碱性固化材料对红土地基的化学侵蚀

杨华舒，杨宇璐，闫毅志，王毅，汪皓，胡应庭

（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650051；2.中国中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明 650200）

为了降低挖、填工程量，在高边坡、土坝等项目中采用辅料固化的措施盛行，在许多工程上也确实起到了一定的作用.岩土工程中使用的加固材料品种较多，其目的都是为了提高土工材料的强度，涉及水工用途时还须考虑防渗或排水效果.在加固材料的选择过程中，亲和性、强度、密度、经济评价等均得到了重视，然而却极少考虑辅料对主材的缓慢化学影响，以致采用碱性材料来加固酸性主材的工程大量存在.

红土是我国南方普遍采用的弱酸性建筑主材，在筑路、塘堰、堤坝等工程中得到了长期且极为广泛的应用，如国内最大的土石坝——云南糯扎渡电站大坝的坝壳及心墙主料均使用红土.沿用至今的土坝内部防渗加固技术，主要包括水泥－黏土灌浆、高压旋喷、混凝土防渗墙等，而土质坝坡、高边坡则大多采用石灰、水泥等碱性材料以增稳抗滑.然而，许多大坝安全鉴定的实践已经表明，实施于红土类工程的上述加固措施，其返修周期较短、长期效益普遍较低.以云南大姚县龙林水库为例［1］：2001年2～5月大坝采用水泥浆实施帷幕灌浆加固，当年汛期渗流检验合格；2003年7月地震后随即发现比灌浆前更大的渗漏，并出现流土险情，经安全鉴定已劣化为三类险坝.200余万元的国债资金只“加固”了这个小（一）型水库大坝2年，使灌溉用水的成本评价剧增到令人无法接受的3139元／m3.

由于酸性土质和腐殖质的长期作用，红土径流区域内的山区库水实测均呈弱酸性.弱酸性水的去硅作用比碱性水强得多，故碱性材料将明显抑制土体的典型红化.红土坝料、库水均显弱酸性，而前述的固化材料则呈强碱性，酸碱材料接触带附近的缓慢化学反应终将导致材料由表至内逐渐发生质变.本课题组针对现场抽样，从化学和细观视角研究红土主材与碱性辅料的相互作用、分析支撑材料工程指标的相关离子的变异渗出趋势，以期弄清碱性固化后红土强度及其防渗指标的演变劣化机制.这对于延长红土地基的寿命、防范溃塌灾难均具有明显的理论价值和现实意义.

1 工程病因的原型探析

结合本课题组承担的大坝安全鉴定任务，对红土各区域内曾经采用水泥帷幕灌浆的冶矿基、乍利坡、王幺、田龙覃、团坝、龙林等病险水库的坝基进行了钻探取样及原型试验，并对其正常坝体与破坏部位的颗粒级配和有效离子等进行了对比分析.限于篇幅仅以龙林水库的坝基为例：该坝渗透破坏的主因是防渗帷幕震断裂；其次是红土、水泥浆组成联合帷幕的颗粒级配失衡，导致裂缝出现后细颗粒迅速流失、随后较粗的颗粒也被渗水带出，已经形成2条明显的渗漏通道.由于颗粒级配是岩土工程防渗及排水安全的重要指标，硅、铝则是构成红土强度的主要物质和黏合原料，因此对大坝抽样的红土进行了相应的检定分析.表1是坝基帷幕裂缝处的钻孔取样与帷幕正常渗流部位同高程芯样的颗粒含量、渗液中的离子浓度检测结果.由于测试所需材料乃是与混合帷幕相接触的红土，故将钻孔芯样中的较浅色凝固部分（帷幕残余）剔除，用剩余的土样按规范进行测试.颗粒采用常规手段筛分，硅酸根浓度采用硅钼黄法检测，铝离子的测试主仪器型号为FLA－33M.

水泥、石灰等常用的碱性加固材料水化后均生成大量的强碱Ca（OH）2.用化学理论分析表1可知：

表1 红土基础劣化要素的检测Table 1 Test of deteriorated essentials on laterite bedrock

（1）芯样GK2－4和GK3－7位于坝基碱性帷幕的裂缝处.Ca（OH）2与Al2O3反应生成的Ca（AlO2）2溶于水后流失；Ca（OH）2与非晶类SiO2反应生成的CaSiO3粉质沉淀，也被压力渗流带出.因此芯样中小于0.005mm 的黏粒和小于0.01mm 的细颗粒损失较多，大于0.075mm 的粗颗粒比例明显增加；采用芯样进行蒸馏水常规渗透试验后收集的全部渗出液中，铝离子和硅酸根的浓度也少于无碱环境的ZK3－4芯样.

（2）芯样GK7－4和ZK3－3位于坝基碱性帷幕的正常渗流部位.由于未出现异常渗流通道，酸碱化学反应逐渐生成的Ca（AlO2）2和CaSiO3得以较多存留.采用芯样进行蒸馏水常规渗透试验后收集的全部渗液中，铝离子和硅酸根的浓度明显高于无碱环境的ZK3－4芯样，但这2个芯样中的黏粒因化学反应被消耗，其含量则明显少于无碱环境的ZK3－4芯样.

（3）虽然处于同样的荷载压力和库水环境，经历了同样的运行和渗流时间，但在表1中无碱环境的芯样ZK3－4所代表的红土地基，其颗粒级配和支撑离子所构成的渗流条件均明显优于曾被碱性加固的部位.

在水库现场进行的原型压水试验进一步证实：孔位GK2－4和GK3－7透水率高达139.30Lu，由于帷幕断裂形成了渗漏通道，实际上已经出现了局部渗透破坏.孔位GK7－4和ZK3－3的透水率亦明显较大（19.69Lu），其所在的水泥帷幕虽未断裂，但由于长期的酸碱反应消耗了较多的硅溶胶、氧化铝和黏粒矿物，红土颗粒的包裹层劣化、填充物减少、颗粒间的结合力显著下降，这导致碱性帷幕与酸性红土之间的亲和性变差、出现漏水间隙.无碱环境的同高程坝基孔位ZK3－4的透水率则仅有3.39Lu，相较于前述两类酸碱混合帷幕的渗流数据，未被碱性材料加固的地基所保持的防渗指标显然更具优势.

2 建材互损的化学分析

主体材料与加固材料之间的相互化学作用和物理效应，是决定岩土工程远期质量和经济寿命的重要因素.欲弄清红土与碱性材料的互损破坏机理，必须分别讨论其化学性质以及反应生成物的工程特性.

2.1 化学环境与胶结效应

由于集中排放的污水中含有较多的碱金属离子，因此在城市附近的水域多呈碱性.但病险较为严重、亟待除险加固的土石坝水库大多位于边远山区，这些地区的污染物相对少而分散.由于红土区域内的径流水都呈弱酸性，土坝由酸性红土填筑，水库底部淤积的腐殖质发酵生成的有机酸、硫化氢等均酸性较强，因此红土山区水库的水质呈弱酸性且pH值仍逐年缓慢下降、底层水的酸度较高，其实测值如表2所示.

表2 红土山区水库中水的pH 值Table 2 Water pH value of reservoir in laterite mountainous area

筑坝红土的全剖面呈酸性，其pH 值为5.0～5.5.红土中的硅，主要以二氧化硅、硅酸根离子、各级硅酸氢根离子的形式共同存在.其中的无定形二氧化硅长期演变而成的水合物是硅酸，H4SiO4溶液能沉淀出具有显著凝结功能的硅溶胶（mSiO2·nH2O）.无定形二氧化硅易溶于碱，碱中可溶性硅酸可达50%～80%［2］.红土中主要的两性氧化物Al2O3亦能与碱缓慢反应生成偏铝酸盐.地基和坝体红土中起着重要作用的黏粒，在常温下呈弱酸性（pH＝5.8～6.2）、具有聚团效应，呈碱性时则趋于离散效应.

红土中水介质的pH 值是促使黏土矿物与游离氧化铁等之间产生吸附作用的主要原因，自然环境下红土中水介质的pH 值约为6～7.胶体化学认为：当某种物质所处的介质pH 值小于它的等电pH 值时，该物质表面将带正电；当介质pH 值大于它的等电pH 值时，该物质表面带负电［3］.黏土矿物的等电pH 值为2～5，小于红土中水介质的pH 值，而倍半氧化物的等电pH 值为7～8，大于红土中水介质的pH 值.所以，土中的游离氧化铁、氧化铝等表面带正电，而黏土矿物表面带负电，静电引力促使它们相互吸引而紧密结合，这正是红土具有水稳胶结效果的又一原因.

2.2 红土与碱性材料的作用

碱性加固材料较多，限于篇幅在此仅讨论具有典型意义的水泥和石灰.这2种材料在水化后都生成大量的Ca（OH）2，而钙是比钠还要活跃的碱金属，因此Ca（OH）2比烧碱的碱性更强烈.在水工条件下，Ca（OH）2与作为建材主体的红土之间产生了长期的缓慢互损，分析如下：

（3）导致离散效应.Ca（OH）2属于强碱，在长期压力作用下，碱性物质逐渐与红土颗粒中的水介质融和并增大水介质的pH 值.当水介质的pH 值超过倍半氧化物的等电pH 值后，游离氧化铁、氧化铝等均带负电，从而与黏粒矿物同电性相排斥.这一结果将直接劣化红土主料的凝聚性能.

（4）固化材料也遭受酸性侵蚀.在长期的有压多酸环境中，碱性加固材料中的氢氧化钙、碳酸钙、铝酸钙等逐渐演变成易溶于水的Ca（ClO3）2，Ca（ClO）2，Ca（NO3）2，微溶于水或粉末状的Ca3（PO4）2，CaSO4，CaSO3等混合物，并被长期的压力渗流带出，致使细观渗流通道逐年增多增大.

3 对比试验与分析

为验证上述理论分析结论的客观存在，设计了土工试验以对比红土建材在化学反应前后的主要指标；定量检测了渗出的特征离子以确认化学反应的生成物.主要试验步骤：（1）以击实试验等检验土样，并获得坝基红土的基础资料.（2）用标准环刀制备土样，考虑到规律性研究的需要，进行6组浸泡对比；每组试样的制备个数均考虑了5次平行试验、间隔3月的重复试验，以及各种试验的破坏性和复用情况等需要.（3）Ca（OH）2的饱和溶解度较低，为保证化学反应顺利进行，过饱和乳浊液中的Ca（OH）2含量分别为：0，10，30，60，90，130g／L.（4）将环刀土样的两面绑上透水石，编号后分别放入上述6种浸泡液之中，在70℃恒温下连续密闭浸泡45d.（5）除了颗粒级配试验所需的土样外，其余土样进行连续5d的常规渗透试验，分别收集所有渗水并编号备测.（6）进行其他主要的水工指标试验、电镜分析、特征离子检测.

3.1 岩土工程主要的支撑指标对比

碱性材料主要通过Ca（OH）2等强碱对红土地基产生缓慢的长期破坏.鉴于自然界淡水中的硅、铝已经饱和［6］，为了测定红土中硅、铝的损失，采用蒸馏水为试验基液.为了在有限的时间内再现红土被碱性材料侵蚀若干年的效果，采用Ca（OH）2过饱和恒温乳液来模拟碱性材料，即应用寿命加速原理进行试验.

将重复试验结果按规程处理后，归纳如图1～3所示.图中：K 为土体的渗透系数，F 为渗蚀粉土含量，IP为塑性指数，α为压缩系数，C 为凝聚力，γ为相对密度，φ为内摩擦角，N 为黏粒含量，IL为液性指数.其中的术语符合常规：渗蚀粉土指红土坝料中粒径d＝0.05～0.005mm 且Ip≤10的部分；黏粒即粒径d＜0.005mm 的红土细颗粒.

显然，图1～3中各曲线与参加反应的Ca（OH）2含量关系明显：

（1）当Ca（OH）2含量增加时，K，α，IL，F 随之增大，这证明化学反应使得孔隙增加、含水率增大、易渗出的颗粒增多、细观管涌增多增大.

（2）随着化学反应逐渐发展而降低的γ，φ，C，IP，N 等，表明了土体因细颗粒流失而出现了细观架空、可塑性和承载力降低、抵抗渗透压力的性能变差.

（3）在渗流试验中出现较多Ca（OH）2浸泡土样的K 值先小后大的现象，从另一个侧面确认了碱性材料使得红土中的细小非黏性粉土逐渐增多，粉土被压力渗水带出的事实.

综上可知，物理力学试验所得结果与前述互损化学分析的结论相同.

3.2 支撑物质的损失分析

前人的研究成果均证实：SiO2，Al2O3是红土最主要的成分，TiO2与其内摩擦角φ的关系密切，Fe和Al的氧化物则是红土凝聚力C 的重要来源［3，5］.为此，在前述渗流试验中将各试样的全程渗水分别收集并编号，按相关规程处理后，检测其中的硅、铝、钛、铁离子含量，以证实酸碱反应导致红土中支撑物质变质流失的论点.浸泡液和渗透试验均以蒸馏水为基液，故渗出液中的硅酸根也可定量测试.硅酸根浓度采用硅钼黄法检测，铝、铁、钛离子的测试主仪器型号为FLA－33M.同种红土试样经各种浓度的Ca（OH）2过饱和乳液密闭恒温浸泡45d并进行渗透试验后，渗液中检出的离子含量如图4，5所示.

收集的渗透全液中，离子浓度的变化规律显著.分析图中各曲线可知：

（1）鉴于测试过程的误差难以避免，故认定渗液中的铁离子浓度无变化.这是因为碱性物质不能与铁的氧化物发生化学反应的缘故.

（2）铝离子浓度与参加反应的氢氧化钙含量关系密切、且检出较多.这是由于红土中的Al2O3与Ca（OH）2反应，生成了可溶于水的Ca（AlO2）2，被渗透试验的渗液带出.测试结果表明：碱性物质确实消耗了支撑红土地基指标的Al2O3.

（3）钛离子的检出量虽不大但趋势明显，证实Ca（OH）2与红土的支撑物质TiO2也发生了反应，不过生成的CaTiO3量较少且溶解度很低.

酸碱反应中生成的CaTiO3属于非黏性粉末，极易被压力渗水带出，从而使红土结构的密实度和摩擦角逐渐下降；黏粒因较细而比表面积较大，作为其主要成分的Al2O3更易参加化学反应，因此黏粒解构较多.这意味着与碱性物质相接触的红土，因上述化学反应使得黏聚力逐渐下降，沙质粉土化将缓慢显现；无定形SiO2变质流失，则降低了红土结构的强度，并在接触部位与碱性材料发生离析，红土地基将由于支撑物质的变质而产生细观裂隙，并由于渗流带走了化学产物和细颗粒而逐渐造成渗透破坏.

4 结语

在红土径流区域内的山区水质显酸性，作为岩土工程主体材料的红土亦全剖面呈酸性.采用碱性材料加固大坝或路桥的红土地基，将增大接触带红土中水介质的pH 值，致使黏粒矿物与倍半氧化物同电性相排斥；酸碱化学反应还将消耗红土中的硅溶胶、氧化铝等黏结物质，同时碱性材料也将遭受有压多酸水土环境的侵蚀.化学反应的生成物或溶于水、或沉淀为非黏性粉末，终将逐渐被渗水带出而形成细观通道；化学反应和压力渗流的联合作用，还将使得土颗粒的包裹层、胶结物缓慢溶蚀，颗粒间的填充物逐渐渗出而致级配失衡.因此红土地基的强度、抗渗能力都将被碱性物质缓慢破坏.

以红土为主材的结构，总体上属于酸性环境，理论分析及试验研究均确认了碱性物质与红土主材之间的缓慢长期互损.因此，若选择碱性材料对红土地基实施加固，就必然在酸碱材料的接触带及其邻域上从细至大、从外至内缓慢侵蚀红土颗粒；相应地，碱性加固材料也将逐渐被酸性水土所解构.由于红土径流区域内的水土酸性并不太强烈，这些化学反应在短时间内仅凭肉眼或许难以发现，但对于耗资较大的路桥边坡、河堤大坝等红土地基而言，由于这类盲目加固而导致建筑物的返修期太短、经济寿命剧减的教训已经很多，建议予以足够的重视.

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