(qū)間及結(jié)合水含量影響不大。

(2)隨著土中KCl溶液濃度的增加，K+含量變多，結(jié)合水含量變大，土體內(nèi)礦物成分和膠體受到溶液侵蝕發(fā)生反應(yīng)，破壞原土樣的結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生沉淀聚集于土體孔隙中，使得土中黏滯阻力加大，導(dǎo)致紅黏土滲透系數(shù)減小。

(3)隨著KCl溶液濃度的增加，土樣受到不同濃度KCl溶液的侵蝕，使紅黏土內(nèi)部顆粒之間游離氧化鐵膠結(jié)形態(tài)遭到破壞，試樣內(nèi)部孔隙及表面有KCl晶體析出，完整性降低，進(jìn)而導(dǎo)致紅黏土的抗剪強(qiáng)度降低。