孔隙溶液酸碱度对重塑黄土工程性质的影响研究

2018-09-18，，，

长江科学院院报 2018年9期

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(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

1 研究背景

随着社会快速发展，废水、废气、废渣大量排放，导致地表水、地下水受到不同程度的污染，土体孔隙中水环境发生变化，进一步对土体宏微观结构以及工程特性产生影响，甚至会造成土体结构失稳进而导致巨大损失[1]。

从环境污染角度研究水土间的相互作用，主要包括2个方面:一是关于农业土壤特性，主要涉及土-水溶液系统间污染物的转化、迁移、降解、吸收、扩散等一系列物理的、化学的、生物的作用[2-3]；二是关工程上的污染土研究。我国从20世纪60年代开始出现地基土被废液污染使土性改变导致建筑物破坏的事故，随后开展了对污染土性质、污染离子在土中迁移，以及废弃物处理的研究[4-7]。许中坚等[8]对红壤土进行了模拟酸雨淋溶实验，发现酸雨 pH 值越小，持续时间越长，对土壤结构破坏越严重。张信贵等[9]的研究则认为强酸环境下土体的变形较大，弱酸和碱性环境下土体的变形较小；刘汉龙等[10]的研究也同样发现了这个问题，并且发现土体的压缩系数随着酸碱浓度的增加而不断增大，酸碱污染可增大土体的渗透性，尤其是酸污染效果更显著。朱春鹏等[11]对土体的变形研究发现，酸性溶液污染的土体的软化特征明显，碱性污染土的软化程度则随着碱含量的增大愈加不明显。相兴华等[12]则认为碱性溶液会导致土体的密度、压缩系数、液塑限等有不同程度的增加。土体中的钙离子胶结物和水体发生化学作用破坏了土体的结构，使土体的剪切强度降低[13]。酸性条件下胶结强度增加，土体强度提高，碱性条件下刚好相反[14]，土体的应力-应变关系逐渐由应变硬化型向应变软化型转变，土颗粒表面电位降低，土颗粒结构变化导致剪胀效应[15]。以上研究表明，水土化学作用改变了土颗粒之间的平衡，导致了土体渗透性、强度等性质的改变。

水土的化学作用主要是通过水土之间的离子交换、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用等方式实现[9]。不同的水环境下，水土化学作用的方式也不同。本文以盐酸溶液和氢氧化钠溶液为原料，人工配制不同酸碱度溶液与黄土进行长期化学反应，研究酸碱溶液对土体基本物理力学性质的影响，为岩土工程实践提供借鉴。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验所用黄土取自陕西杨凌台塬地区Q3黄土，取土深度为4.0 m。土样呈褐黄色，质地均匀，颗粒相对密度为2.71，天然含水率为13.1%，干密度为1.36 g/cm3，孔隙比为0.98，其酸碱度(pH值)为8.19，呈弱碱性，最大干密度为1.67 g/cm3，最优含水率为18.9%。土样的基本物理力学指标、化学指标及矿物成分分别见表1、表2和表3。试验中所用的酸碱溶液是用化学分析纯盐酸溶液配制成pH值为1和4的2种酸性溶液；用去离子水作为pH为7的标准溶液；用化学分析纯氢氧化钠配制成pH为10和13的碱性溶液，共5种溶液。

表1 土样的基本物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters of loess sample

表2 土样的基本化学指标Table 2 Chemical indexes of loess sample

表3 土样的矿物成分Table 3 Mineral composition of loess sample

2.2 试验方法

首先将黄土风干碾细过筛(2 mm)，然后称取5等份黄土，每份2 500 g，分别浸泡于1 500 mL不同pH值的酸碱溶液中,以保证溶液与土体充分反应，用保鲜膜密封。反应30 d后，取出散状样，测试土体的颗粒组成、液限、塑限等基本物理指标。土样风干至最优含水率后将散样按照最大干密度压制成环刀样和三轴样，测试土体的抗剪强度以及渗透系数，并采用二相电极法测试土体的电阻率变化。全部测试内容包括土体的颗粒组成、液塑限、渗透系数、抗剪强度等，具体试验方法见《土工试验规程》(SL 237—1999)。

3 试验结果与分析

3.1 土的颗粒分析

土的颗粒分析试验，研究的是土中各粒组的相对含量，粒组含量的不同直接影响了土体的工程性质的不同。由于试验中所用的黄土为粉质黏土，粒度分析采用筛分法和密度计法，统一采用六偏磷酸钠作为分散剂，试验结果见表4。

强碱作用下土体的黏粒粒组含量增加8.38个百分点，粉粒粒组降低8.44个百分点，砂粒粒组基本不变。在受到溶液浸泡时，土体中的一些胶体、游离氧化物以及一些可溶盐首先溶于水，土壤颗粒的连接减弱，同时颗粒表面离子吸附发生水化[16]，原来的团聚体发生分解；在强碱溶液作用时，碱性溶液中的羟基会和土体中的阳离子发生化合反应，导致颗粒分解的速度加快[17]，溶液中的Na+增多会使土颗粒之间的扩散层厚度增加，排斥力大于吸引力，净势能表现为斥力，土样产生分散[18]，细颗粒增多，黏粒含量增大。

表4 酸碱溶液浸泡后土体的颗粒组成Table 4 Granule composition of polluted soils

酸性溶液作用时，随溶液酸性增强，土体的黏粒含量呈先增加后降低的趋势。强酸作用下土体的黏粒粒组含量降低3.17个百分点，同时粉粒粒组含量增加3.15个百分点，砂粒粒组基本不变。强酸溶液作用时，黄土中的碳酸盐[19]、铁锰氧化物和氢氧化物被大量溶出，化学溶蚀作用越强，土体中被溶解的矿物越多，随着土颗粒表面碳酸钙等物质的减少，附着在团粒表面的粉粒和黏粒减少[20]，细颗粒含量降低。弱酸作用时，土体的黏粒含量稍有增加，这是因为黄土呈弱碱性，弱酸作用时，两者之间发生中和反应，原先团聚在颗粒周围的胶结物质逐渐脱离团聚体，细颗粒增加。

3.2 土的界限含水率

土体的界限含水率(液限、塑限)是决定土体性质的重要指标，与土体的粒度组成和矿物成分直接相关[21]。不同pH值溶液浸泡后土体的界限含水率见图1，其中原状黄土数据以涂黑的符号标识。从图1可以看出，酸碱溶液浸泡后土体的液限、塑限和塑性指数均低于原状黄土；土体的液限和塑性指数随溶液pH值的增大呈下降趋势，可以用线性公式进行拟合。

图1 酸碱溶液浸泡后黄土的液塑限及塑性指数Fig.1 Atterberg limits and plastic index of the polluted loess

图2 酸碱溶液浸泡后黄土的黏聚力和内摩擦角Fig.2 Cohesive forces and internal friction angels of the polluted loess

在碱性溶液的长期作用下，碱蚀作用占主导地位，碱性溶液与黏土矿物中的次生二氧化硅、游离氧化物等发生碱化反应生成新的矿物[22]，导致土体的可塑性减小；并且随着碱性溶液pH值增大，碱蚀作用越强，土体的可塑性降低越多。在酸性溶液的长期作用下，较多的H+和Cl-进入土体扩散层，使得扩散层变薄，土体的可塑性变弱[10]；随着盐酸溶液pH值逐渐减小，盐酸浓度逐渐加大，溶解于酸性溶液的胶体离子逐渐析出，并开始发挥胶结作用，导致随着溶液pH值逐渐减小，土体的可塑性逐渐增强[10]。

3.3 土的不排水抗剪强度

图2是经过不同溶液浸泡30 d后土体的黏聚力和内摩擦角的变化曲线。与表1中原状黄土相比，酸碱溶液浸泡后土体的黏聚力增大、内摩擦角降低。HCl溶液浸泡后，土体的黏聚力和内摩擦角随溶液酸碱度降低逐渐增大，呈负相关关系；NaOH溶液浸泡后，土体的黏聚力和内摩擦角随溶液pH值增加逐渐增大，呈正相关关系。

土体在酸碱溶液中浸泡，颗粒间胶结物质被酸碱溶液溶蚀，发生水化、溶解、沉淀等一系列化学反应，结构连接变弱[23]，同时生成高度分散性的次生矿物，电分子结构发生变化，土颗粒间的表面摩擦和颗粒间的连锁作用减弱[14]。当用HCl溶液浸泡土体时，土体中的钙质胶结物逐渐被溶蚀，浸泡溶液的pH值越小，土体中钙质胶结物溶蚀得越充分，试样中细小颗粒逐渐减少[15]，胶结物质溶蚀的同时，Ca2+析出，与盐酸溶液中的Cl-相结合形成新的电解质CaCl2，而CaCl2是加固黄土时常用的催化剂，具有快速胶结的作用[24]。因此，当低pH值的盐酸溶液与黄土中的矿物作用时，会产生大量的CaCl2，导致土体的黏聚力增大。当用NaOH溶液浸泡土体时，大量的Na+离子进入固定层和扩散层，导致土体的原始黏结力和固有黏结力有明显的减弱现象。随着碱性溶液pH值逐渐增大，NaOH在土体中的浓度逐渐加大，使土颗粒表面相互黏结发生膨胀和软化，形成强度高并且具有水硬性的钙铝硅酸盐络合物，这些络合物将土颗粒牢牢黏结[25]，使土体强度逐渐增大。

酸碱溶液作用后，土体的内摩擦角要低于原状黄土的内摩擦角，这是由于水分进入土体导致土体结构性减弱。酸性溶液作用时，土体中粉粒含量增加，大颗粒增多，内摩擦角增大；碱性溶液作用时，内摩擦角相应随溶液碱性增强而增大，其原因尚不明确。

图3 酸碱溶液浸泡后黄土的渗透系数Fig.3 Permeability coefficient of the polluted loess

3.4 土的渗透系数试验研究

将不同溶液浸泡30 d后的重塑黄土按照最大干密度制备土样，并采用原浸泡溶液作为渗透溶液进行变水头渗透试验，得到不同土体的渗透系数，见图3。不同溶液浸泡后土体的渗透系数变化较大，其中用中性去离子水浸泡土体的渗透系数最小；碱性环境中，随溶液pH值增大，土体的渗透系数增大；酸性环境中，随溶液pH值减小，土体的渗透系数逐渐增大，与王婷等[26]的研究结果一致。土体渗透系数与浸泡溶液pH值之间的关系可以用线性公式进行拟合。

影响土体渗透系数的因素很多，如土的结构、颗粒级配、胶体含量、密度等。当用去离子水浸泡土体时，在水的溶解作用下，土体中的易溶盐溶解于水，部分结构坍塌，堵塞渗透通道，渗透系数较小。碱性溶液浸泡后，土体的黏粒含量增大(见3.1节)，说明土体中的团聚体逐渐分解形成细小颗粒，在渗流过程中发生流动，形成新的渗流通道，渗透系数增大；同时随着溶液pH值增大，溶液中的Na+增多，而Na+是土体分散的主要影响因素[27]，因此随着pH值增大，土体中团聚体分散的程度增大，土体的渗透系数增大。酸性溶液浸泡时，土体的易溶盐、碳酸盐等与盐酸反应形成易溶于水的矿物，如氯化钙、氯化镁等，导致胶结程度降低，结构发生坍塌，盐酸溶液pH值越小，化学溶蚀作用越严重，结构变异越大，土体的渗透系数增大。

3.5 土的电阻率

土的电阻率是表征土体导电性的基本参数，是土的固有物性参数之一，它是当电流垂直通过边长为1 m的立方体土时所呈现的电阻大小，单位为(Ω·m)[28]。本研究采用二相电极法，对不同pH值溶液浸泡30 d后土体的导电性进行测试。试验过程中，将用不同溶液浸泡后的土体按照最大干密度和最优含水率制成直径39.1 mm、高80 mm的圆柱体试样，密封后放入18 °C的保温箱内，待土体温度恒定后，在试样两端均匀涂抹导电膏，在 2 000 Hz的交流电环境下，采用TH2827C型精密LCR数字电桥观测土体的电阻值，并计算出土体的电阻率(见图4)。

图4 酸碱溶液浸泡后黄土的电阻率Fig.4 Resistivity of the polluted loess

从图4中可以看出，随溶液pH值增加，浸泡后土体的电阻率整体呈现先增后降的趋势，电阻率与溶液pH值之间的关系可以用线性公式进行拟合。

土体电阻率主要取决于土体含水率以及土中水的电阻率[29]，绝对干燥的土壤的电阻率可以认为接近无穷大，随着含水量增加,土体的电阻率显著降低[30]。原状黄土的含水率为13.1%，低于重塑土体配制时的含水率18.9%，因此原状黄土的电阻率要高于重塑土体的电阻率，并且由于原状黄土的pH值为8.19，呈弱碱性，因此与pH为7的中性溶液浸泡后土体的电阻率较为接近。

土体电阻率与孔隙溶液中离子的类型和浓度具有相关性，溶液中不同的离子会采用不同方式影响土体的电阻率[31]。土壤中离子含量的多少决定了其电阻率的大小，离子含量的增大将导致整个土体电阻率的下降[32]。pH值越接近1或14，意味着溶液中H+或OH-的浓度越大，孔隙溶液离子数目越多，电阻率越低。

孔隙溶液导电性的大小除取决于溶液中离子的数目、离子所带电荷数外，还和溶液中离子的迁移率有关[32]。迁移率，是指在单位恒定外电场驱动下离子的运动速度，它与离子本性如离子的电荷数、离子半径等、溶剂的黏度、介电常数、温度以及电场强度等因素有关[33]。表5[33]列出了地下水中常见离子在常温常压下的迁移率。大多数离子的迁移率几乎相同，但H+和OH-的迁移率比其他离子几乎要大一个数量级，同时H+的迁移率比OH-要大得多。在其他条件相同时，孔隙溶液的电阻率取决于所含离子的迁移率，迁移率越大，导电性越好，电阻率越小。由于H+的迁移率比OH-要大得多，其浓度升高或降低同样程度时，酸性溶液电阻率变化幅度更大，拟合直线的斜率绝对值更大。