酸堿環(huán)境下膨脹土脹縮變形規(guī)律研究

王 斯 海，趙 貴 濤，袁 昌 成，高 路 恒

(1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226000； 2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009； 3.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072； 4.中國船舶重工集團有限公司第八研究院，江蘇 南京 210000)

0 引 言

膨脹土是一種“問題多的土，難對付的土”，被稱為“隱藏的災(zāi)害”，具有諸多不良工程特性，根源在于其含有蒙脫石、伊利石等強親水性黏土礦物，導(dǎo)致膨脹土對氣候和水文條件變化十分敏感，其水敏性表現(xiàn)在隨著含水率的波動，膨脹土體積發(fā)生明顯的脹縮變形。膨脹土不均勻的體積變形易導(dǎo)致建于其上或與之相鄰的構(gòu)筑物發(fā)生失穩(wěn)破壞，尤其在考慮季節(jié)性脹縮循環(huán)以及工業(yè)污染等不可忽略的因素時，這種破壞可能會變得更加嚴(yán)重和復(fù)雜。因此，工程實踐中膨脹土的體積變化行為越來越受到眾多研究者的關(guān)注。

隨著中國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化規(guī)模的不斷擴大，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種污染物(如廢水、廢氣、廢渣)的排放不可避免地對周圍土體(包括膨脹土)造成污染，這種通常帶有酸性或堿性的污染物通過水傳播作用與土體接觸時所產(chǎn)生的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)難以避免地會改變土體本身的物質(zhì)組成，進而改變土體的物理-力學(xué)性質(zhì)，引起土的工程性質(zhì)逐漸衰變[1-3]。已有研究表明[4-5]，污染物的種類和濃度是影響土體體積變化的重要因素。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者針對環(huán)境酸堿污染對土的工程性質(zhì)影響展開了大量研究。例如，李善梅等[6]通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)pH對桂林紅黏土的界限含水率具有顯著影響，并分析了其內(nèi)在機理。肖桂元等[7]則研究了酸性環(huán)境對紅黏土滲透特性的影響，并采用一種淋溶裝置模擬酸雨入滲，發(fā)現(xiàn)紅黏土中的金屬元素會被酸性物質(zhì)溶解，土體孔隙比增大，最終造成土體滲透系數(shù)增大。Sivapullaiah等[8]通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)非膨脹性高嶺土在不同類型和濃度的堿溶液作用之后產(chǎn)生了明顯的體積變化。之后，Chavali等[9]通過一系列一維膨脹試驗以及微觀試驗(XRD，SEM)研究了非膨脹性高嶺土的堿致膨脹，發(fā)現(xiàn)沸石礦物的形成是其產(chǎn)生膨脹特性的根本原因。此外，Gratchev等[10]研究了硫酸溶液侵蝕作用下日本沿海3種沉積黏土的固結(jié)壓縮特性，發(fā)現(xiàn)硫酸侵蝕作用對不同種類黏土固結(jié)壓縮特性具有不同的影響，原因在于不同黏土具有不同的礦物成分以及土體初始微觀結(jié)構(gòu)。還有許多學(xué)者對不同種類的鹽溶液(中性溶液)如NaCl[11-13]、KCl[14]、CaCl2[15]、AlCl3[15]進入膨脹土之后土體體積變化規(guī)律開展研究，但大多都基于宏觀現(xiàn)象進行分析，很少從微觀層面展開討論。

此外，還有學(xué)者研究了酸堿污染對土體力學(xué)特性的影響。如劉劍等[16]發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境下蒙脫石-石英砂重塑土的抗剪強度和黏聚力先下降后上升再下降，而堿性環(huán)境下抗剪強度表現(xiàn)為總體增大。趙宇等[17]則有針對性地研究了幾類黏性土在酸性作用下力學(xué)特性的變化，發(fā)現(xiàn)不同種類的黏土其黏聚力均有不同程度的降低。張瑤丹等[18]通過三軸剪切試驗研究了堿處理對黏土抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力路徑下其抗剪強度均有所增加。相反，牟春梅等[19]則發(fā)現(xiàn)經(jīng)NaOH污染之后黏土的抗剪強度和強度參數(shù)均有所降低，且發(fā)現(xiàn)土體孔隙比增大。

綜上可見，目前針對酸性和堿性環(huán)境污染下土體微觀結(jié)構(gòu)、物理和力學(xué)性質(zhì)的演化規(guī)律研究已得到了一些有益的結(jié)論，但是酸、堿污染對膨脹土在膨脹特性和壓縮特性等方面的研究卻鮮見報道。而一些學(xué)者雖然針對膨脹土的膨脹變形展開研究[20-21]，但卻未考慮酸堿污染對變形的影響。因此，本文以南寧市膨脹土為研究對象，通過一維膨脹和壓縮試驗研究了該膨脹土在酸堿污染條件下脹縮特性的變化規(guī)律，分析了土體孔隙水中陰、陽離子濃度的變化，且通過掃描電子顯微鏡(SEM)和壓汞(MIP)試驗觀察了土體微觀結(jié)構(gòu)的變化。

1 試驗材料

1.1 試驗用土

試驗用膨脹土取自廣西南寧市，天然含水率(wn)為18.5%，天然干密度(ρdn)為1.56 g/cm3。取回的膨脹土經(jīng)自然風(fēng)干、研磨并過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩以去除土中礫石、樹根等雜質(zhì)。根據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[22]測得其基本物性指標(biāo)如表1所列。經(jīng)X射線衍射試驗得知膨脹土主要礦物成分為蒙脫石、伊利石、高嶺石、石英、正長石等。經(jīng)化學(xué)分析試驗測得膨脹土主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO(見表2)。擊實曲線如圖1所示。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of the tested expansive soil

表2 膨脹土的主要化學(xué)成分Tab.2 Main chemical components of the expansive soil %

1.2 試樣制備

為全面考慮試樣初始狀態(tài)以及酸堿污染對膨脹土體積變化的影響，選擇5種制樣干密度，分別為1.45，1.50，1.55，1.60，1.65 g/cm3。制樣含水率選擇每種干密度在擊實曲線(見圖1)上各自對應(yīng)的含水率，分別為15.40%，16.60%，18.00%，19.45%，21.40%。將風(fēng)干、研磨之后的膨脹土粉分別與pH為3.5，12.5以及7.0的H2SO4溶液、NaOH溶液、去離子水充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，制備成不同含水率的濕土膏，用擊樣法將土膏制成直?1.8 mm、高20 mm的環(huán)刀樣。將環(huán)刀樣用保鮮膜密封，25 ℃的室溫下靜置7 d，以使酸堿作用達(dá)到平衡狀態(tài)。一部分試樣用于膨脹率試驗和壓縮試驗；另一部分試樣用于微觀試驗(MIP和SEM)。

2 試驗方案

2.1 配制酸堿溶液

為模擬酸性和堿性環(huán)境污染，分別制備pH為3.5和12.5的酸性和堿性溶液。首先，將濃度96%的硫酸(H2SO4)溶液稀釋到去離子水中，以使配制溶液pH=3.5。其次，將氫氧化鈉(NaOH)顆粒溶解在去離子水中，制備pH=12.5的堿性溶液。需要注意的是，氫氧化鈉和水之間的反應(yīng)為放熱反應(yīng)。

(1) H2SO4溶液的配置。用玻璃膠頭滴管取一定量(約0.05 mL)濃度為96%的濃硫酸(17.927 mol/L)，含有硫酸物質(zhì)的量為8.96×10-4mol，滴入5 L去離子水中，逐漸加水稀釋直至測得其pH為3.5，即得到試驗所需硫酸溶液。

(2) NaOH溶液的配制。先配置飽和NaOH溶液(19.3 mol/L)，方法為取130 g NaOH試劑溶于100 mL去離子水中，不斷用玻璃棒攪拌，使之完全溶解，待冷卻之后，轉(zhuǎn)移至塑料瓶中，靜置5 d備用。然后，用膠頭滴管取1.64 mL上層清液(含有0.031 6 mol NaOH)溶解于900 mL去離子水中，加水不斷調(diào)整直到測得pH為12.5，即得到NaOH溶液。

2.2 膨脹率試驗方案

根據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[22]進行無荷膨脹率試驗，試驗儀器為南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的WZ-2型常規(guī)膨脹儀。將試樣放入膨脹儀中，并于試樣頂、底部各放置濾紙和透水塑料板以保證試驗過程中酸、堿溶液或去離子水可正常進出試樣，同時濾紙又能夠保證試樣的完整性。將H2SO4溶液、NaOH溶液或去離子水加入膨脹儀，通過百分表記錄試樣的豎向膨脹變形。無荷膨脹率試驗共持續(xù)7 d，6 h內(nèi)試樣膨脹變形不超過0.01 mm，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，試驗終止。

2.3 壓縮試驗方案

一維壓縮試驗同樣按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[22]中標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗方法進行。施加的豎向荷載梯度為6.25，12.5，25，50，100，200，400，800 kPa，每一級荷載維持24 h以保證孔隙水壓力完全消散，此時所施加荷載即為有效豎向荷載。壓縮試驗過程中通過百分表記錄酸堿侵蝕試樣的豎向變形。

2.4 微觀試驗方案

通過壓汞(MIP)和掃描電子顯微鏡(SEM)試驗觀察試樣經(jīng)歷酸堿處理之后微觀結(jié)構(gòu)的改變。在靜置7 d之后最接近天然干密度為1.55 g/cm3的試樣上取2 g進行試驗，試驗前用凍干法去除土中孔隙水。為呈現(xiàn)試樣內(nèi)部孔隙形態(tài)，SEM試驗放大倍數(shù)選為1 000倍。

3 結(jié)果與討論

3.1 孔隙水化學(xué)成分變化

取干密度為1.55 g/cm3的試樣進行孔隙水化學(xué)成分測試，所得結(jié)果見表3。從表3可以看出：

表3 膨脹土孔隙水陰、陽離子含量Tab.3 The anion and cation contents of pore solutions mg/kg

(1) 酸污染土中的陽離子(即Al3+、Fe3+、Ca2+、K+、Na+)的濃度均有不同程度的增加，一方面說明Al2O3，F(xiàn)e2O3等膠結(jié)物在酸性條件下發(fā)生了溶蝕，生成Al2(SO4)3和Fe2(SO4)3溶解在孔隙溶液中；另一方面，酸中的H+與土體中的可交換陽離子Ca2+、K+、Na+等發(fā)生陽離子交換，從而造成孔隙水中陽離子濃度增大。

3.2 酸堿污染作用對膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖2所示為去離子水及酸、堿污染作用7 d之后，試樣的MIP試驗結(jié)果，即累積進汞曲線(CI)和孔徑分布曲線(PSD)。圖3為去離子水及酸、堿污染試樣的SEM圖像。

土粒比重為2.73，結(jié)合圖2(a)中累積注汞體積，可得到去離子水及酸、堿污染試樣的總體孔隙比(e)分別為0.45，0.48，0.41。酸污染導(dǎo)致土體孔隙比增大，相比未污染試樣增大6.67%；相反，堿污染則導(dǎo)致土體總體孔隙比減小了8.89%。

從圖2(b)可以看出：未經(jīng)酸堿處理干密度為1.55 g/cm3的壓實膨脹土試樣表現(xiàn)為雙峰孔隙結(jié)構(gòu)，即包含峰值約為0.3 μm的小孔隙系統(tǒng)(顆粒集聚體內(nèi)孔隙)和峰值約為4 μm的大孔隙系統(tǒng)(顆粒集聚體間孔隙)。從圖2(b)酸污染試樣的PSD曲線可以看出，微觀孔隙形態(tài)仍然呈現(xiàn)雙峰孔隙結(jié)構(gòu)，即試樣內(nèi)部仍存在顆粒集聚體。與未污染試樣不同的是，PSD曲線發(fā)生明顯的向右偏移，小孔隙系統(tǒng)的峰值孔徑由0.3 μm增大到2 μm，大孔隙系統(tǒng)的峰值孔徑由4 μm增長到11～12 μm，表明酸的侵蝕作用導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙變大，這與文獻[23]所觀察到的現(xiàn)象一致。從圖2(b)堿污染試樣的PSD曲線可以看出，試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變?yōu)閱畏逍螒B(tài)。與未污染試樣相比，大孔隙消失，小孔隙尺寸有一定增大的趨勢，其峰值孔徑從0.3 μm增大到0.5 μm。

從圖3可以觀察到，未污染試樣(圖3(a))內(nèi)部除去條狀裂隙之外，微觀孔隙尺寸大多集中于5～10 μm，且可明顯觀察到顆粒集聚體，這一微觀孔隙形態(tài)與制樣初始含水率和干密度有關(guān)，試樣表現(xiàn)出明顯的雙峰孔隙結(jié)構(gòu)特征，這與MIP試驗所測得試驗結(jié)果一致。圖3(b)所示為酸污染試樣的微觀圖像，可以看出土體內(nèi)部具有很明顯的顆粒集聚體，除條狀裂隙外，集聚體間孔隙尺寸可達(dá)25 μm。圖3(c)所示為堿污染試樣的微觀圖像，可以看出，土體結(jié)構(gòu)由片架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾跄Y(jié)構(gòu)，未見明顯孔隙，這主要與蒙脫石及伊利石在堿性作用下脫硅形成膠結(jié)凝膠有關(guān)，文獻[23]也得到了類似的結(jié)論。

3.3 酸堿污染作用對膨脹土壓縮特性的影響

圖4所示為不同干密度的去離子水及酸、堿污染試樣的壓縮曲線，即e-lgP曲線?？梢钥闯觯瑢τ?種試樣，隨著干密度的增加，壓縮曲線均向下移動。隨著豎向荷載的增加，試樣孔隙比逐漸降低。當(dāng)豎向荷載增大到某個值之后，試樣孔隙比開始迅速減小，直到豎向荷載達(dá)到800 kPa。不同干密度下3種試樣初始(豎向荷載為1 kPa)和最終(豎向荷載為800 kPa)孔隙比如表4所列。值得注意的是，從干密度為1.60和1.65 g/cm3的試樣壓縮曲線可以看出，當(dāng)豎向荷載從1 kPa增大到6.25，12.5 kPa時，試樣孔隙比反而有所增加。這一現(xiàn)象是因為加入酸、堿溶液或去離子水之后，試樣發(fā)生豎向膨脹，所施加豎向荷載較小且小于試樣自身的膨脹力，因此試樣在吸水過程中發(fā)生了膨脹，表現(xiàn)出孔隙比略微增大。此外，相同干密度情況下，酸污染試樣壓縮曲線最靠下，表明酸污染增大了膨脹土的壓縮能力，而堿污染試樣壓縮曲線位于最上方，表明堿污染降低了膨脹土的壓縮能力。

表4 去離子水及酸、堿污染試樣的初始及最終孔隙比Tab.4 Initial and ultimate void ratio of the specimens soaked in distilled water，acid and alkali

土體壓縮指數(shù)(Cc)是一個很重要的參數(shù)，可從定量角度反映土體在豎向荷載作用下的變形能力。不同試樣所得到的壓縮指數(shù)(Cc)如圖5所示。可以看出：對于3種試樣，隨著干密度的增大，壓縮指數(shù)逐漸減小，當(dāng)干密度從1.45 g/cm3增大到1.65 g/cm3時，去離子水和酸、堿污染試樣的壓縮指數(shù)分別減小了57.58%，46.18%，65.52%。3種試樣中，堿污染試樣的壓縮指數(shù)最小，且壓縮指數(shù)降幅最大，表現(xiàn)出堿污染試樣壓縮能力的降低。其次為未污染試樣，而酸污染試樣的壓縮指數(shù)最大，且壓縮指數(shù)降幅最小，說明酸污染使試樣壓縮性增強。這是因為膨脹土中游離SiO2、Al2O3、Fe2O3等膠結(jié)物在酸性環(huán)境作用下出現(xiàn)不同程度的溶蝕，降低了試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體性，造成土體內(nèi)孔隙增大，致使壓縮性增大。而由于膨脹土中的黏土礦物“蒙脫石”和“伊利石”在堿性環(huán)境下脫硅形成膠結(jié)凝膠，同時Al2O3和Fe2O3與NaOH發(fā)生反應(yīng)生成了Al(OH)3和Fe(OH)3膠體，造成土體內(nèi)部可供壓縮的孔隙減少(見圖3(c))，最終導(dǎo)致土體壓縮性降低。

3.4 酸堿污染作用對膨脹土膨脹特性的影響

圖6所示為3種試樣的一維膨脹時程曲線。從圖6中可以看出，隨著干密度由1.45 g/cm3逐漸增大到1.65 g/cm3，試樣的膨脹變形逐漸增大。試驗結(jié)果可用Li等[24]提出的模型進行擬合：

式中：ε為膨脹應(yīng)變；t為時間；A，B，λ和t0為擬合參數(shù)。不同干密度的3種試樣的擬合參數(shù)及相應(yīng)的擬合度R2如表5所列。

從圖6可知：試樣的膨脹應(yīng)變隨時間的發(fā)展均呈“S”形，由于膨脹土的滲透性較差，干密度越大，水分越難進入土體。因此，干密度較低(如1.45，1.50 g/cm3)的試樣初期膨脹應(yīng)變增速較快，而干密度較高的試樣初期應(yīng)變增速較緩。相比于未污染試樣，酸污染導(dǎo)致不同干密度試樣(1.45～1.65 g/cm3)最終膨脹應(yīng)變分別增大了20.00%，22.22%，9.72%，20.79%，24.26%。而堿污染導(dǎo)致試樣最終膨脹應(yīng)變分別減小了19.88%，20.37%，24.00%，25.42%，25.73%?？梢钥闯龈擅芏仍酱?，酸、堿污染作用對膨脹土膨脹特性的影響越明顯；酸污染導(dǎo)致膨脹土膨脹性增強，而堿污染則造成膨脹土膨脹性的降低。

圖7所示為典型的一維膨脹時程曲線，根據(jù)膨脹速率的不同，該曲線可分為3個階段：即初始膨脹階段、主要膨脹階段和次要膨脹階段。3階段劃分依據(jù)為：在膨脹時程曲線上，由(εU+ε0)/2確定點O(εU為最終膨脹應(yīng)變，ε0為初始應(yīng)變，一般有ε0=0)，過O點沿曲線兩邊做切線分別與橫軸和線ε=εU交于點A，B。過A，B點做橫軸的垂線，即將膨脹時程曲線劃分為3個階段。同時，兩垂線與時程曲線分別交于點M，N?？啥x線段MN的斜率(εN-εM/lg(tp/ti))為主要膨脹階段的膨脹系數(shù)(Cp)，N點與最大膨脹應(yīng)變處C點連線的斜率(εC-εN/lg(ts/tp))定義為次要膨脹階段的膨脹系數(shù)(Cs)。

3種試樣主、次膨脹階段的膨脹系數(shù)計算結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，兩種膨脹系數(shù)均隨干密度的增大而增大，且酸污染試樣的主、次膨脹系數(shù)均最大，未污染試樣次之，堿污染試樣的膨脹系數(shù)最小。

表5 膨脹時程曲線擬合參數(shù)Tab.5 Values of fitting parameters of the swell versus logarithmic time curves

圖9所示為試驗結(jié)束時試樣最終膨脹應(yīng)變，結(jié)合圖6及圖8可以看出：

(1) 相比于未污染試樣，酸污染試樣膨脹性顯著增強。一方面，是因為酸性環(huán)境下膨脹試樣中的游離SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3等膠結(jié)物溶蝕，造成孔隙比增大，這一作用加強了土顆粒與孔隙水的接觸；另一方面，在酸性環(huán)境下，氫離子(H+)取代黏土礦物中的交換性陽離子(Na+、K+、Ca2+等)，從而增加了擴散雙電層的厚度，同樣造成土體膨脹性增強。

(2) 相比于未污染試樣，堿污染試樣的膨脹性則明顯降低。一方面，由于蒙脫石和伊利石在堿性環(huán)境下脫硅形成膠結(jié)凝膠，同時Al2O3和Fe2O3與堿發(fā)生反應(yīng)生成Al(OH)3和Fe(OH)3膠體，因此其內(nèi)部孔隙減少，降低了土顆粒與孔隙水之間的接觸；另一方面，堿性溶液中的Na+與Ca+、K+等可交換陽離子發(fā)生陽離子交換反應(yīng)，擴散雙電層隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加而坍塌，試樣膨脹性降低。

綜上所述，酸污染和堿污染對膨脹土的侵蝕作用均顯著改變了膨脹土孔隙水的化學(xué)成分和微觀孔隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。然而，兩種污染作用對膨脹土體變特性的影響卻表現(xiàn)出相反的差異性。因此，在實際工程中，應(yīng)分別討論酸污染或堿污染對膨脹土場地建筑物或土工構(gòu)筑物安全穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié) 論

本文探究了酸、堿污染對膨脹土一維壓縮和膨脹特性的影響，通過孔隙水化學(xué)成分變化分析和微觀試驗，解釋了在酸、堿污染作用下膨脹土體積變化規(guī)律的內(nèi)在機理，得到以下結(jié)論。

(1) 酸污染和堿污染均顯著改變了膨脹土的化學(xué)成分和微觀孔隙系統(tǒng)。壓實的未污染試樣表現(xiàn)為雙峰孔隙結(jié)構(gòu)。酸污染導(dǎo)致試樣總體孔隙尺寸變大，孔隙比增加，但土體微觀孔隙仍呈現(xiàn)雙峰孔隙結(jié)構(gòu)；堿污染導(dǎo)致土體微觀結(jié)構(gòu)變?yōu)閱畏蹇紫督Y(jié)構(gòu)，孔隙比降低，但小孔隙尺寸略微增大，土體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)絮凝狀。

(2) 酸污染的侵蝕作用導(dǎo)致土體內(nèi)部膠結(jié)物的溶蝕，造成膨脹土壓縮性增強；而蒙脫石和伊利石在堿性環(huán)境下脫硅形成膠結(jié)凝膠以及Al(OH)3和Fe(OH)3膠體，是造成膨脹土壓縮性降低的主要原因。

(3) 酸性環(huán)境下，氫離子(H+)取代了黏土礦物中的可交換陽離子，造成擴散雙電層厚度的增大，同時由于孔隙比的增大，導(dǎo)致土體膨脹性增強；堿性環(huán)境下，Na+與Ca+、K+等可發(fā)生陽離子交換反應(yīng)，擴散雙電層厚度降低，同時由于孔隙比降低，土體膨脹性減弱。酸污染對膨脹土體變具有促進作用，堿污染對膨脹土體變具有抑制作用。