铬锌复合侵蚀红黏土路基抗剪强度及矿物异变分析

曹剑锋，胡莉强，罗 羽，龙 放

(广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

重金属侵蚀仍是目前我国所面临的重要环境污染问题之一。调查表明，部分地区的路基仍面临重金属污染的威胁[1-2]。研究重金属侵蚀对红黏土路基力学强度的影响以及重金属对红黏土路基的侵蚀机制，对相关地区的工程建设具有十分重要的意义。

我国学者在重金属侵蚀方面开展了大量的探索工作，目前也取得了许多有价值的成果。查甫生等[3-4]对铬、锌离子侵蚀黏土的无侧限抗压强度进行了测试，发现铬、锌离子使得黏土的抗压强度明显降低，并进一步提出运用高钙粉煤灰固化锌侵蚀黏土后，其力学强度明显增强。张亭亭等[5]运用硫酸亚铁固化铬污染土，发现固化后的铬赋存形态产生明显变化，污染土的重金属离子溶出特性也得到有效减弱。闫鹏飞等[6]提出采用电动修复技术对铬渣污染土进行处理，试验发现该技术能有效去除土中的铬，最高去除率可达到58.26%。目前普遍认为铬、锌离子对黏土的侵蚀作用将使得土体的力学强度降低，而采用稳定/固化技术能提高铬、锌离子侵蚀土的力学强度。在红黏土研究领域，陈学军等[7-8]对锌侵蚀作用下桂林红黏土的力学强度进行了探讨，认为锌侵蚀作用导致桂林红黏土的胶结结构及双电层结构产生了不可逆转的破坏，使得土体内部的联结强度降低，因此桂林红黏土的力学强度及弹性模量明显降低。

目前已有研究多为单一离子侵蚀作用下的土体力学强度研究，而在实际工程中，重金属污染往往是多种离子复合侵蚀，因此目前有关铬锌复合侵蚀作用下红黏土的力学强度衰减幅度以及侵蚀机制仍有待深入探讨。本文以南宁红黏土作为研究对象，开展黏土矿物成分鉴定以及不固结不排水三轴压缩试验，定量分析铬锌复合侵蚀作用下南宁红黏土的抗剪强度衰减幅度，探讨黏土矿物成分含量的变化规律，研究铬锌复合污染对南宁红黏土的侵蚀机制。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验所用红黏土取自南宁市某工地，为上更新统残积层(Q3el)，土体呈棕红色，取土深度约为地下5 m，以确保红黏土未受重金属污染。土体基本物理性质见表1。污染物采用分级纯级别的六合水硝酸锌晶体[Zn(NO3)2·6H2O]及九水合硝酸铬[Cr(NO3)3·9H2O]与去离子水配制而成。

表1 南宁红黏土基本物理性质表

1.2 试验方法

根据三轴试验试样预设的体积(直径39.1 mm×高度80 mm)、干密度(1.4 g/cm3)、初始含水率(30%)以及污染液浓度(重金属离子质量/土质量=0%、0.25%、5%、1%)，称量合适质量的Zn(NO3)2·6H2O以及Cr(NO3)3·9H2O，加入适量去离子水，调配成铬锌混合溶液，溶液中Zn2+与Cr3+的质量比为4∶5。调配完成的混合溶液静置24 h待其充分稳定。

将取回的红黏土风干、碾碎，过2 mm筛后测试其风干含水率备用。将充分稳定后的污染液均匀分层喷洒在土样中，充分搅拌后上覆保鲜膜，置于室温恒湿(空气湿度>90%)的环境下养护48 h，以便于重金属与红黏土充分反应。然后按照《土工试验方法标准》(GB50123-2019)制取三轴试验试样，并且每个浓度制取三组样，用于平行试验。根据《土工试验方法标准》(GB50123-2019)进行不固结不排水三轴压缩试验。三轴压缩试验完成后，取围压100 kPa条件下剪切破坏的1个试样，风干、碾碎并过0.075 mm筛分成两份，分别进行X射线衍射(XRD)试验以及X射线荧光光谱分析(XRF)试验。

2 试验结果

2.1 红黏土的抗剪强度

根据三轴压缩试验所得数据以及相应的计算方法得到轴向应变(ε1)与偏应力(q)的关系如图1所示。

(a)100 kPa

由图1可知，随着铬锌复合侵蚀浓度的升高，抗剪强度也随之衰减。各个浓度的偏应力差别显著，说明铬锌复合侵蚀作用对红黏土的力学强度影响不可忽略。在100 kPa的较低围压条件下，当铬锌复合污染浓度从0%变化至0.25%的浓度条件时，红黏土抗剪强度明显变低。为了进一步比较红黏土抗剪强度的变化，现将ε1=15%时的q值作比较，所得结果如图2所示。

图2 抗剪强度变化趋势图

由图2可知，经铬锌复合侵蚀前后红黏土的抗剪强度衰减幅度为14.49%～69.17%不等，其中复合侵蚀浓度从0%上升至0.25%且100 kPa围压条件下的抗剪强度降幅最大。总体上，随着浓度的升高，抗剪强度的衰减趋势相同，不同围压条件下的抗剪强度衰减幅度相差不大。根据红黏土的胶结理论，红黏土中含有大量的胶结物。这些胶结物为土颗粒提供了一定的联结效应，为红黏土提供了良好的结构强度。导致红黏土抗剪强度明显衰减的主要原因是铬锌复合侵蚀作用导致红黏土的胶结物以及黏土矿物溶蚀，土颗粒间的联结作用遭到破坏，微观结构强度部分丧失[4][7]。

当污染浓度从0%上升至1%，单一锌污染条件下红黏土抗剪强度衰减幅度最大值为60%[7-8]，而在三价铬离子存在的条件下，红黏土抗剪强度的衰减幅度甚至接近70%，可见高价离子使得红黏土抗剪强度的衰减幅度更大。这主要是由于铬锌复合溶液中存在水解反应(见式1)，产生H+，而三价铬离子的存在导致水解反应增强，H+含量较单一锌污染溶液中的要高，因此红黏土的胶结物以及黏土矿物遭受的溶蚀作用更强，进而使得铬锌复合侵蚀条件下红黏土的抗剪强度衰减幅度更大。

(1)

2.2 黏土矿物的异变现象

为了进一步阐释铬锌复合侵蚀对红黏土力学强度的影响机理，本文运用XRF试验以及XRD试验对红黏土进行了矿物分析，试验结果如表2与图3所示。

表2 各组红黏土主要化学成分表

图3 X射线衍射图谱示意图

图3的衍射图谱中，7.141 5 Å、4.469 4 Å、3.579 5 Å为高岭石的衍射峰，其中7.141 5 Å为高岭石的d(001)峰；4.253 7 Å、3.342 4 Å、1.817 8 Å为石英的衍射峰，4.183 7 Å、2.676 0 Å、2.456 9 Å为针铁矿的衍射峰，其中4.183 7 Å为针铁矿的d(001)峰。根据三峰法可定性判断红黏土中的主要矿物成分为高岭石、石英、针铁矿。随着铬锌侵蚀浓度的增大，高岭石、针铁矿、石英的衍射峰均未产生偏移，根据双电层理论，这说明铬、锌离子并未嵌入晶格面，发生离子交换反应，晶层间距未发生明显变化。但是高岭石以及针铁矿的d(001)峰峰值强度明显降低，可见高岭石与针铁矿受到铬锌复合侵蚀的影响更大。

由表2可知，随着铬锌复合侵蚀浓度的增大，主要有Al2O3、SiO2、Fe2O3含量发生了明显的变化，这三种化学成分均为高岭石[Al2Si2O5(OH)5]、针铁矿[FeO(OH)]、石英(SiO2)的组成元素，可见主要是这三种矿物发生了化学反应。引入鲍格法，根据矿物和氧化物的相对分子质量计算不同铬锌侵蚀作用下红黏土三大矿物成分的含量，其中高岭石、针铁矿、石英、Al2O3、Fe2O3的相对分子质量分别为258、89、60、102、160。以素土为例，计算过程如下：

偏差：100%-(69.308%+10.551%+19.623%)=0.519%

计算结果与实际结果间的偏差为其他矿物引起的，但偏差较小，说明此方法可用于铬锌复合侵蚀作用下红黏土的矿物成分定量分析。同理计算其他侵蚀浓度下的矿物成分含量，得到结果见表3。

表3 黏土矿物成分变化表

由表3可知，三种黏土矿物成分含量的变化十分显著。这是由于在铬锌复合侵蚀作用下，红黏土中的黏土矿物以及胶结物与铬锌复合污染液中的离子发生了化学反应，导致黏土矿物和胶结物溶解，因此高岭石、石英、针铁矿的含量显著降低。三大黏土矿物与铬锌复合污染液中的离子发生的化学反应见式(2)。

3 结语

(1)铬锌复合侵蚀作用下，红黏土的抗剪强度随侵蚀浓度的上升而衰减，且铬锌复合侵蚀作用较单一离子的侵蚀作用更强，相应的抗剪强度衰减幅度也越大。

(2)红黏土抗剪强度衰减的主要原因是污染液中的重金属离子发生水解反应，导致溶液呈酸性，当土中掺入污染液时，胶结物以及黏土矿物溶蚀，土体结构破坏，因此抗剪强度降低。

(3)红黏土中遭受溶蚀作用的黏土矿物主要为高岭石、针铁矿、石英，这三种黏土矿物的含量均随侵蚀浓度的增大而降低。