花岗岩红土游离氧化铁对其胶结特性影响的试验研究*

2023-07-26汤连生王玉玺孙银磊

工业建筑 2023年5期

汤连生王玉玺孙银磊

(1.中山大学地球科学与工程学院,广东珠海 519082; 2.广州理工学院建筑工程学院, 广州 510540;3.广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室(中山大学), 广东珠海 519082)

花岗岩残积土是我国南方地区,尤其是东南沿海广泛分布的一种区域性特殊土,因其富含铁离子,土体多呈红色,故将其划分为红土大类。花岗岩红土具有很强的结构性,主要来源于土颗粒的排列及颗粒间的胶结。[1-2]胶结物的种类、含量及化学反应的变化对其力学性质的影响十分显著,[3-7]而这一切都反映在胶结作用的过程中。因此,胶结作用是决定花岗岩红土特殊力学性质的直接原因。[8]

土中充当胶结物的游离氧化物主要为氧化铝和氧化铁,两者相比,游离氧化铁对胶结强度的贡献远大于游离氧化铝,[9-10]至于其他金属氧化物由于含量较小,且在土壤的弱酸环境中难以聚集成团形成胶结物,其产生的胶结作用力基本可以忽略不计。因此,土的胶结强度主要受铁质胶结物含量所控制,[11]研究土中铁质游离氧化物含量变化对测定土胶结强度改变具有重要意义。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[12]的定义,将土中的游离氧化铁(可由米拉·杰克逊法测得)分为无定型游离氧化铁(可由达姆试剂法测得)和晶态游离氧化铁(由两者相减求得),其中“晶态游离氧化铁占氧化铁总量的90%以上”[13],“对游离氧化铁的胶结作用占主导地位”[14]。孔令伟团队采用浸没法和浸出法进行了试验,结果表明游离氧化铁的去除可以明显改变土的物理指标和力学性质。[15-18]程昌炳等通过盐酸淋溶土中的游离氧化铁,推断23.5%游离铁对应土的胶结强度为土体强度的6.86%。[19]文献[20-21]报道的相关试验也有相同结论。王清团队通过向土样中添加氢氧化铁胶体,研究土体强度的变化,证明胶结强度与添加的胶结物含量存在线性关系,为胶结强度的线性回归分析提供了理论支持。[22-23]

基于上述研究,将通过室内试验间接测定去胶结物前、后胶结强度的变化,并与去除胶结物含量相对应,建立强度与胶结物含量曲线,结合线性回归手段反推原状土的胶结强度,通过分析胶结强度的主控因素,建立多元胶结强度计算式,用于直接求取土的胶结强度。

1 土样性质及盐酸去铁试验

1.1 土样基本特性

选定广州东北部梅花园、岑村及燕塘作为采样点(编号分别为MHY、CC及YT),以上地区母岩全为燕山二期花岗岩,分别选取上述三个地区典型的花岗岩残积土新鲜剖面进行取样,其基本物理力学指标见表1。

表1 基本物理力学指标Table 1 Basic physical and mechanical indexes

对所取的三种花岗岩残积土样品进行X射线衍射测试,分析其矿物组成特征,得到三种花岗岩残积土的X射线谱图如图1。

a—MHY; b—CC; c—YT。石英;高岭石;长石;伊利石; 铁氧化物。图1 三种花岗岩残积土X射线谱Fig.1 XRD results of three kinds of granite residual soil

1.2 盐酸去铁试验

土中的游离氧化铁被去除后,土体的强度会发生改变,此时土体强度的变化来源于胶结物质的缺失导致的胶结强度下降,即土体强度的减小部分正是其去除的胶结物对应的胶结强度,数值上表达为去除胶结前、后土体强度的差值。其关系如式(1)所示:

Ps=τ0-τf

(1)

式中:Ps为胶结强度;τ0为去除胶结前土体的抗剪强度;τf为去除胶结后土体的抗剪强度,试验采用100 kPa下试样直剪的抗剪强度。

在保持原状土不受扰动及含水量不变的情况下,土体强度变化来源于胶结强度的改变,通过测量去胶结物前后土样的强度差异可以推算出土的胶结强度。基于此,开展了去除土样胶结物的淋溶试验及胶结物含量变化测试并测量了去除胶结前、后土样抗剪强度的变化。

1.2.1试验流程

试验时,将3种样品各分成6组,1组用作对比(编号Ⅰ),剩余5组进行淋溶试验(Ⅱ～Ⅵ),其中淋溶液为3 mol/L的盐酸,淋溶液水头差为1 m,真空度维持在0.6个大气压,淋溶时间分别为2,4,6,8,10 d。淋溶完成后恢复土样的原始含水量(低温烘干至原始含水量并静置24 h,误差控制在±3%),测量各土样的抗剪强度(τ0,τf)与铁含量。将Ⅱ～Ⅵ试验结果与Ⅰ进行对比,得到不同铁含量对应的抗剪强度差值(即胶结强度),在此基础上研究游离氧化铁含量与土胶结强度的对应关系。

1.2.2试验说明

土样淋溶前、后的抗剪强度采用直剪仪进行测量,剪切方式为快剪。为了更为直观地反映土体强度数值上的变化,采用读取土样在某一固结压力下抗剪强度的方法,附加的竖向荷载始终保持为100 kPa。值得注意的是,无论附加的竖向荷载多大,只要在不扰动土体结构的情况下保持游离铁含量及含水量不变,其去胶结后的土体强度也会有相应的增减,而其差值即为胶结强度。因此为了试验的简便,仅就100 kPa附加荷载情况进行研究。

针对游离氧化铁含量变化展开胶结物含量测试,采用原子吸收光谱仪(ASS)通过铁含量作为控制指标,根据游离氧化铁占铁的质量分数来确定试验前、后游离氧化铁的含量变化。

2 试验结果分析

2.1 去胶结前后抗剪强度峰值变化分析

经过盐酸淋溶液的渗洗,土样抗剪强度出现了不同程度的降低,并且随着淋溶时间的长度不一,抗剪强度峰值降低的程度也不一样。土样去胶结前后抗剪强度峰值变化见图2。

MHY; CC; YT。图2 去胶结前、后土样峰值强度变化Fig.2 Changes in peak strength of specimens before and after leaching

由图2可知:三种土样CC、YT、MHY在去铁之前100 kPa下的抗剪强度分别为75,68,61 kPa。随着盐酸淋溶处理时间的增长,三种土样的抗剪强度都出现了不同程度的下降,且在第0～8 天的下降速率都接近于线性变化,而第8～10 天的抗剪强度下降速率明显小于前8 d的变化率。总体三个试样抗剪强度随淋溶时间的变化是呈现下降速率降低的趋势。

造成土样抗剪强度峰值降低的主要因素是土样中的游离态氧化铁与盐酸反应后,生成易溶于水的氯化物,并随着淋溶液排出土外。游离态氧化铁的流失破坏了土中的胶结状态,使得土颗粒间的联结作用力减弱,宏观上表现为抗剪强度的降低。随着淋溶时间的延伸,流失的游离氧化铁越来越多,抗剪强度也呈下降趋势。从图2可以看出:CC的土样表现出较高的抗剪强度,YT次之,最低为MHY,初步推测其强度的差异主要受控于含水量。

在保持土体原始结构及含水量不变的情况下,土的抗剪强度的差值等于淋溶试验中去除的胶结物所作用的胶结强度值。由图2可知:随着淋溶时间的增长,三种花岗残积土在100 kPa下的抗剪强度都逐渐减小,且抗剪强度的下降速率逐渐变缓,尤其是第8～10天时,抗剪强度减小速率明显变缓。同时,根据图2试验数据可以得出试验过程中不同淋溶时间内已去除的胶结物对应的胶结强度,结果见图3。图3中的数据及变化曲线主要反映了以下两方面问题:1)随着淋溶时间的延长,土样的抗剪强度差值(即对应胶结强度)明显具有增长趋势,幅度变化大小与土去除的胶结物含量有关,去除的胶结物含量越多,对应的损失胶结强度越大。2)随着淋溶时间的延长,对应胶结强度的增长速率呈现明显的放缓,以MHY为例,第3～6天去除的胶结物对应胶结强度大于1.40 kPa,而第7～8天胶结强度变化为1.18 kPa,第9～10天仅为0.57 kPa,其他两组土样亦具有同样的变化趋势,说明淋溶试验的起始阶段,容易与盐酸反应的铁质氧化物首先溶解,且反应速率很快,引起强度的快速下降,随着试验的进行,剩下的铁质氧化物越来越难溶解,反应速率逐渐变慢,被淋溶析出的氧化铁越来越少,因此胶结强度的变化趋势放缓。

MHY; CC; YT。图3 不同淋溶时间内已去除的胶结物对应的胶结强度Fig.3 Cementation strength corresponding to leached cements in different times

2.2 去胶结前、后土中游离氧化铁含量变化分析

经过淋溶试验,土样中的铁含量发生了变化,并随着淋溶时间的延伸,铁含量变化速率也产生相应的改变,通过原子吸收光谱仪(ASS)测得原始土样中铁含量及不同时间盐酸溶液淋溶去除出来的铁元素含量来获得土中铁的变化(表2)。并计算出试验前、后游离铁含量变化情况,结果见图4,相对含量为已去除的游离铁与原土游离铁含量的比值。

MHY; CC; YT。图4 已去除游离铁的土中铁的相对含量随淋溶时间的变化Fig.4 Relative contents of iron in soil removed free iron oxide with changes of leached times

表2 土中铁含量相对变化

从图4可见:随着淋溶试验的进行,土样已去除的游离铁含量呈递增趋势变化,即土样残余游离铁含量呈递减趋势变化,递减速率先快后慢,大体上与已去除胶结物对应的胶结强度的变化趋势相吻合。但总体看来,淋溶后胶结物的去除度偏低,这种现象的原因主要是土中存在的大量封闭孔,里面的游离铁没有与淋溶液接触,因而不能被析出。

另外,对比各土样的游离铁相对含量的变化程度,发现土样CC的胶结物相对含量变化最大,为32.79%,其次为土样MHY的31.96%,最小为土样YT,为27.81%,造成淋溶程度差异的原因一方面是土的淋溶系数不一样,另一方面是孔隙比的差异,CC土样的孔隙比为0.6,其孔隙体积小,存在的封闭孔的体积也小,因而淋溶效果较好,这就解释了去除程度不一的问题。

2.3 游离氧化铁含量与土体胶结强度关系分析

根据图3、图4的试验结果,可以建立游离铁含量(相对含量)与胶结强度的对应关系(图5)。其关系曲线为一上升曲线,即胶结强度与游离铁相对含量呈正相关,但其上升速率先小后大。这是因为随着淋溶试验的进行,易溶的离子态及凝胶态等在淋溶过程中被首先溶解,剩下的大部分为难溶的隐晶态及晶态。而易溶的离子态及凝胶态与难溶的隐晶态及晶态游离铁相比,其胶结程度较低,对胶结强度的贡献值也较低。因此随着试验的继续,被溶解的将主要为隐晶态及晶态游离铁氧化物,对应胶结强度也越来越高,所以其关系曲线的变化速率会越来越大。

MHY; CC; YT。图5 胶结强度与游离氧化铁含量(相对)关系Fig.5 Relations between cementation strength and relative contents of free iron oxide

为了求得全部铁相对含量对应的胶结强度,对图5的关系进行回归分析,得到三种土样各自的胶结强度与铁相对含量关系式。由图5可知:三种土样的胶结强度随铁相对含量的增加呈现接近线性增加的趋势,但是在铁相对含量为5%～15%和28%～33%时,胶结强度的上升斜率要小于15%～28%的胶结强度提高率。通过算式计算出100%游离氧化铁对应的胶结强度,对三种土样胶结强度与游离铁相对含量关系曲线的预测分析见图6。

MHY; CC; YT; 预测值-MHY; 预测值-CC; 预测值-YT。图6 胶结强度与游离铁相对含量关系曲线预测分析Fig.6 Prediction curves of cementation strength with relative contents of free iron oxide

对胶结强度与游离铁含量关系的回归式见表3所示,其结果具有明显的二项式特征,决定系数分别为0.98、0.97及0.97,属于强相关,因此其预测结果是比较合理的。根据关系式可知:土样MHY、CC、YT中全部游离氧化铁贡献的胶结强度分别为35.77,43.00,40.04 kPa。三者胶结强度占各自抗剪强度的比值大致相等,约为58%,超过土体强度的一半,说明花岗岩红土的胶结作用对于土的强度性质具有重要意义。

表3 试验成果分析Table 3 Analysis of test results

根据库仑强度理论,土体抗剪强度可由黏聚力和内摩擦角表述,假设土样黏聚力主要由胶结作用提供,则去胶结后土的黏聚力接近为零,其抗剪强度主要与内摩擦角相关。根据这种情况,去胶结后土样MHY、CC、YT的抗剪强度应该为42.32,54.48,42.69 kPa,但根据实测的胶结强度与原土直剪峰值强度的比较,去胶结后三者的剩余强度分别为24.96,31.41,28.82 kPa,前者明显偏大,说明去胶结后土样不仅黏聚力下降了,内摩擦角也发生了变化,其原因可能是胶结物质的去除导致土颗粒的紧密程度变低,从而导致内摩擦角的变小,降低土体强度。程昌炳以针铁矿胶结高岭土为对象,从胶结氢键数量及强度出发,测算出天然状态下高岭土胶结强度的理论值为39.9 kPa,[19]这一结果与试验结果能够较好地吻合,说明试验的结果是可靠的,其试验方法具有一定的指导意义。

2.4 胶结强度的影响因素分析

含水量及游离铁含量是影响和控制胶结强度的两个最主要因素。事实上,三种土样MHY、CC、YT的含水量不一样,对其的研究实质上也是在对不同含水量土样的研究。根据图5的试验结果,将游离铁的相对含量换算成绝对含量(绝对含量为游离铁与干土质量的百分含量),并研究胶结强度随其变化的规律,并绘制其变化曲线,相关结果见图7。

29.56%; 21.50%; 23.07%。图7 胶结强度与游离铁绝对含量关系Fig.7 Relations between cementation strength and absolute contents of free iron oxide

可以看出:不同含水量状态下土样的胶结强度是随游离氧化铁含量的增大而增大的,且其变化速率随含量的增大而加快。这是因为土颗粒间的胶结是以点接触形式存在,[24]游离铁含量越多,土颗粒周围联结的点就越多,其力学结构就更为稳定,而且游离铁含量的增多,除了作为土颗粒间的胶结物质外,胶结物之间也能相互胶结成为胶结物团聚,与单独的氧化铁包裹相比,具有更高的结构强度及稳定性,客观上增大了土的强度。

另一方面,在游离铁含量相等的情况下,含水量与胶结强度具有明显的负相关性,含水量越高,胶结强度越低。这是因为含水量的增大会导致土颗粒表面薄层水膜的增厚,减弱土颗粒与游离铁包裹的黏结作用,其次水的作用也会减弱游离铁包裹本身的紧密程度,使胶结作用减弱,直接导致土体强度的降低。

3 胶结强度算式的建立及分析

为建立适用于所有类型花岗岩红土的胶结抗剪强度式,有必要对影响胶结强度的因素进行分析。根据红土胶结物的性状,结合前人的研究成果,可知影响胶结强度的因素包括含水量[25-26]、胶结物含量(绝对含量)、温度、酸碱度[13]等,以上因素共同作用于土的胶结强度,使其力学性质极其复杂。但实际上工程项目持续时间不会太长,在这时段内,温度、酸碱度都比较固定,对胶结强度变化起主要作用的只有含水量及胶结物含量两个因素。因此,可以通过以含水量及胶结物绝对含量作为自变量,胶结强度作为因变量,通过二元回归分析,建立胶结强度算式。

由于研究的三组土样的含水量不相同,对其胶结强度的研究实质上是对不同含水量土样胶结强度的对比研究,因此根据图5的试验结果,将游离氧化铁相对含量换算成绝对含量,建立不同含水量下游离铁绝对含量与胶结强度的对应关系。同时由于游离铁去除得不完全,试验成果不能完成展示胶结强度的全部变化规律,所以为了提高回归分析的精确度,根据表3的胶结强度与游离铁含量关系式,分别测算游离铁相对含量为40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%时的胶结强度,并将游离铁相对含量也换算成绝对含量,将其与实测结果一起进行分析,建立起含水量、游离铁绝对含量与胶结强度的对应关系。

以含水量及游离铁含量(绝对含量)为自变量,通过二元回归方式,总结出胶结强度算式:

pc=-0.367 5ww+16.534 6wc+3.686 2

R2=0.95

(2)

式中:pc为胶结强度,kPa;ww为含水量,%;wc为游离铁含量(绝对含量),%;R2为决定系数。

应用时,只须先量测出土的含水量及游离铁含量,就能较为快捷准确地计算出花岗岩红土的胶结强度,免去了重复进行试验测定的麻烦,为非饱和土力学理论的研究及实际工程应用提供了一个新的切入点。应该注意到,该强度算式没有考虑温度及酸碱度等因素的影响,事实上,胶结强度除了受含水量及游离铁含量影响外,还受其余因素的控制,因此算式中的自变量不只有ww及wc。其余因素的影响主要体现在系数及常数项上,因此胶结强度算式应该具有式(3)的形式:

pc=K1ww+K2wc+K3

(3)

式(3)也是胶结强度理论算式的模型,其中的K1、K2及K3均与温度及酸碱度等因素有关。由于试验没有过多地涉及此方面的研究,且工程实践中温度及酸碱度等因素的变化较少,对胶结强度的总体影响不大,因此暂不作深入探讨,但应作为日后研究工作的重点内容。