碱污染下红黏土强度指标变化的微观角度分析

2021-07-21朱杰茹肖桂元张达锦

河南科技大学学报(自然科学版) 2021年6期

朱杰茹，肖桂元，2，张达锦，安冉，邹颖

(1.桂林理工大学广西岩土力学重点实验室,广西桂林 541004；2.中国地质大学工程学院，湖北武汉 430000)

0 引言

随着城市化进程的加快，装备制造业进入了快速发展阶段，氧化铝厂、造纸厂等工业企业污染物中废碱液的不当排放，对自然环境产生了一定程度的破坏。虽然国家大力倡导环境保护，环境污染问题好转很多，但长期污染已然造成的土体结构破坏和力学性能改变，不是短期能恢复的[1-2]。因此，探究碱液侵蚀土体引起的土体性能变化机理，为工程实践提供参考，显得尤为重要。

目前，国内外学者对碱性环境下土的力学性质、微观结构等进行了一定的分析研究，并得出了相应的结论[3-4]。宏观层面上，文献[5-7]采用不同试验方法，对不同浓度的碱污染黏土试样进行了强度试验，分析引起强度变化的机理，推出了具体关系式和结论。文献[8-9]分别对黄土和黏土进行了压缩试验，试验结果显示碱污染后，土体的压缩系数发生了不同程度的降低。黏土中孔隙水的化学性质会影响其物理特性，而物理特性又直接关系到力学性能。文献[10]认为孔隙溶液碱性(pH值)的变化会对其塑性产生影响。文献[11-12]则认为碱性介质会影响土的塑性以及力学特性，与不同土发生化学反应，会产生不同的反应效果。文献[13]也针对碱性环境下的黏性土，做了一系列基本物性试验，并结合力学特性，分析碱性污染对其产生的作用。碱溶液作为一种腐蚀性的化学物质，致使黏土中孔隙溶液改变，土体内部结构发生改变，引起其力学性质发生变化，造成了一系列地基污染和地质灾害的发生。文献[14]研究了黏土在不同碱浓度下的抗剪强度特性，分析了碱性污染下孔隙活性和方向性的差异。文献[15]认为碱污染红黏土引起其微观孔隙面积等方面的变化，从而导致黏土性质发生改变。但是，从微观层面系统地分析红黏土强度特性变化机理的研究相对较少。抗剪强度作为细粒土的重要性能，是分析土的力学性质的重要指标，因此研究影响抗剪强度的因素和变化机理具有重要意义。在抗剪强度方面，现有的研究多数是作为分析力学性能变化的一部分[16]，或是从一种或两种微观层面解释黏性土的强度指标变化原因[17-19]，还包括关于碱性环境的研究，如碱溶液浓度变化对渗透、变形等性能产生的影响作用[20-21]。现阶段虽有碱污染下红黏土抗剪强度的相关研究，但是较全面地从黏土矿物成分、颗粒级度、比表面积(specific surface area,SSA)等微观角度层面进行系统分析，探究黏土强度指标变化的研究还比较欠缺。

本文从微观层面探究了NaOH溶液对红黏土抗剪强度变化的影响情况，可为探索其他酸碱性物质改变黏土力学性能的机理提供理论依据，也可为实际工程中预防污染土引起的工程地质灾害问题提供一定的参考。

1 试验

1.1 试验材料

试验所用的红黏土取自桂林市临桂区某工地，土样总体呈红褐色，取土深度为2～4 m，风干后过2 mm筛，红黏土的物理性质指标如表1所示。试验所用的不同质量分数碱污染液由NaOH晶体(分析纯)与去离子水调配而成。结合现有研究和实际工况，本试验分别设置碱污染液质量分数为1%、2%和4%。

表1 红黏土的物理性质指标

黏土中土颗粒粒径分布组成在土体力学性能中扮演着重要作用，颗粒组成和含量的高低直接影响土体强度。因此，测定土样的颗粒级配，对分析红黏土本身的力学性能有很大的帮助。

红黏土中粒径0.005～0.075 mm的粉粒质量分数为57.8%，小于0.005 mm的黏粒质量分数为38.6%，小于0.075 mm的砂粒质量分数仅为3.6%，试验土样含有较少的砂粒，与一般土相比，试验采用的红黏土含有较高质量分数的黏粒，土颗粒表面附着的结合水层，在一定程度上影响试样的抗剪强度。

1.2 试验方法

1.2.1 直剪试验

采用ZJ型应变控制式直剪仪，测试不同质量分数碱污染条件下红黏土的抗剪强度，每种质量分数下设置平行样，通过试验结果的黏聚力c值和内摩擦ψ值，分析碱污染下土体强度指标的变化规律。

试验样品制备：取适量风干土样，配置含水率为28%，为了试验结果更接近实际工况，短时间提高土-碱反应的速率。首先，配置试样分别为去离子水与质量分数为1%、2%和4%NaOH碱污染液的重塑土，用双层保鲜膜密封，常温常压下养护7 d，制成压实度为95%，规格为30 cm×30 cm×2 cm的环刀样；然后，在环刀上下两端依次加滤纸和透水石，用橡皮筋绑紧，分别放置在含有不同质量分数碱溶液烧杯中进行浸泡，浸泡7 d后，进行快剪试验。

1.2.2 物化分析试验

试验仪器为荷兰PANalytical B.V.公司生产的X’Pert PRO X射线衍射仪，试验条件：恒温26 ℃，衍射角为5°～80°。

注：从左至右各列土样所含NaOH质量分数依次为0%、1%、2%、4%。图1 X射线衍射土样样品

试样制备：从进行直剪试验的土样中选取适量代表性的试样，为确保试验结果的准确性，每种质量分数下选取3个平行样。依次对土样进行烘干-研磨-洗滤-烘干-研磨过0.075 mm筛，制成12个X射线衍射样品(见图1)，进行X射线衍射试验。经过物化分析试验得到红黏土土样中的矿物组成及大致的含量变化趋势。

1.2.3 颗粒分析试验

因试验土样红黏土为黏土体，结合本试样黏粒含量较高的特点，采用密度计法测试。试样制备：使用事先恒温条件下配置、养护各7 d的去离子水、1%、2%、4% NaOH溶液的土样，每次试验采用两个平行样同时测试，按照土工试验规范进行操作，依次记录结果。

1.2.4 比表面积试验

比表面积是黏土体重要的物理化学指标，测量土样比表面积采用亚甲基蓝(methylene blue,MB)滴定晕环法(简称为MB法)，此法应用广泛，操作简单。

试验在26 ℃恒温室中操作，试样编号及所对应的条件如表2所示。将配置好的土样养护7 d；将不同质量分数的土样放入105 ℃烘箱烘干，各取30 g粒径为0.075 mm的试样粉末，进行比表面积试验，当滤纸上出现稳定的1 mm淡蓝色光晕时，视为试验结束，停止滴加亚甲基蓝溶液。

表2 试样编号及所对应的条件

因MB法是在介质溶液为去离子水条件下进行的，水分子更容易进入蒙脱石晶层间孔隙，所以此方法测得的比表面积更准确，最大程度上保证了试验结果的有效性。

2 试验结果分析

2.1 强度分析

随着孔隙溶液NaOH质量分数的不断增加，红黏土土体抗剪强度会降低[5]。不同NaOH质量分数下桂林重塑红黏土的强度指标变化剪试验结果如图2所示。由图2可以看出：随着孔隙溶液NaOH质量分数的不断增加，红黏土的黏聚力逐渐增加，内摩擦角呈现降低趋势。这与文献[5]的试验结果一致。

图2 土样的强度指标变化图

NaOH溶液引起红黏土强度指标发生改变可能是由于在污染土样的制备-浸泡饱和-直剪试验这一系列过程中，试验土样中的结合水膜厚度发生了增加-增加-减小的变化趋势。因为在污染样制备和浸泡过程中，碱溶液NaOH的加入，使碱溶液中的Na+大量进入黏土颗粒表面的结合水膜，致使黏土颗粒表面结合水膜厚度逐渐增加，而当进行直剪试验时，由于法向应力的参与，使原本碱溶液溶蚀掉黏土颗粒之间部分的胶结物，导致黏土颗粒间增大的孔隙被压缩，结合水膜变薄，土颗粒间结合水膜接触面增加，黏聚力增加。虽然在直剪试验过程中，因法向压力的作用，使结合水膜变薄，但还是很难抵消掉前期污染样制备和饱和过程结合水膜增加的厚度，结合水膜厚度还是比去离子水状态下的红黏土要大，并且随着NaOH质量分数的增加，这种厚度差异会更大，因此，随着NaOH质量分数的提高，试验土样内摩擦角会呈现下降趋势。

红黏土为黏土类矿物，且颗粒分析试验中显示含有较高含量的黏粒，碱污染液影响孔隙溶液的化学性质，会直接影响到黏土体的矿物组成、颗粒级度和比表面积，从而对黏聚力产生影响。针对以上分析，分别做了物化分析、颗粒分析和比表面积试验，来进一步研究碱性环境下黏土体宏观力学行为与微观结构之间的关系。

2.2 成分分析

红黏土矿物成分的改变对其强度特性具有重要影响，此外矿物质是组成黏性土骨架的物质基础，也是化学溶液的作用对象，因此碱性环境对黏土内部矿物组成的影响作用，直接关系到红黏土的宏观力学特性，所以探究黏土矿物成分变化机理是很有必要的。

对土样进行X射线衍射试验分析，由孔隙溶液仅含有去离子水的红黏土的X射线衍射图谱(见图3)可知：0.334 nm、0.228 nm、0.182 nm是石英的特征峰，1.416 nm、0.714 nm、0.358 nm是高岭石的特征峰，0.425 nm、0.167 nm、0.149 nm是针铁矿的特征峰，0.446 nm、0.415 nm、0.269 nm是蒙脱石的特征峰，可以定性判定所取红黏土素土中主要矿物成分是石英、高岭石、针铁矿以及少量的蒙脱石。

图3 红黏土的X射线衍射图谱

土样加入NaOH后，其黏土矿物成分含量发生变化，由于篇幅限制，本文选取去离子水状态下和NaOH质量分数为2%条件的土样衍射图(见图4)，对比说明NaOH侵蚀前后矿物成分的变化情况。由图4可知：除石英外，土样衍射曲线整体下移，说明土样被NaOH溶液侵蚀后，各矿物成分的衍射峰强度有所降低，其中，石英的衍射峰升高，是因为黏土中的部分硅酸盐遭到NaOH污染后发生分解作用，SiO2含量提高，即石英衍射峰增强。此外，高岭石、针铁矿、蒙脱石衍射峰强度降低显著，说明NaOH的侵入对土体内部矿物质造成了影响，从离子交换角度分析，这是因为Na+与红黏土内部矿物之间发生了阳离子交换作用，见式(1)，式(1)中C为黏土矿物。

(1)

注：A.石英;B.高岭石;C.针铁矿;D.蒙脱石

随着Na+质量分数的增加，阳离子交换能力加强，此试验中主要置换出少量蒙脱石中的Ca2+、Mg2+，针铁矿和高岭石中的Fe3+和Al3+，从而造成矿物成分衍射峰强度减弱，含量减小。阳离子间的交换作用使原本土-液分散结构向絮凝结构转变，双电层厚度增大，使黏土颗粒之间的联结力加强，黏聚力增加。

2.3 颗粒分析

分别对含有去离子水、1%、2%、4%NaOH的黏土样进行颗粒分析试验，由黏土类本身特有的性质可知，NaOH主要影响黏土矿物，对砂粒、粉粒影响甚微，黏土中的黏聚力大都是由黏粒所提供，因此本文仅列出黏土颗粒试验结果，如图5所示。由图5可以发现：随着孔隙中NaOH质量分数的提高，黏土颗粒质量分数呈现上升趋势，并且在相邻浓度间的黏粒质量分数呈现不同幅度的增加，说明在NaOH的影响下颗粒质量分数组成发生变化，由于NaOH主要对黏土矿物产生腐蚀作用，更细小的胶粒转变为黏粒，使黏粒含量增加。

图5 不同NaOH质量分数下黏粒质量分数变化图

红黏土的矿物成分含有一定量的铁离子，孔隙溶液中NaOH质量分数的升高，使离子活性增强，Na+置换出原本土体颗粒内部的Fe3+，形成FeO(OH)胶体，颗粒间胶结力增强，黏聚力增加，导致原本较分散的细小微粒团聚成较大的黏粒(见图6)，因此土体中NaOH所提供的碱性环境，黏粒质量分数增加得越多，说明颗粒与颗粒间黏聚力越强。另外，因土体中Fe3+含量有限，随着NaOH质量分数的逐渐增大，被置换出来形成胶体的Fe3+越来越少，置换难度加大，即使后期碱性环境活性再大，Na+也很难能置换出来Fe3+，所以随着NaOH质量分数的增加，黏粒质量分数增加幅度逐渐降低。综上所述，含有一定NaOH质量分数的溶液污染土壤后，由于孔隙溶液中Na+质量分数的增加，黏粒质量分数增加，吸附能力加强，导致黏聚力增加。

图6 微粒转化图

2.4 比表面积分析

通过对含有0%、1%、2%和4% NaOH溶液的试样进行比表面积试验，吸蓝量与强度指标之间的关系如图7所示。由图7可知：随着NaOH质量分数的增加,吸附在土颗粒表面的亚甲基蓝质量逐渐降低。

图7 吸蓝量与强度指标之间的关系

根据MB法获得不同质量分数碱溶液侵蚀作用下土样亚甲基蓝吸附量，通过式(2)可得到NaOH污染前后红黏土的比表面积，由式(2)可知比表面积与吸蓝量呈正比关系，研究比表面积和强度指标的关系，可通过研究吸蓝量和强度指标值之间的关系获得。

(2)

其中：CMB为亚甲基蓝溶液质量浓度，取10 g/L；V为土颗粒吸附的亚甲基蓝溶液体积，L；NA为阿伏伽德罗常数，为6.02×1 023 mol-1；AMB为一个MB分子覆盖的面积，为1.30 m2；ms为干土样质量；373.9为MB分子的相对分子质量。

由式(2)吸蓝量与比表面积之间关系，可推断本试验中比表面积是随着NaOH质量分数的增加而不断减小的，说明Na+的加入，使原来单位质量土颗粒粒径变大，这可能是由于碱腐蚀掉原本构成土骨架的物质，因孔隙塌陷造成的多个黏粒或胶粒土颗粒连结成一个稍大的颗粒，NaOH质量分数越高，腐蚀程度越强，带来的孔隙塌陷效果就更明显。因此，随着NaOH质量分数的升高，比表面积呈现减小趋势。另一方面，孔塌陷提供了多个土颗粒连结成一个颗粒的空间，这其中需要提供联结力-黏聚力，使原本出现孔塌陷的颗粒之间连接更紧密，即NaOH的作用下，黏聚力和比表面积成反比，比表面积减小，单位质量颗粒变大，微细颗粒间黏聚力增加，这一点也可由扫描电镜试验进行验证(见图8)。

图8 扫描电镜图

采用扫描电镜对试验黏土样进行观测。挑选4个分别为含有去离子状态下的土样以及1%、2%、4%质量分数的NaOH污染土样进行试验，使用分析软件对扫描后取得的土样进行分析，放大倍数均为2 000倍。

由于篇幅限制，本文选取无污染土样和NaOH质量分数为2%的中间污染程度进行简要说明土颗粒之间联结力的改变。由图8a可知:当红黏土未受碱污染侵蚀时，土颗粒较碎散，颗粒间孔隙较大，随着土中NaOH质量分数的增加。当NaOH质量分数增加到2%时，就可以明显地看出碎散的土颗粒减少，颗粒之间联结力增加，多呈现较紧密的蜂窝结构和团聚结构。说明随着NaOH质量分数的增加，土颗粒间联结力加强，土粒之间的结构形式由碎散颗粒向团聚结构发生改变，因此造成红黏土比表面积减小。