酸性物質(zhì)對(duì)黃土壓縮變形特性的影響

唐斌鵬

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

黃土沉積物主要由細(xì)沙和黏土組成，富含碳酸鈣。黃土由于具有松散多孔、垂直節(jié)理發(fā)育和水敏感性等性質(zhì)，導(dǎo)致黃土力學(xué)性能較差，會(huì)對(duì)黃土地區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目施工造成一定的困擾［1］。同時(shí)，黃土地區(qū)容易出現(xiàn)一系列黃土天災(zāi)和次生災(zāi)害，如滑坡。黃土在外力作用下表現(xiàn)出的可壓縮性，是指其在壓力下壓縮變形并縮小體積的能力［2］，即黃土的變形和強(qiáng)度特性，它通常關(guān)系到建筑的穩(wěn)定性和安全性。隨著城市化和工業(yè)化程度的提高，工廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的酸性和堿性廢水會(huì)改變土壤的物理和力學(xué)性質(zhì)［3］，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。這種污染涉及土壤和污染物之間復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，改變了土壤在不同環(huán)境中的性質(zhì)。其中，酸性污染會(huì)導(dǎo)致許多問題，例如會(huì)引起土壤結(jié)構(gòu)變化，使建筑地基發(fā)生凸起現(xiàn)象。同時(shí)，酸性污染物主要來自金屬浸出、石油精煉、造紙工業(yè)和染料廠［4］，化學(xué)污染物滲入地下，可能導(dǎo)致地基變形，并且酸會(huì)與黃土中的碳酸鹽材料發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生鹽、二氧化碳和水。黃土中的碳酸鹽材料主要影響其化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)酸性物質(zhì)進(jìn)入黃土?xí)r，黃土的壓縮變形特性會(huì)發(fā)生變化［5］。

基于此，本研究以不同鹽酸濃度和不同浸泡時(shí)間的壓縮性能為研究對(duì)象，研究不同鹽酸濃度和不同浸泡時(shí)間下黃土在壓縮室中的壓縮性能，并借助掃描電子顯微鏡研究酸性物質(zhì)對(duì)黃土孔徑的影響和酸性物質(zhì)對(duì)黃土壓縮性能的影響，可為黃土地區(qū)的施工提供參考。

1 材料和方法

1.1 試樣制備

黃土取自某邊坡坡腳，呈黃褐色，富含垂直節(jié)理，天然含水量低，均勻性好，壓實(shí)度高。土壤的比重、自然密度和含水量分別為2.68、16.5 kN/m3和17.6%。液體和塑性測量值為ωL= 31.3%、ωP=19.4%。所有原狀黃土試樣均采用現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形切割機(jī)制作，直徑為79.8 mm、高度為20 mm。對(duì)于在現(xiàn)場環(huán)境中制備的原狀黃土環(huán)刀試樣，用保鮮膜密封，置于密封箱中，并運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)黃土試樣開展以下試驗(yàn)：根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50123—2019）中的要求，將采樣點(diǎn)未受擾動(dòng)的黃土環(huán)刀試樣浸泡在鹽酸溶液中，模擬正常實(shí)驗(yàn)室條件下的酸污染侵蝕試樣。放入酸溶液中浸泡前，將試樣包裹并編號(hào)。在試樣的上下兩側(cè)分別粘貼中滲透性濾紙，并在試樣底部和上部放入透水石。試樣的最外部用耐腐蝕的聚丙烯布包裹，并用橡皮筋緊緊綁住。這樣做的目的是讓酸溶液能均勻地滲透到土壤試樣中，確保土壤顆粒不會(huì)崩解和流失。試樣浸泡溶液由等體積的蒸餾水和濃度為0.1 mol/L、0.5 mol/L、1 mol/L、2 mol/L 和3 mol/L 的鹽酸溶液組成。浸泡時(shí)間分別為1 d、3 d、6 d、9 d、12 d，共試驗(yàn)30個(gè)試樣。

1.2 壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)使用單杠桿三重高壓固結(jié)儀，采用快速壓縮法對(duì)酸蝕樣品進(jìn)行壓縮，并在壓縮之前對(duì)其進(jìn)行稱重。依次施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa的垂直法向應(yīng)力，每個(gè)應(yīng)力施加60 min，在每個(gè)加載間隔結(jié)束時(shí)讀取位移（精度±0.01 mm）。壓縮穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)是試樣在2 h內(nèi)的垂直位移小于0.002 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓縮曲線（CCC）

黃土經(jīng)酸溶液腐蝕后，利用固結(jié)儀進(jìn)行壓縮，可進(jìn)一步得到黃土e-logσ曲線，該曲線為酸蝕黃土的壓縮曲線。試驗(yàn)結(jié)果如圖1（a）所示：對(duì)于1 d的酸浸時(shí)間，不同酸濃度下的樣品的初始孔隙比e不同，但隨著酸濃度的增加（0～3.0 mol/L），試樣的初始孔隙比e逐步增加，壓縮曲線的位置變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性；酸濃度越高，壓縮曲線的位置越高。隨著浸泡時(shí)間的增加，不同酸濃度的樣品壓縮曲線之間的距離也逐漸變寬。圖1（c）中的壓縮曲線之間的距離明顯大于圖1（b）中壓縮曲線之間的距離。對(duì)于相同的酸濃度，試樣的壓縮曲線位置隨著浸泡時(shí)間的增加而升高。

圖1 酸蝕黃土的壓縮曲線變化

2.2 壓縮指數(shù)Cc

壓縮指數(shù)Cc的值可以根據(jù)壓縮曲線中的斜率計(jì)算得出。以浸泡時(shí)間為12 d、酸濃度為3 mol/L為條件，計(jì)算壓縮指數(shù)Cc值。根據(jù)該方法，剩余組試樣（鹽酸濃度分別為0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、2.0 mol/L 和3.0 mol/L，浸泡時(shí)間為1 d、3 d、6 d、9 d和12 d的Cc值見表1。

表1 不同酸侵蝕濃度和時(shí)間下黃土試樣壓縮指數(shù)Cc

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于在酸溶液中浸泡1 d的試樣，隨著酸溶液濃度從0.1 mol/L增至3.0 mol/L，其壓縮指數(shù)Cc值從0.118增加到0.210，ΔCc為0.092，增長率為177.97%。對(duì)于在酸溶液中浸泡12 d的試樣，隨著酸濃度從0.1 mol/L增至3.0 mol/L，其壓縮指數(shù)Cc值從0.351 增加到0.460；ΔCc為0.109，增長率為131.05%。從另一個(gè)角度來看，浸泡于酸濃度為0.1 mol/L的酸溶液中的試樣，隨著浸泡時(shí)間從1 d增加到12 d，其壓縮指數(shù)Cc值從0.118增加到0.351，ΔCc為0.233，增長率為297.46%。浸泡于酸濃度為3.0 mol/L 的酸溶液中的試樣，隨著浸泡濃度從1 d 增加到12 d，其壓縮指數(shù)Cc值從0.210增加到0.460，ΔCc為0.250，增長率為219.05%。壓縮指數(shù)的增大可歸因于酸濃度和浸泡時(shí)間耦合的結(jié)果。

為表征酸濃度和浸泡時(shí)間對(duì)黃土試樣壓縮指數(shù)變化的影響，對(duì)表1 中列出的壓縮指數(shù)Cc值進(jìn)行線性擬合，壓縮指數(shù)值隨酸濃度和時(shí)間變化如圖3 所示，擬合方程見表2。從圖2 中可以看出，試樣壓縮指數(shù)Cc與酸濃度之間的線性關(guān)系呈正相關(guān)。隨著酸濃度逐漸增加，相應(yīng)的試件壓縮指數(shù)值（Cc）也呈正相關(guān)增加，方程擬合R2為0.811～0.952。試樣的壓縮指數(shù)Cc與浸泡時(shí)間之間的線性關(guān)系顯示出正相關(guān)。浸泡時(shí)間逐漸增加（1 d、3 d、6 d、9 d、12 d），相應(yīng)的壓縮指數(shù)值（Cc）也呈正相關(guān)增加，擬合方程的R2為0.652～0.858。

表2 壓縮指數(shù)、浸泡時(shí)間和酸濃度的線性擬合方程

圖2 壓縮指數(shù)值隨酸濃度和時(shí)間變化

圖3 壓縮屈服應(yīng)力變化曲線

2.3 壓縮屈服應(yīng)力σpc

壓縮屈服應(yīng)力σpc通常由壓縮曲線與x 軸的交點(diǎn)確定，并可以進(jìn)一步繪制壓縮屈服應(yīng)力、浸漬時(shí)間和酸濃度曲線。如圖3 所示，不同酸浸泡時(shí)間曲線的形狀相似。試樣的壓縮屈服應(yīng)力值隨著酸濃度的增大而減小，并且隨著浸泡時(shí)間的增加，曲線的位置呈非線性降低趨勢，表明試樣的壓縮屈服應(yīng)力值由大變小，證明試樣的壓縮屈服應(yīng)力值隨浸泡時(shí)間和酸濃度的增大而減小。酸濃度越高，破壞黃土試樣所需的應(yīng)力值越低。

2.4 掃描電鏡測試結(jié)果

原狀黃土試樣和強(qiáng)酸腐蝕試樣（鹽酸濃度為3 mol/L，浸泡時(shí)間為12 d）的微觀示意圖如圖4和圖5所示。從圖4可以觀察到，大量石英顆粒分布在未擾動(dòng)的黃土中，黃土顆粒呈不規(guī)則的多邊形，顆粒的表面相對(duì)平坦光滑，顆粒之間有不同大小的天然孔隙。黃土試樣經(jīng)酸蝕后可以明顯看出（如圖5所示），土壤試樣表面存在較大的腐蝕孔隙和一些零星的小孔隙。與原狀黃土相比，孔隙數(shù)量顯著增加；石英顆粒表面有許多腐蝕孔和腐蝕坑；顆粒粒徑變小，表面變粗糙。

圖4 未受擾動(dòng)的黃土的原始掃描電鏡圖像

圖5 酸蝕黃土（放大500倍）的原始掃描電鏡圖像

為研究酸性物質(zhì)對(duì)黃土孔隙特性的影響，在掃描電鏡（SEM）測試后，使用PCAS 圖像處理軟件分析黃土樣品的孔隙特性。導(dǎo)入樣品的孔隙圖像為原狀黃土，并對(duì)樣品的孔隙進(jìn)行二值化處理。

土壤孔隙根據(jù)半徑和微孔度分為以下4 種類型（0 μm〈R≤1 μm），小孔（1 μm〈R≤4 μm），中等孔隙（4 μm〈R≤16 μm）和大孔（R〉16 μm）。圖6為試樣孔隙特性變化，如圖6 所示，酸蝕壤土的曲線高于原始壤土。在微孔范圍內(nèi)（0～1 μm），酸蝕壤土的微孔數(shù)量為149 個(gè)，原始壤土的微孔數(shù)為39 個(gè)。在小孔范圍內(nèi)（1～4 μm），酸蝕黃土的小孔數(shù)量為307 個(gè)，原始黃土的小孔數(shù)為49 個(gè)。在中孔范圍內(nèi)（4～16 μm），酸蝕黃土中的中等孔隙數(shù)量為1個(gè)，原始黃土中的中孔隙數(shù)量為0 個(gè)。大孔隙范圍內(nèi)，酸蝕黃土中大孔隙數(shù)量為3 個(gè)，原始黃土中大孔隙數(shù)量為0 個(gè)。可見，酸蝕黃土樣品中的各種孔隙的數(shù)量都比原始壤土多，特別是微孔和小孔，表明酸性物質(zhì)與土壤之間存在相互作用，這也表明了酸溶液和黃土質(zhì)檢發(fā)生了化學(xué)腐蝕反應(yīng)，導(dǎo)致黃土土體內(nèi)的少量可溶性物質(zhì)減少，從而形成大量的小孔。當(dāng)顆粒表面產(chǎn)生越來越多的小孔時(shí)，在酸性溶液及其自身重力的作用下，小孔之間的孔壁逐漸消失，導(dǎo)致小孔轉(zhuǎn)化為較大的孔。

圖6 試樣孔隙特性變化

3 討論

在本研究中，從酸可能影響黃土力學(xué)性質(zhì)的角度出發(fā)，研究了酸濃度和浸泡時(shí)間對(duì)黃土壓縮性的影響。在0 ～3 mol/L范圍內(nèi)選擇了6種濃度鹽酸，浸泡時(shí)間設(shè)定為1～12 d，并分別在1 d、3 d、6 d、9 d 和12 d 取出試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。與原始黃土相比，酸蝕黃土的壓縮性增強(qiáng)，增強(qiáng)程度與浸泡時(shí)間和酸濃度有關(guān)。

酸性溶液在黃土試樣上部富集，酸性液體不斷滲透結(jié)構(gòu)表面，形成重力型滲流。滲流沿著結(jié)構(gòu)表面流動(dòng)，并侵蝕和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)表面中的填料微粒，從而持續(xù)疏通結(jié)構(gòu)表面。隨著顆粒咬合力的增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)面被部分穿透。此時(shí)，流動(dòng)的水具有一定的強(qiáng)度，酸性液體具有一定的動(dòng)能，開始侵蝕土壤，并逐漸侵蝕其結(jié)構(gòu)表面。隨著結(jié)構(gòu)表面被完全滲透，在細(xì)顆粒不斷運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，結(jié)構(gòu)表面中的粗粒填料也開始被侵蝕和輸送。由于結(jié)構(gòu)面的自由滲流空間不斷擴(kuò)大，水土作用模式已從淋濾轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g。在酸溶液的侵蝕傳輸下，結(jié)構(gòu)表面中的大量殘余松散填料被填充，結(jié)構(gòu)表面?zhèn)缺谏衔磾_動(dòng)的黃土土體開始暴露，酸溶液開始接觸并侵蝕它。隨著浸泡時(shí)間的增加，土壤強(qiáng)度逐漸降低，黃土中的大量可溶性鹽開始被水溶解，側(cè)壁孔隙進(jìn)一步擴(kuò)大，滲透性更強(qiáng)。此時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致黃土快速崩解和濕陷。同時(shí)，酸溶液的沖刷和侵蝕作用不斷地侵蝕結(jié)構(gòu)表面，一小部分解體的小顆粒被夾帶并繼續(xù)向酸蝕的深度和方向移動(dòng)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)面的通道在垂直和水平方向上逐漸擴(kuò)展，從而形成較長的黃土裂縫。一般來說，這一階段的水土相互作用以侵蝕為主。

黃土中含有大量的鹽和碳酸鈣，當(dāng)酸進(jìn)入黃土?xí)r，會(huì)與這些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。酸的濃度越大，浸泡時(shí)間越長，化學(xué)反應(yīng)越充分，黃土中的鹽和碳酸鈣溶解得越多，黃土的孔隙逐漸變大。在本研究中，土壤壓縮性在外荷載作用下增強(qiáng)，增強(qiáng)程度可能與酸腐蝕程度有關(guān)。研究結(jié)果可為酸污染地區(qū)地基土力學(xué)性質(zhì)研究和工程施工提供參考。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)中對(duì)酸污染黃土試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，探討酸濃度和浸酸時(shí)間2個(gè)因素影響下黃土壓縮曲線和壓縮指數(shù)、屈服應(yīng)力等壓縮特性指標(biāo)的變化，并獲得了酸污染黃土和原始黃土標(biāo)本的掃描電鏡圖像。根據(jù)測試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：初始孔隙率比值e隨著酸濃度的增加而增大。酸蝕黃土的壓縮曲線具有相似的變化特性，酸濃度越大，浸泡時(shí)間越長，壓縮曲線的位置越高。壓縮指數(shù)Cc與酸濃度呈正相關(guān)。壓縮指數(shù)Cc隨浸泡時(shí)間增加呈非線性增加趨勢。

與原狀黃土相比，酸蝕黃土中的微孔和小孔隙數(shù)量增加，顆粒之間不僅存在空隙，而且顆粒表面存在凹坑甚至小孔隙，以及大侵蝕孔洞。這些孔洞的出現(xiàn)可能與酸蝕黃土壓縮指數(shù)、壓屈應(yīng)力降低有關(guān)，這也是酸蝕黃土壓縮性增大的主要原因。