酸性环境对红土的侵蚀与危害

周新伟，杨华舒，李东

(昆明理工大学国土资源工程学院，昆明　650093)



酸性环境对红土的侵蚀与危害

周新伟，杨华舒，李东

(昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093)

摘要：自然环境和工业过程产生的酸性物质与红土中的氧化物发生反应，将导致红土工程的特性发生变化。基于红土破坏的化学分析，采用加速寿命试验，检测红土中氧化物变化对工程特性的影响。利用变异系数的灰色关联分析方法，探究氯离子为代表的酸性物质对红土的侵蚀，定量计算在酸性环境中，不同氧化物对红土工程指标的贡献率，从而获知成分变化对工程指标的影响。讨论了酸性环境对红土的侵蚀机理，为红土工程的发展趋势和劣化评估提供了新的分析思路，并为治理措施的选择提供了针对性较强的量化依据。

关键词：岩土工程；红土；酸性侵蚀；变异系数；灰色关联

1引 言

红土又称为红壤、红粘土等，在我国南方的湿润多雨地区呈现地带性分布，其中包括云贵高原的多数地区。正是由于该区域独特的自然条件，形成了红土特有的工程特性和化学组分。红土具有低密度、高孔隙性、高含水率、粘度大等特性[1]，其主要的化学成分包括：SiO2(33.5%～68.9%)、Fe2O3(13.4%～36.4%)、Al2O3(9.6%～12.7%)等，同时含有TiO2金属氧化物，内部颗粒结构主要为蜂窝状和絮凝状，水介质呈弱酸性[2]。

红土整体呈弱酸性，故此前研究者侧重于分析碱性环境对红土工程特性的影响，其中，杨华舒深入研究了碱性材料对红土结构的侵蚀[3]，碱性材料对红土地基的危害[4]等。由于工业化进程和自然环境的变化，酸性环境对工程建设造成了越来越大的影响。首先，大量燃烧含硫量高的煤以及火山爆发等自然因素，是形成酸雨的重要原因，我国三大酸雨区域就包括了西南，主要是硫酸型酸雨和硝酸型酸雨。其次，工业和农业生产中排放的各种含氯离子与水环境相结合，都会增加库水的酸度，而且氯离子最易与红土中的铁、铝离子发生化学反应，进而对岩土工程造成长期的破坏。国外学者也提出酸性对工程建筑的侵蚀危害[5-6]。因此，研究酸性物质在红土中的危害，是十分必要的。

用HCl溶液对红土进行加速寿命试验，采用变异系数的灰色关联分析法，分析酸性环境对红土的侵蚀机理，定量计算溶液浓度变化对红土中氧化物的影响，进而探究红土中的有效离子变化对其物理特性和工程指标的影响。

2酸性物质对红土的破坏

2.1氯侵蚀分析

红土中氧化物的构成以SiO2、Fe2O3、Al2O3等为主，与HCl溶液发生反应的主要是Fe2O3、Al2O3。胶体物质对红土物理特性的影响得到普遍认可[7]。红土中的各种物质通过静电作用形成稳固的包裹层集合体，而单元体之间主要由游离氧化铁、铝胶结物胶结而成，形成了较为稳固的连接[1]。在酸性环境中，化学反应式如下：

6HCl+Fe2O3= 2FeCl3+3H2O

6HCl+Al2O3= 2AlCl3+3H2O

上式中Fe2O3、Al2O3与HCl溶液发生化学反应，生成可溶于水的FeCl3、AlCl3，造成红土中的铁、铝氧化物的下降，析出的铁和铝离子含量逐渐升高，进而破坏了黏粒胶结物和团粒间包裹体。根据化学特征，红土中的氧化铝易发生反应，且在红土中氧化铝的含量较低，这造成HCl浓度达到一定程度时，氧化铝的反应趋于平稳。SiO2和TiO2在酸性环境中并未发生反应，会随着有压渗水带出，所以这两种氧化物不会对红土的工程指标造成很大影响。

2.2试验设计与结果

在正常的情况下，库水中的pH值一般在5～7，对工程的危害一般数年之后才能显现[8]。为了模拟云南地区红土在库水环境下受到HCl溶液侵蚀的工况，采用加速寿命试验原理[9]。以“浓度换时间”的形式设计了该试验,从而测定受侵蚀红土析出的各种离子，并测出各种物理指标。主要的试验步骤如下：

(1) 为了使本次试验更加接近工程实际情况，采用击实试验。在最佳击实状态下，采用环刀采红土土样，共采9组土样，以供不同的溶液浓度值。用4次平行试验，间隔一月的重复试验，求其平均值。

(2) 为避免试验中水溶液其他元素对红土元素的影响，试验中所采取的水均选用蒸馏水，化学溶液的浓度在0%～8%之间选取,浓度间隔取1%,共9个浓度值。

(3) 将每个环刀土样用透水石上下封盖,以避免外力干扰。将环刀土样置于不同的溶液浓度中。化学试验周期确定为15 d。

(4) 采用渗透试验析出的全溶液进行Fe离子、A1离子、Ti离子和Si离子的含量分析测试,测试仪器釆用电感耦合等离子体发射光谱仪,型号为ICP-AES。按照《土工试验规程》(SL237-1999)进行测试红土抗剪强度,仪器采用产自南京土壤仪器厂的DSJ-2型电动四联等应变直剪仪。具体的抗剪强度试验方法及步骤详见《土工试验规程》(SL237-1999),试验数据经整理后得到HCl侵蚀筑现红土的抗剪强度指标即凝聚力C和内摩擦角φ。

根据C氧=C离/M离×M氧计算式，计算出Fe2O3，Al2O3，TiO2和SiO2浓度。式中；C氧为溶液中离子对应氧化物的浓度；C离为溶液中测试离子的物质浓度；M离为测试离子的摩尔质量；M氧为离子对应氧化物的摩尔质量(表1)。

表1　红土析出的氧化物浓度和主要水工指标的关系

3氧化物变化对工程指标的影响

3.1灰色关联分析

灰色关联分析主要是根据时间和对象的变化，从而改变事物系统之间的关联程度[10]。本文主要是根据HCl溶液浓度的变化，来判断氧化物和物理特性之间的联系。灰色关联分析法计算具体步骤：

(1) 参考序列和比较序列

参考序列(c、φ数据组成的序列)为Ck(i)={Ck(1),Ck(2),…,Ck(n)}；比较序列(即Fe2O3，Al2O3，TiO2和SiO2数据组成的序列)为Sk(j)={Sk(j),Sk(j),…,Sk(j)}，i=1,2,…,nj=1,2,…,m。

(2) 对参考数列和比较数列进行无量纲化处理

在进行对灰色关联数据序列分析中，由于事物系统之间存在物理意义的差异，这对进行数据的处理和比较带来了很大的不便，因此进行无量纲化处理。

随着数值的增大，各分析数列大致呈反比时，采用如下计算公式：

随着数值的增大，各分析数列大致呈正比时，采用如下计算公式：

式中,Tk(i)={Sk(j)或Ck(i)}。

(3) 计算关联系数

计算中采用的是邓氏灰色关联。

式中，d为分辨系数，d=0.5。

3.2以变异系数法确定权重

变异系数法确定权重的具体步骤[11-12]

(1) 计算第j项评价指标的均方差

(1)

(2) 求出不同氧化物对应的变异系数

(2)

(3) 变异系数计算权重

(3)

(4) 计算加权关联度

(4)

根据在上述的步骤，归一化处理公式求得关联系数ξk(j)={5.569 04、6.073 06、4.825 81、4.733 63};ξk(i)={6.180 98、6.22 389、4.867 94、5.401 65}，并计算可得变异系数ωi= (0.606 92，0.392 91，0.000 09，0.000 07),i= (1，2，3，4)(表2)。

表2各因子的权重及归一化的因子权重

参考序列比较序列参考序列比较序列cFe2O3Al2O3TiO2SiO2φFe2O3Al2O3TiO2SiO2ξk(j)5.569046.073064.825814.73363ξk(i)6.180986.223894.867945.40165γij0.585990.413870.000070.00006γij0.605210.394650.000070.00006

4分析与讨论

4.1酸蚀红土的机理

(1) 在利用该方法评价红土受酸性环境的侵蚀，Fe2O3和Al2O3是影响红土工程指标的主要因素，对工程指标的贡献率明显大于SiO2和TiO2。根据胶体化学的观念, 当一种物质所处的介质pH值大于等电pH 值时, 该物质表面将带负电;介质pH 值小于等电pH 值时, 该物质表面将带正电。红粘土中主要矿物成分的等电pH 值(ZPC)高岭石是5.0、伊利石4.6、蒙脱石2，而氧化铁和氧化铝的等电pH值为7.1和8.1。在该次试验中所算得pH值均小于1，这就导致了游离氧化铁表面带正电，而粘度矿物由于pH值小于盐酸溶液的pH值，粘土矿物表面也带正电，因此游离氧化铁将会受排斥与红土颗粒脱离，大量的铁离子从红土中游离出来，从而与盐酸溶液发生反应。随着浓度的逐渐增大，Al离子析出量越来越少，Si和Ti析出量变化不大。所以，在红土中起着胶结作用的氧化物的析出量逐渐增多，这导致了在试验中红土的粘聚力逐渐的减小。

(2) 红土中粘土矿物以蒙脱石、高岭石和伊利石为主。这些矿物颗粒的比表面积都非常大，形状不规则，边缘的相互接触形成絮凝状。随着Fe2O3和Al2O3的减少，游离氧化物的减少导致土体内部颗粒之间空间增大，土颗粒之间的级配变得不均匀，内摩擦角也逐渐增大。

4.2不同环境下红土的特性差异

在酸性环境下，红土的粘聚力随着盐酸溶液的逐渐变大而逐渐减小，其内摩擦角越来越大。根据摩尔-库伦强度理论，在正常的红土围岩压力下，根据所测内摩擦角和内聚力，红土的抗剪强度有所提高。

在碱性环境中则出现完全不同的情况，由于氢氧化钙等碱性溶液并不与粘土中的Fe2O3发生反应，在水溶液环境中会有少量的析出游离氧化铁，大量析出的Si和Al，导致了红土中的硅化物大量减少，随着各种氧化物的析出，使红粘土中内部颗粒之间形成较大的空间，颗粒级配变得均匀，内摩擦角变小，导致红土的整体抗剪强度下降。

两种环境中对水工指标的影响有很大的区别。根据变异系数的灰色关联所测得氧化物的贡献率，在酸性环境中，影响内聚力和内摩擦角变化的主要是Fe2O3和Al2O3，在碱性环境中主要是Al2O3和SiO2;对红土的物理特性亦有很大的差异。酸性环境中，pH值小于红土中粘土矿物等电位值时，内摩擦角有所增大，内聚力降低。在碱性环境下，内摩擦角和内聚力均会降低，导致红土抗剪强度下降。

5结论

(1) 利用变异系数的灰色关联分析法研究酸性物质对红土的侵蚀，试验结果与分析结果一致。在酸性环境中，当红土中水溶液pH值小于各种粘土矿物的等电pH值时，红土中两性氧化物受损量与粘聚力呈正相关，与内摩擦角呈负相关。

(2) 通过分析，验证了在酸性环境下，红土中铁、铝氧化物要比其它氧化物的反应程度高，这导致主要工程指标明显降低；证实了游离氧化物在红土中的胶结作用，与在碱性环境中有着很大的区别，为采取有针对性的工程措施提供了依据。

(3) 在酸性环境中，红土中水溶液介质pH值的大小不同，会对红土中粘土矿物与氧化物的关系产生不同效果。pH值在5～7时，会进一步增强红土的胶结能力，pH值更小时，会出现相反结果。

在酸性环境下，HCl浓度增加到4%时，随着浓度的增大，红土中所析出的Ti、Si变化不大，Fe、A1析出量随浓度增加逐步加大，而c、φ并无明显变化。因此建议：对此变化过程采取分段分析方法。在红土中起胶结作用的游离氧化铁，离子化学键在酸性环境中的破坏有待于进一步分析。

参考文献

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EROSION AND HARM OF THE ACIDIC ENVIRONMENT ON LATERITE

ZHOU Xin-wei, YANG Hua-shu, LI Dong

(Faculty of Land Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming650093，China)

Abstract:The natural environment and industrial production of acidic substance and the amphoteric oxide laterite react, leading to changes of engineering properties of laterite. Based on chemical analysis and testing principles of laterite destruction, by using accelerated life test, detecting the impact of the oxide change in laterite on changes of the engineering properties. Adopting grey relational analysis of variation coefficient method, analysis of chlorine ion as a representative of the acidic environment to the laterite erosion, quantitative analysis the contribution rate of different oxides in the acid environment to the laterite indices, so as to know the influence of chemical composition’s changes to laterite project characteristics. Through the analysis of acidic environment to the mechanism of laterite's erosion and deteriorate, providing a new analysis ideas for the evaluation and development trend of the laterite engineering deterioration ,and for the theoretical basis for engineering measures.

Key words：geotechnical engineering;aterite;acid erosion;variation coefficient; the grey correlation

文章编号：1006-4362(2016)02-0069-04

收稿日期：2016-01-09改回日期：2016-02-18

基金项目：国家自然科学基金项目(41462013；50869003；51069003)

中图分类号：TU41;TU472.5

文献标识码：A

作者简介：周新伟(1987-), 男, 河南周口人, 硕士研究生，研究方向为灾害地质学。E-mail: 1739256665@qq.com