游离氧化铁对红黏土力学特性的影响

2021-03-24颜荣涛牛富俊颜梦秋徐玉博

桂林理工大学学报 2021年4期

刘莉, 颜荣涛, 牛富俊, 颜梦秋, 徐玉博

(1.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室, 广西桂林 541004; 2. 河海大学土木与交通学院，南京 210024；3.华南理工大学 a.亚热带建筑国家重点实验室; b.土木与交通学院华南岩土工程研究院, 广州 510640)

0 引言

红黏土是碳酸盐岩在湿热环境下经物理化学风化作用而形成的高塑性黏土, 属于一种特殊土[1]。在红黏土表面存在大量的游离氧化铁, 对土颗粒间存在明显的胶结作用, 因此导致红黏土具有一些特殊的物理力学特性，如高孔隙比、高含水率、高强度、低压缩性、高收缩性等[2-4]。

为了揭示游离氧化铁对红黏土土体物理力学特性的影响规律及机制, 前人早在20世纪八九十年代就开始了相关研究[5-8]。近年来, 张先伟等[9]采用选择性化学溶解法去除氧化铁胶体, 探讨了氧化铁胶体的界面活性、胶结特性和黏土矿物的相互作用机制；牛庚等[10]研究了去氧化铁前后红黏土原状样全吸力范围土水特征曲线, 并结合压汞试验从微观角度解释去铁前后红黏土持水特性，结果表明, 低吸力范围内红黏土原状样持水曲线较去氧化铁样下降明显, 而高吸力范围去氧化铁前后红黏土持水特性和收缩性差距不大。这些研究有效地证明了氧化铁的存在对红黏土物理指标和持水性有明显的影响。

红黏土具有较高的强度特性与明显的收缩特性。在强度方面, 孙德安等[11]通过试验发现，非饱和红黏土抗剪强度随吸力增加均先增大后减小, 并结合压汞试验从微细观孔隙分布角度解释了孔隙水毛细效应对非饱和红黏土强度特性的影响机制；罗文俊等[12]对不同含水率下红黏土进行直剪试验，结果显示随着含水率增大, 红黏土抗剪强度和黏聚力均减少, 内摩擦角在一定范围内波动，红黏土的失水收缩特性较为明显, 这一特性会导致红黏土路基、地基发生开裂现象；谈云志等[13]开展了压实红黏土收缩试验, 并对收缩曲线进行了具体的描述, 从孔隙结构层面分析了红黏土的收缩特性；张宏等[14]研究了红黏土不同击实次数下的收缩特性及裂缝开展情况, 结果表明，在最大干密度情况下随击实次数增加, 红黏土线缩率增大。在持水性方面, 常红帅等[15]利用压力板仪、滤纸法测定桂林、柳州两种红黏土, 发现在相同含水率时, 桂林红黏土具有更好的持水特性；孙德安等[16]测定不同干密度下全吸力范围桂林红黏土土-水特征曲线。

根据以上分析, 学者针对红黏土的基本力学特性及游离氧化铁的力学影响机制进行了不少研究工作, 并取了显著的研究成果, 但为了全面理解游离氧化铁对红黏土物理力学特性的影响机理, 仍需要大量的试验数据。本文通过试验分析了游离氧化铁去除前后(以下简称“未去铁红黏土”和“去铁红黏土”)红黏土的持水特性、非饱和土抗剪强度以及失水收缩特性，其中持水性与抗剪强度试验结果相结合可获得土体的非饱和强度已被证实[17-22]。试验中, 红黏土持水性采用滤纸法测定、强度特性通过直接剪切试验测定、失水收缩特性采用收缩仪法测试，基于试验结果, 对游离氧化铁对红黏土力学特性的影响规律和机理进行了讨论。

1 试验介绍

1.1 土样情况

试验用红黏土取自广西师范大学雁山校区, 呈棕红色。土体在自然风干后, 用木槌粉碎后过2 mm筛备用。根据《土工试验方法标准》[23]测得试样土体的基本物理性质指标见表1。

表1 红黏土基本物理性质

土体液塑限采用液塑限联合测试仪测得, 液限为72.47%(入锥深度为17 mm), 塑限为38.1%, 塑限指数为34.37。最大干密度和最优含水量通过击实试验得到, 测试最大干密度为1.58 g/cm3, 最优含水量为26%。通过颗分试验测得: 砂粒(0.075～2 mm)含量为17.7%, 粉粒(0.005～0.075 mm)含量为31.1%, 黏粒(小于0.005 mm)含量为51.2%。

本试验主要关注红黏土去除游离氧化铁前后持水性、强度和收缩性的变化情况, 不考虑游离氧化铁含量对红黏土物理力学特性的影响规律。另外, 由于试验条件限制, 未测试红黏土游离氧化铁的含量。

1.2 去氧化铁方法

目前去除红黏土中游离氧化铁的方法大多采用还原-络合方法, 其实质是一种去除土中游离氧化铁的“选择溶解”法, 通常有淋滤和浸泡两种方式。用于去除游离氧化铁的溶液有两种：一种是由0.1 mol/L NaCl、 0.05 mol/L Na2CO3和0.05 mol/L EDTA-连二亚硫酸钠3种溶液配制而成的混合溶液; 另一种主要采用柠檬酸钠、碳酸氢钠和连二亚硫酸钠3种溶液配置的混合液(称为DCB法)。第一种用于去除游离氧化铁的混合液中EDTA(乙二胺四乙酸)较难溶于水, 且操作方法较复杂, 因此本试验采用第二种混合溶液, 即DCB法。采用由柠檬酸钠、碳酸氢钠和连二亚硫酸钠3种溶液配置的混合液不仅能去除红黏土中游离氧化铁, 而且还不影响其他形态的铁(无定形氧化铁、络合态铁等), 游离氧化铁去除率达到92%以上[8], 可以满足试验要求。

游离氧化铁去除的具体过程[24]: 1)对红黏土进行风干处理, 过2 mm筛后备用; 2)取250 g红黏土置于1 000 mL烧杯中, 加入0.3 mol/L柠檬酸钠溶液500 mL, 10 mol/L碳酸氢钠溶液62.5 mL; 3)水浴加热至80 ℃, 加固体连二亚硫酸钠20 g, 持续搅拌20 min使混合溶液反应充分; 4)停止加热, 冷却至室温(图1), 静置1个月使其充分反应, 而后用蒸馏水对土样进行多次洗涤, 并采用离心机分离出上层溶液, 如此反复至上清液无黑褐色出现, 认为游离氧化铁充分去除。之后, 自然风干土样, 并用木槌粉碎后密封袋封装备用。

图1 去游离氧化铁浸泡液

1.3 持水性测试

红黏土的持水性通过土-水特性曲线来表征,常用的测试方法有压力板仪、滤纸法和盐溶液法。滤纸法测试分为接触法和非接触法, 接触法测试孔隙水基质吸力, 而非接触法测试孔隙水总吸力。渗透吸力为总吸力与基质吸力之差。

压制去铁和未去铁红黏土环刀试样, 控制干密度为1.47 g/cm3，初始含水率分别为3%、 6%、 9%、 12%、 15%、 18%、 21%、 24%、 27%和30%。本文采用滤纸法, 所用滤纸有定性滤纸和定量滤纸两种：定性滤纸在试验中保护定量滤纸免受土体污染, 定量滤纸用来测试基质吸力和总吸力。试验用Whatman No.42号定量滤纸, 其含水率与总吸力和基质吸力的关系可以根据Leong等[25]给出的双线性率定曲线方程计算:

总吸力为

lgψ=2.909-0.022 9wf(wf≥26),

(1)

lgψ=5.31-0.087 9wf(wf<26);

(2)

基质吸力为

lgψ=2.909-0.022 9wf(wf≥47),

(3)

lgψ=4.945-0.067 3wf(26≤wf<47),

(4)

lgψ=5.31-0.087 9wf(wf<26),

(5)

式中:ψ为总吸力或基质吸力, kPa;wf为平衡后滤纸含水率,%。

滤纸法测试持水性的具体过程具体为: 1)在塑料盒底部放入2张定性滤纸, 再在其间放一张定量滤纸(定量滤纸A，用于测试孔隙水基质吸力 ); 2)在滤纸上放置土样并与滤纸充分接触, 之后于试样上方放置隔网片、一张定量滤纸(定量滤纸B，用于测试孔隙水总吸力); 3)保证塑料盒的密封性, 并置于恒温恒湿箱中, 静置两周后, 认为土样-滤纸达到平衡状态[16]。平衡后, 用镊子夹取定量滤纸, 称量定量滤纸A和B的质量, 计算两定量滤纸的含水率。需说明的是, 定量滤纸的称量过程要求在30 s内完成, 以防止滤纸与空气接触影响精确度；定量滤纸称量天平精度为0.001 g。根据定量滤纸A和B的含水率, 计算出基质吸力和总吸力。与吸力相对应的土样含水率可以通过烘干法测得。

1.4 直剪强度试验

采用直剪试验测定红黏土强度, 直剪模式为快剪试验，所用仪器为ZJ型应变控制式直剪仪。去铁红黏土和未去铁红黏土试样的控制初始含水率分别为10%、 15%、 20%、 25%、 30%, 干密度控制为1.47 g/cm3压制环刀试样，试验施加竖向应力为50、100、200和400 kPa, 剪切速率为0.8 mm/min。

1.5 收缩试验

对游离氧化铁去除前后的红黏土试样进行收缩试验研究其收缩特性。采用去铁红黏土和未去铁红黏土压制两种环刀试样, 抽真空饱和后利用收缩仪进行收缩试验, 在25 ℃恒温恒湿箱通过控制湿度进行脱水，测试了干密度为1.27、1.47 g/cm3的未去铁试样和去铁试样的收缩特性。采用游标卡尺分别测定试样4个不同位置的直径和高度, 取平均值作为最终的直径和高度。

2 结果分析与讨论

2.1 持水性特征

图3给出了去铁红黏土试样和未去铁红黏土试样的土-水特性曲线, 包括总吸力和基质吸力随含水率的变化关系。从测试结果看, 去铁红黏土试样含水率从30.5%脱湿到2.5%, 其总吸力变化范围为17.0～110.0 MPa, 基质吸力的测试范围为1.6～62.0 MPa。无论是未去铁红黏土试样还是去铁红黏土试样，其总吸力和基质吸力都随含水量变化曲线基本重合, 这说明该红黏土试件中含盐量很少, 渗透吸力影响很小, 可以忽略。

图2 滤纸法试验过程

图3 去铁前后红黏土的持水曲线

对比未去铁与去铁红黏土试样的土-水特性曲线发现, 在相同的含水量情况下, 去铁红黏土的基质吸力和总吸力整体高于未去铁红黏土的基质吸力和总吸力。这种差异应该是由于氧化铁去除过程也减小了红黏土颗粒表面铁离子, 增大了红黏土颗粒对水的表面吸附性, 导致红黏土的持水能力增强。

牛庚等[10]采用除氧化铁前后的原状红黏土进行试验, 研究表明，在低吸力范围内(0～1 MPa)氧化铁对红黏土持水特性有明显的影响, 消除氧化铁有助于提高试样的持水性；在高吸力范围内(9～367 MPa), 氧化铁对持水特性影响不大。这与本试验的测试结果有所不同, 这可能归结于牛庚等所采用的试样为原状土试样, 而本试验采用的为重塑土试样, 二者具有不同的内部结构。对于原状土试样, 其内部结构性占主要影响因素, 除铁后使土体的结构易于收缩, 其收缩特性的改变影响了持水特性; 而本次试验所采用的为重塑土样, 除铁后影响了土壤颗粒表面的吸附性, 增强了土体颗粒对水的吸附能力, 从而增强了持水能力。

2.2 抗剪强度

图4给了未去铁红黏土试样和去铁红黏土试样的抗剪强度特性。随着竖向压力的增大, 土样孔隙比减小, 土颗粒接触点增多, 土体强度呈现正比例上升趋势；另外, 在较低的含水率情况下试样对应的强度线要高于高含水率情况, 这主要是由于土颗粒间孔隙水的基质吸力影响效果。

图4 去铁前后不同含水率红黏土的抗剪强度

为了进一步分析试样的强度影响机制, 根据Fredund等[26]提出的非饱和土抗剪强度公式进行分析:

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(6)

图5给出了去铁红黏土与未去铁红黏土试样的表观黏聚力和有效内摩擦角随含水率的变化关系。随着含水率的增大, 无论是否去除了游离氧化铁, 红黏土试样的表观黏聚力都表现出线性减小的趋势, 这是由于颗粒间基质吸力随着含水率的增加逐渐减小, 土颗粒抵抗相互滑移、旋转的能力降低, 宏观表现为表观黏聚力的降低。同时, 在同样的含水率情况下, 未去铁红黏土试样的表观黏聚力要高于去铁红黏土试样, 这主要是由于游离氧化铁具有胶结作用, 能提高颗粒间的黏聚力, 去除游离氧化铁后表观黏聚力自然会降低(图5a)。去铁与未去铁红黏土有效内摩擦角并不是一个常数, 当含水率在10%～20.5%内, 有效内摩擦角变化不大, 而当含水率大于20.5%以后, 有效内摩擦角呈迅速下降的趋势。这主要是由于低含水量情况下(10%～20.5%), 孔隙水主要以强结合水为主, 被强结合水包裹的土颗粒间的相互摩擦系数较高；随着含水量增加, 结合水含量增多, 于土颗粒表面的赋存会起到润滑土颗粒的作用, 会显著降低有效内摩擦角。去铁与未去铁红黏土试样的有效内摩擦角在含水率低于26%时并无明显区别, 表现为表观黏聚力对基质吸力或含水率的变化较有效内摩擦角更加敏感(图5b)。

图5 抗剪强度参数随含水率的变化

根据Fredund 等[26]的非饱和土抗剪强度理论, 表观黏聚力由有效黏聚力c′和基质吸力强度贡献(ua-uw)tanφb控制。为了进一步分析基质吸力对表观黏聚力的影响, 图6给出了表观黏聚力随基质吸力的变化关系。随着基质吸力的增加, 表观黏聚力呈现明显的增加趋势。非饱和土基质吸力由两部分组成: 毛细吸力和吸附吸力。毛细吸力主要在低基质吸力情况下存在, 对应于毛细水作用; 而物理吸附吸力主要在高基质吸力情况下存在, 对应于结合水。试样在高含水率时, 对应基质吸力较小, 毛细吸力为主要部分, 毛细吸力吸引土颗粒，增加土颗粒的抗剪能力, 提高了表观黏聚力; 而在低含水率情况时, 对应基质吸力较大, 物理吸附应力占主要部分, 土颗粒间的物理化学力对颗粒相互作用来提高表观黏聚力。此外, 未去铁红黏土表观黏聚力高于去铁红黏土，主要是由于游离氧化铁的胶结作用, 游离氧化铁胶结于土颗粒接触面或填充土颗粒孔隙, 来提高红黏土的有效黏聚力。

图6 表观黏聚力与吸力的关系

2.3 收缩特性

图7给出了游离氧化铁去除与未去除红黏土试样的失水收缩曲线。随着含水率的降低, 试样表现出收缩趋势, 线缩率逐渐增大, 最后趋于恒定。根据线缩率随含水率的变化特性, 收缩曲线可以分3个阶段[13]: Ⅰ正常收缩、Ⅱ残余收缩和Ⅲ零收缩阶段。在正常收缩段内, 线缩率与含水率大致呈线性关系, 随着含水率的不断减小, 土样中的孔隙水不断排出, 基质吸力不断增大, 导致土样孔隙率减小, 发生收缩变化。当含水率减小到一定程度时, 土体颗粒开始接触紧密, 颗粒间滑移、翻转的能力降低, 含水率的减小及基质吸力增大所引起的土体的收缩量越来越小, 收缩过程进入残余收缩阶段。当含水率进一步减小, 基质吸力增加到一定程度时, 颗粒间更难于相互滑移、翻转, 土颗粒骨架基本趋于稳定, 脱水过程难以克服土颗粒之间的抗剪强度使土体发生收缩变形, 试样进入零收缩阶段。去铁红黏土试样的收缩曲线要高于未去铁红黏土试样。

图7 去铁前后不同干密度红黏土收缩曲线

线缩率δsi为某时刻高度变化量与初始高度的比值

(7)

式中:zi为任意时刻试样百分表读数;z0为试样初始百分表读数;h0为试样初始高度。表2给出了收缩试验的相关特征值, 包括最大线缩率、初始含水率和缩限。去铁红黏土的最大线缩率要大于未去铁红黏土, 说明去铁红黏土试样的失水收缩特性要强于未去铁红黏土, 这主要是由于游离氧化铁能胶结土颗粒, 使土体整体性增强, 提升了抵抗失水收缩变形的能力。另外, 无论对于去铁红黏土试样还是未去铁红黏土试样, 高干密度试样的最大线缩率要小于低干密度试样。这主要是由于高干密度情况的土颗粒接触密实, 颗粒间抵抗相互滑移、翻转能力相对较强, 刚度相对大, 失水收缩能力较弱。

表2 收缩特征值

3 红黏土中游离氧化铁作用机制分析

根据以上试验分析可知, 游离氧化铁的存在会降低红黏土的持水性, 增加土体抗剪强度, 降低土体的失水收缩特性, 这些影响主要是由于红黏土中游离氧化铁与土颗粒的相互作用引起的。土体是由大小不等的颗粒单元集聚而成, 碳酸盐岩风化过程中, 除了硅铝富集外, 还有铁的富集生成氧化铁, 这些铁大多数来源于针铁矿、赤铁矿等造岩矿物。红黏土中游离氧化铁的颗粒极细, 容易与水反应生成氢氧化铁胶体, 填充在黏土矿物絮凝结构的孔隙中[27]。最初的游离氧化铁为无定形的溶胶态, 具有较高的活性, 易随环境变化而变化。在脱水老化结晶过程中嵌在黏土矿物孔隙间, 产生键合作用, 增加游离氧化铁与黏土矿物间的胶结力(胶结本质是高岭土与针铁矿之间生成了氢键[28]), 使游离氧化铁与黏土矿物形成稳定的团聚体, 并且游离氧化铁有一定量的正电荷，也抵消了黏土矿物的部分负电荷, 最终导致黏粒热力电位及动力电位降低、扩散层变薄, 进一步增强了黏土矿物自身的凝聚[29]。

研究显示，游离氧化铁以3种形式作用于土颗粒中[30]: 1)以包膜的物理覆盖形式把土颗粒包裹起来(简称包层形式)，主要依靠分子引力、静电引力等吸附作用力的形式胶结连结, 形成一个类似单粒的较大集粒凝块体; 2)位于多个颗粒的交接部位, 以桥的形式把颗粒连结在一起, 形成集粒的形式为絮凝体、叠聚体和团粒体, 简称桥形式; 3)以单独颗粒的形式充填在孔隙中, 只能起单独的骨架作用。3种形式中以包层形式影响最大, 它形成凝块结构, 是一种最强的结构连结方式。不同的赋存特征(如类型和粘结部位), 对土壤性质有不同影响。桥形式赋存能使黏土矿物晶片链接更为紧密, 包层形式赋存能使黏土聚集体整体性更强, 单个结晶粒子能填充于颗粒孔隙之间。游离氧化铁3种作用形式对红黏土力学特性的影响是通过对其微观结构的影响来实现的, 在宏观上表现为提高土体结构性的胶结作用。

本试验中红黏土去除游离氧化铁后, 胶结作用被破坏, 絮凝结构变得分散, 表现为黏土的物理力学特性随之发生变化。因此, 去铁后红黏土表现出相对较低的抗剪强度和较高的收缩特性。此外, 在未去铁红黏土中, 三价铁离子吸附于土颗粒表面, 降低了土体表面净负电荷, 减小了红黏土颗粒表面吸附性, 降低了持水性，而去铁后土体的持水性有所提升。