硫酸亚铁侵蚀红土的受力特性

王 盼，黄 英，刘 鹏，邓 欣，樊宇航

（昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500）

土体污染可以引起地基土力学性质的改变，从而威胁到建筑物的安全。关于污染土问题，国内外已开展了较多的研究。Ashraf［1］的研究表明了机油污染导致超固结土的界限含水率和无侧限抗压强度降低，渗透系数增大。Mashalah［2］等的研究表明石油污染降低了砂土和粘土的强度、抵渗能力以及最佳击实指标。对于云南红土，伯桐震［3］等研究了酸污染对红土物理性质的影响，酸污染红土的粉粒含量增大、比重和液塑限减小。孙重初［4］通过实验初步研究了酸、盐等强电解质对红粘土地基工程地质特性的影响，含有强酸的废水对红粘土中的游离氧化物具有强烈腐蚀作用，使氧化物的胶结作用大大降低，红土的孔隙比大大增加，破坏了红土的结构。

作为云南基础设施建设中广泛应用的红土，碱、机油、污水等对红土的影响尚缺乏研究。硫酸亚铁作为最普遍应用的水质净化剂和污水处理剂，广泛存在于造纸厂、冶炼厂等排放的各种工业废水中。本文选取实际工程中大量存在的硫酸亚铁侵蚀红土为研究对象，通过力学试验，考虑硫酸亚铁浓度和养护时间两个因素，研究硫酸亚铁侵蚀红土的受力特性，明确硫酸亚铁对云南红土的影响，为保证红土地区基础设施工程的安全和有效防治地下水的污染提供理论依据。

1 试验方案

1.1 土样及污染物的选取

本试验土料选用昆明阳宗海红土，其基本特性见表1。该土料塑性指数大于17，颗粒组成以粘粒为主，定名为红粘土［5］。

污染物选取在自来水和废水处理中广泛应用的硫酸亚铁。硫酸亚铁是一种绿色单斜晶体，主要用作自来水和废水处理的絮凝剂，易溶于水，相对密度1.8987。

1.2 试验方案

将硫酸亚铁按不同浓度加入红土中，制备硫酸亚铁侵蚀红土试样。

制备硫酸亚铁侵蚀红土试样时，考虑硫酸亚铁浓度和试样养护时间的影响，硫酸亚铁浓度分别为0.5%、1%、2%、4%(硫酸亚铁浓度指硫酸亚铁固体与干红土的质量比)，试样养护时间分别为2d、6d、10d、23d。通过击实试验，获得硫酸亚铁侵蚀红土的最佳击实状态以及最佳浸润时间；再根据最佳浸润时间，将不同浓度的硫酸亚铁和水充分混合后，分层均匀喷洒在备好的土料上，按最佳浸润时间浸润18h，采用击样法制备直剪、固结、渗透试样，控制试样干密度1.20g/cm3，含水率30%，将制好的试样置于20℃恒温水箱中进行养护，达到养护时间进行直剪、固结、渗透试验。具体的试验方案见表2。

表1 红土的基本特性指标Table 1 Index of basic properties of laterite

表2 硫酸亚铁侵蚀红土试验方案Table 2 Test plan of ferrous sulfate erosion laterite

2 试验结果分析

2.1 硫酸亚铁侵蚀红土的击实特性

2.1.1 硫酸亚铁浓度对红土击实特性的影响

图1给出了硫酸亚铁浓度对红土最大干密度和最优含水率的影响。由于浸润时间对素红土击实特性的影响不明显，本文认为不同浸润时间下素红土的击实特性相同，均取24h浸润时间下的特性指标。

图1 硫酸亚铁浓度对红土击实指标的影响Fig.1 Influence of ferrous sulfate concentration on compaction indexes of laterite

图1表明:硫酸亚铁的加入改变了红土的击实特性，硫酸亚铁侵蚀红土的最优含水率比素红土降低，最大干密度比素红土有所提高；浸润时间相同，随硫酸亚铁浓度的增大，红土的最大干密度逐渐增大，最优含水率逐渐减小。

2.1.2 硫酸亚铁侵蚀红土的最佳浸润时间

图2给出了硫酸亚铁浸润时间对红土最大干密度和最优含水率的影响。

图2 浸润时间对红土击实指标的影响Fig.2 Influence of curing time on compaction indexes of laterite

图2表明:加入硫酸亚铁后，随着浸润时间的延长，硫酸亚铁侵蚀红土的最优含水率比素红土降低，最大干密度比素红土有所提高。硫酸亚铁浓度相同，随浸润时间的延长，红土的最优含水率在18h出现了谷值；最大干密度分别在8h和18h出现了谷值和峰值。说明存在一个最佳养护时间，在本试验中为最大干密度达到峰值所对应的养护时间18h。红土的直剪、固结、渗透试验的制样时间以最佳浸润时间来控制。

2.1.3 硫酸亚铁对红土最佳击实指标的影响

表3给出了18h最佳浸润时间下硫酸亚铁对侵蚀红土最佳击实指标的影响效果。并用侵蚀前后红土各指标差与侵蚀前的指标之比β来衡量硫酸亚铁浓度对红土击实指标的影响，β为正，表示指标增大，反之减小。

由表3可见，硫酸亚铁的加入提高了红土的最大干密度，降低了红土的最优含水率；当硫酸亚铁浓度由0%增大到1.00%时，最大干密度由素红土的1.31 g/cm3增大到侵蚀红土的1.42 g/cm3，提高了8.4%；最优含水率由素红土的35.3%降低到侵蚀红土的30.5%，降低了13.6%。可见硫酸亚铁对红土最优含水率的影响大于对最大干密度的影响。

表3 硫酸亚铁浓度和浸润时间对红土最佳击实指标的影响Table 3 Influence of ferrous sulfate concentration and curing time on the optimum compaction indexes of laterite

2.2 硫酸亚铁侵蚀红土的抗剪强度特性

2.2.1 硫酸亚铁对红土剪应力－剪位移关系的影响

图3 硫酸亚铁侵蚀红土的剪应力－剪位移关系Fig.3 Relationship between shear strength and shear displacement of ferrous sulfate erosion laterite

图3(a)表明:在200kPa垂直压力下，红土中加入硫酸亚铁后，试样养护23d，硫酸亚铁侵蚀红土的剪应力－剪位移关系曲线均比素红土的低，说明硫酸亚铁的加入降低了红土的抗剪强度；且随着硫酸亚铁浓度的增大，关系曲线逐渐降低，抗剪强度逐渐降低。

图3(b)表明:在200kPa垂直压力下，硫酸亚铁浓度为4%时，试样养护6d的剪应力－剪位移关系曲线比素红土的高，说明养护时间较短时，抗剪强度有所提高；试样养护23d的剪应力－剪位移关系曲线最低，说明随养护时间的延长，硫酸亚铁的加入降低了侵蚀红土的抗剪强度。

2.2.2 硫酸亚铁对红土抗剪强度的影响

从图4可以看出:硫酸亚铁浓度较低，养护时间较短，侵蚀红土的抗剪强度出现峰值，且高于素红土的抗剪强度，说明短时间内，低浓度的硫酸亚铁改善了红土的受力特性。随浓度的增大和养护时间的延长，抗剪强度逐渐减小，图4(a)养护23d和图4(b)4%浓度试样的抗剪强度均低于素红土的抗剪强度，说明在高浓度和长时间效应下，硫酸亚铁充分发挥了其侵蚀效应，破坏了土体的结构稳定性。

通常情况下污染物与红土处于长期作用中，本文选取了试样养护23d时硫酸亚铁浓度对红土各指标的影响效果，见表4。

图4 硫酸亚铁侵蚀红土的抗剪强度Fig.4 Shear strength of ferrous sulfate erosion laterite

由表4可见，硫酸亚铁的加入降低了红土的抗剪强度；随着硫酸亚铁浓度的增大，红土的抗剪强度逐渐减小。

表4 养护23d各指标影响效果Table 4 Impact of indexes on the maintenance of 23d

2.3 硫酸亚铁侵蚀红土的压缩特性

2.3.1 硫酸亚铁对红土压缩系数的影响

硫酸亚铁浓度和养护时间对红土压缩特性的影响见图5、图6。依据文献［5］，土体的压缩性一般用压力在100～200 kPa之间的压缩系数av1－2和压缩模量来评价。

图5和表4表明硫酸亚铁的加入改变了红土的压缩系数。当硫酸亚铁浓度较低、养护时间较短时，压缩系数出现谷值，且小于素红土的压缩系数；随浓度的增大和养护时间的延长，压缩系数逐渐增大，图5(a)养护23d和图5(b)4%浓度试样的压缩系数均比素红土的高。

图5 硫酸亚铁侵蚀红土的压缩系数Fig.5 Compressibility coefficient of ferrous sulfate erosion laterite

2.3.2 硫酸亚铁对红土压缩模量的影响

结合图6和表4可以看出:红土中加入硫酸亚铁，压缩模量较素红土有显著的变化。当硫酸亚铁浓度较低，养护时间较短，压缩模量出现峰值，且大于素红土的压缩模量；随浓度的增大和养护时间的延长，压缩模量逐渐减小，图6(a)养护23d和图6(b)4%浓度的压缩模量均比素红土的低。

图6 硫酸亚铁侵蚀红土的压缩模量Fig.6 Modulus of compression of ferrous sulfate erosion laterite

2.4 硫酸亚铁侵蚀红土的渗透特性

图7和表4表明:红土中加入硫酸亚铁，改变了素红土的渗透系数。当硫酸亚铁浓度较低，养护时间较短，渗透系数出现谷值，且小于素红土的渗透系数；随浓度的增大和养护时间的延长，渗透系数逐渐增大，图7(a)养护23d和图7(b)4%浓度的渗透系数均比素红土的高。

图7 硫酸亚铁侵蚀红土的渗透系数Fig.7 Permeability coefficient of ferrous sulfate erosion laterite

3 试验结果讨论

硫酸亚铁溶解于水中，在水解作用下产生了Fe(OH)2和H2SO4，氧化作用进而将 Fe(OH)2氧化为Fe(OH)3。将充分溶解的硫酸亚铁溶液喷洒于红土中，硫酸亚铁对红土的影响主要有两个方面:一方面，Fe(OH)3对红土有一定的胶结作用，一般来说，Fe(OH)3胶体颗粒带正电，能吸附带有负电荷的红土颗粒，使分散的红土颗粒聚集成较大的团粒，减少了红土的孔隙，使红土变得更加密实，提高了红土的整体稳定性；另一方面，H2SO4对红土有一定的侵蚀作用，H2SO4与红土的游离氧化物反应，降低了游离氧化物对红土的胶结作用［6］，破坏了红土的稳定结构。

另外，硫酸亚铁的加入改变了红土的pH值，硫酸亚铁浓度为0%、0.5%、0.75%、1%、2%、4%时，测得侵蚀红土的 pH 值分别为 5.1、4.5、4.0、4.0、3.4、2.8，逐渐降低，游离氧化铁含量增多，胶结作用增强［7］；酸对红土的侵蚀作用也有所增强。

3.1 硫酸亚铁对红土击实特性的影响

浸润时间一定，随着硫酸亚铁的浓度在0.50% ～1.00%范围内增大，测得所加入的硫酸亚铁溶液的pH值分别为4.44，4.26，4.13，硫酸侵蚀作用逐渐增强，但侵蚀作用较弱，胶结作用占主导地位，硫酸亚铁侵蚀红土的最大干密度较素红土的有所提高。随着硫酸亚铁浓度的增大，侵蚀红土pH值逐渐降低，铁离子氧化能力增强，产生的Fe(OH)3逐渐增多，胶结作用逐渐增强，胶膜逐渐增厚，密实性逐渐增强，最大干密度逐渐增大；而胶膜的存在封闭了土样中部分孔隙，阻止了一些水分子进入颗粒内部，最优含水率逐渐减小。

硫酸亚铁浓度一定，随着浸润时间的延长，侵蚀作用短时间内有明显发挥，长时间存在适应性；胶结作用发挥越来越充分。浸润8h左右侵蚀作用发挥最强烈，最大干密度出现了谷值；浸润18h左右胶结作用完全发挥，最大干密度出现了峰值；18h后由于侵蚀作用的破坏使最大干密度逐渐下降。胶结作用在浸润18h左右形成的胶膜最完整，更多的水被封堵在土体外，此时红土中含水最少，最优含水率出现了谷值。用于击实试验的浸润土样较用于直剪、压缩、渗透试验的试样松散，所以随浸润时间的延长，胶结作用和侵蚀作用增强较快。

3.2 硫酸亚铁对红土力学特性的影响

硫酸亚铁浓度较低时，溶液pH值较大，Fe2+→Fe3+转化率高［8］，溶液中产生的Fe(OH)3胶体颗粒较多。将该溶液加到红土中，侵蚀红土的pH值降低使游离氧化铁含量增多，胶结作用占主导地位；随着硫酸亚铁浓度的增大到2%、4%时，其溶液的pH值降低为3.72，3.53，溶液中产生的Fe(OH)3胶体颗粒较少，且侵蚀红土pH值的继续降低使酸侵蚀作用也大幅度增强，侵蚀作用占主导地位。养护时间较短时，由于红土对酸具有缓冲性［11］，酸对红土的侵蚀作用不明显，胶结作用占主导地位；随着时间的延长，超过红土对酸缓冲性的平衡时间后，侵蚀作用逐渐突出。

硫酸亚铁浓度较低，养护时间较短时，胶结作用占主导地位，红土颗粒形成团粒，团粒间胶结性好，红土密实性好，结构稳定性较强，抗剪强度和压缩模量出现峰值，压缩系数和渗透系数出现谷值。随浓度的增大和养护时间的延长，侵蚀作用逐渐占主导地位，红土的团粒结构被逐渐破坏，产生越来越多的大孔隙，导致红土密实性逐渐降低，结构稳定性逐渐变差，抗剪强度和压缩模量逐渐减小，压缩系数和渗透系数逐渐增大。

4 结论及建议

(1)硫酸亚铁的加入增大了红土的最大干密度，降低了最优含水率。浸润时间一定，随着硫酸亚铁浓度的增大，最大干密度逐渐增大，最优含水率逐渐减小；硫酸亚铁浓度一定，随浸润时间的延长，最优含水率出现谷值，最大干密度出现谷值和峰值，存在最佳浸润时间。

(2)硫酸亚铁的加入改变了红土的受力特性。硫酸亚铁浓度较低，养护时间较短，红土的抗剪强度和压缩模量出现峰值，压缩系数和渗透系数出现谷值；随浓度的增大和养护时间的延长，红土的抗剪强度和压缩模量逐渐减小，压缩系数和渗透系数逐渐增大。

(3)硫酸亚铁侵蚀红土受力特性的变化可以从胶结作用和侵蚀作用两个方面来解释:硫酸亚铁浓度较低，养护时间较短时，胶结作用占主导地位；随浓度的增大和养护时间的延长，侵蚀作用占主导地位。这两个方面综合作用的结果改变了红土的受力特性。

(4)应深入开展高浓度、长时间、温度等因素对硫酸亚铁侵蚀红土的影响研究。

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