酸性物质对黄土压缩变形特性的影响

唐斌鹏

（广西路建工程集团有限公司，广西南宁 530001）

0 引言

黄土沉积物主要由细沙和黏土组成，富含碳酸钙。黄土由于具有松散多孔、垂直节理发育和水敏感性等性质，导致黄土力学性能较差，会对黄土地区的建设项目施工造成一定的困扰［1］。同时，黄土地区容易出现一系列黄土天灾和次生灾害，如滑坡。黄土在外力作用下表现出的可压缩性，是指其在压力下压缩变形并缩小体积的能力［2］，即黄土的变形和强度特性，它通常关系到建筑的稳定性和安全性。随着城市化和工业化程度的提高，工厂生产过程中产生的酸性和碱性废水会改变土壤的物理和力学性质［3］，会对生态环境造成严重污染。这种污染涉及土壤和污染物之间复杂的化学反应，改变了土壤在不同环境中的性质。其中，酸性污染会导致许多问题，例如会引起土壤结构变化，使建筑地基发生凸起现象。同时，酸性污染物主要来自金属浸出、石油精炼、造纸工业和染料厂［4］，化学污染物渗入地下，可能导致地基变形，并且酸会与黄土中的碳酸盐材料发生剧烈反应，产生盐、二氧化碳和水。黄土中的碳酸盐材料主要影响其化学性质，当酸性物质进入黄土时，黄土的压缩变形特性会发生变化［5］。

基于此，本研究以不同盐酸浓度和不同浸泡时间的压缩性能为研究对象，研究不同盐酸浓度和不同浸泡时间下黄土在压缩室中的压缩性能，并借助扫描电子显微镜研究酸性物质对黄土孔径的影响和酸性物质对黄土压缩性能的影响，可为黄土地区的施工提供参考。

1 材料和方法

1.1 试样制备

黄土取自某边坡坡脚，呈黄褐色，富含垂直节理，天然含水量低，均匀性好，压实度高。土壤的比重、自然密度和含水量分别为2.68、16.5 kN/m3和17.6%。液体和塑性测量值为ωL= 31.3%、ωP=19.4%。所有原状黄土试样均采用现场标准环形切割机制作，直径为79.8 mm、高度为20 mm。对于在现场环境中制备的原状黄土环刀试样，用保鲜膜密封，置于密封箱中，并运输至实验室。

在实验室中对黄土试样开展以下试验：根据《土工试验方法标准》（GBT 50123—2019）中的要求，将采样点未受扰动的黄土环刀试样浸泡在盐酸溶液中，模拟正常实验室条件下的酸污染侵蚀试样。放入酸溶液中浸泡前，将试样包裹并编号。在试样的上下两侧分别粘贴中渗透性滤纸，并在试样底部和上部放入透水石。试样的最外部用耐腐蚀的聚丙烯布包裹，并用橡皮筋紧紧绑住。这样做的目的是让酸溶液能均匀地渗透到土壤试样中，确保土壤颗粒不会崩解和流失。试样浸泡溶液由等体积的蒸馏水和浓度为0.1 mol/L、0.5 mol/L、1 mol/L、2 mol/L 和3 mol/L 的盐酸溶液组成。浸泡时间分别为1 d、3 d、6 d、9 d、12 d，共试验30个试样。

1.2 压缩试验

压缩试验使用单杠杆三重高压固结仪，采用快速压缩法对酸蚀样品进行压缩，并在压缩之前对其进行称重。依次施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa的垂直法向应力，每个应力施加60 min，在每个加载间隔结束时读取位移（精度±0.01 mm）。压缩稳定性的标准是试样在2 h内的垂直位移小于0.002 mm。

2 结果与讨论

2.1 压缩曲线（CCC）

黄土经酸溶液腐蚀后，利用固结仪进行压缩，可进一步得到黄土e-logσ曲线，该曲线为酸蚀黄土的压缩曲线。试验结果如图1（a）所示：对于1 d的酸浸时间，不同酸浓度下的样品的初始孔隙比e不同，但随着酸浓度的增加（0～3.0 mol/L），试样的初始孔隙比e逐步增加，压缩曲线的位置变化表现出一定的规律性；酸浓度越高，压缩曲线的位置越高。随着浸泡时间的增加，不同酸浓度的样品压缩曲线之间的距离也逐渐变宽。图1（c）中的压缩曲线之间的距离明显大于图1（b）中压缩曲线之间的距离。对于相同的酸浓度，试样的压缩曲线位置随着浸泡时间的增加而升高。

图1 酸蚀黄土的压缩曲线变化

2.2 压缩指数Cc

压缩指数Cc的值可以根据压缩曲线中的斜率计算得出。以浸泡时间为12 d、酸浓度为3 mol/L为条件，计算压缩指数Cc值。根据该方法，剩余组试样（盐酸浓度分别为0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、2.0 mol/L 和3.0 mol/L，浸泡时间为1 d、3 d、6 d、9 d和12 d的Cc值见表1。

表1 不同酸侵蚀浓度和时间下黄土试样压缩指数Cc

从表1中的数据可以看出，对于在酸溶液中浸泡1 d的试样，随着酸溶液浓度从0.1 mol/L增至3.0 mol/L，其压缩指数Cc值从0.118增加到0.210，ΔCc为0.092，增长率为177.97%。对于在酸溶液中浸泡12 d的试样，随着酸浓度从0.1 mol/L增至3.0 mol/L，其压缩指数Cc值从0.351 增加到0.460；ΔCc为0.109，增长率为131.05%。从另一个角度来看，浸泡于酸浓度为0.1 mol/L的酸溶液中的试样，随着浸泡时间从1 d增加到12 d，其压缩指数Cc值从0.118增加到0.351，ΔCc为0.233，增长率为297.46%。浸泡于酸浓度为3.0 mol/L 的酸溶液中的试样，随着浸泡浓度从1 d 增加到12 d，其压缩指数Cc值从0.210增加到0.460，ΔCc为0.250，增长率为219.05%。压缩指数的增大可归因于酸浓度和浸泡时间耦合的结果。

为表征酸浓度和浸泡时间对黄土试样压缩指数变化的影响，对表1 中列出的压缩指数Cc值进行线性拟合，压缩指数值随酸浓度和时间变化如图3 所示，拟合方程见表2。从图2 中可以看出，试样压缩指数Cc与酸浓度之间的线性关系呈正相关。随着酸浓度逐渐增加，相应的试件压缩指数值（Cc）也呈正相关增加，方程拟合R2为0.811～0.952。试样的压缩指数Cc与浸泡时间之间的线性关系显示出正相关。浸泡时间逐渐增加（1 d、3 d、6 d、9 d、12 d），相应的压缩指数值（Cc）也呈正相关增加，拟合方程的R2为0.652～0.858。

表2 压缩指数、浸泡时间和酸浓度的线性拟合方程

图2 压缩指数值随酸浓度和时间变化

图3 压缩屈服应力变化曲线

2.3 压缩屈服应力σpc

压缩屈服应力σpc通常由压缩曲线与x 轴的交点确定，并可以进一步绘制压缩屈服应力、浸渍时间和酸浓度曲线。如图3 所示，不同酸浸泡时间曲线的形状相似。试样的压缩屈服应力值随着酸浓度的增大而减小，并且随着浸泡时间的增加，曲线的位置呈非线性降低趋势，表明试样的压缩屈服应力值由大变小，证明试样的压缩屈服应力值随浸泡时间和酸浓度的增大而减小。酸浓度越高，破坏黄土试样所需的应力值越低。

2.4 扫描电镜测试结果

原状黄土试样和强酸腐蚀试样（盐酸浓度为3 mol/L，浸泡时间为12 d）的微观示意图如图4和图5所示。从图4可以观察到，大量石英颗粒分布在未扰动的黄土中，黄土颗粒呈不规则的多边形，颗粒的表面相对平坦光滑，颗粒之间有不同大小的天然孔隙。黄土试样经酸蚀后可以明显看出（如图5所示），土壤试样表面存在较大的腐蚀孔隙和一些零星的小孔隙。与原状黄土相比，孔隙数量显著增加；石英颗粒表面有许多腐蚀孔和腐蚀坑；颗粒粒径变小，表面变粗糙。

图4 未受扰动的黄土的原始扫描电镜图像

图5 酸蚀黄土（放大500倍）的原始扫描电镜图像

为研究酸性物质对黄土孔隙特性的影响，在扫描电镜（SEM）测试后，使用PCAS 图像处理软件分析黄土样品的孔隙特性。导入样品的孔隙图像为原状黄土，并对样品的孔隙进行二值化处理。

土壤孔隙根据半径和微孔度分为以下4 种类型（0 μm〈R≤1 μm），小孔（1 μm〈R≤4 μm），中等孔隙（4 μm〈R≤16 μm）和大孔（R〉16 μm）。图6为试样孔隙特性变化，如图6 所示，酸蚀壤土的曲线高于原始壤土。在微孔范围内（0～1 μm），酸蚀壤土的微孔数量为149 个，原始壤土的微孔数为39 个。在小孔范围内（1～4 μm），酸蚀黄土的小孔数量为307 个，原始黄土的小孔数为49 个。在中孔范围内（4～16 μm），酸蚀黄土中的中等孔隙数量为1个，原始黄土中的中孔隙数量为0 个。大孔隙范围内，酸蚀黄土中大孔隙数量为3 个，原始黄土中大孔隙数量为0 个。可见，酸蚀黄土样品中的各种孔隙的数量都比原始壤土多，特别是微孔和小孔，表明酸性物质与土壤之间存在相互作用，这也表明了酸溶液和黄土质检发生了化学腐蚀反应，导致黄土土体内的少量可溶性物质减少，从而形成大量的小孔。当颗粒表面产生越来越多的小孔时，在酸性溶液及其自身重力的作用下，小孔之间的孔壁逐渐消失，导致小孔转化为较大的孔。

图6 试样孔隙特性变化

3 讨论

在本研究中，从酸可能影响黄土力学性质的角度出发，研究了酸浓度和浸泡时间对黄土压缩性的影响。在0 ～3 mol/L范围内选择了6种浓度盐酸，浸泡时间设定为1～12 d，并分别在1 d、3 d、6 d、9 d 和12 d 取出试样进行压缩试验。与原始黄土相比，酸蚀黄土的压缩性增强，增强程度与浸泡时间和酸浓度有关。

酸性溶液在黄土试样上部富集，酸性液体不断渗透结构表面，形成重力型渗流。渗流沿着结构表面流动，并侵蚀和运输结构表面中的填料微粒，从而持续疏通结构表面。随着颗粒咬合力的增强，结构面被部分穿透。此时，流动的水具有一定的强度，酸性液体具有一定的动能，开始侵蚀土壤，并逐渐侵蚀其结构表面。随着结构表面被完全渗透，在细颗粒不断运动的同时，结构表面中的粗粒填料也开始被侵蚀和输送。由于结构面的自由渗流空间不断扩大，水土作用模式已从淋滤转变为侵蚀。在酸溶液的侵蚀传输下，结构表面中的大量残余松散填料被填充，结构表面侧壁上未扰动的黄土土体开始暴露，酸溶液开始接触并侵蚀它。随着浸泡时间的增加，土壤强度逐渐降低，黄土中的大量可溶性盐开始被水溶解，侧壁孔隙进一步扩大，渗透性更强。此时，土壤结构受到严重破坏，导致黄土快速崩解和湿陷。同时，酸溶液的冲刷和侵蚀作用不断地侵蚀结构表面，一小部分解体的小颗粒被夹带并继续向酸蚀的深度和方向移动。同时，结构面的通道在垂直和水平方向上逐渐扩展，从而形成较长的黄土裂缝。一般来说，这一阶段的水土相互作用以侵蚀为主。

黄土中含有大量的盐和碳酸钙，当酸进入黄土时，会与这些物质发生化学反应。酸的浓度越大，浸泡时间越长，化学反应越充分，黄土中的盐和碳酸钙溶解得越多，黄土的孔隙逐渐变大。在本研究中，土壤压缩性在外荷载作用下增强，增强程度可能与酸腐蚀程度有关。研究结果可为酸污染地区地基土力学性质研究和工程施工提供参考。

4 结论

通过室内试验中对酸污染黄土试件进行压缩试验，探讨酸浓度和浸酸时间2个因素影响下黄土压缩曲线和压缩指数、屈服应力等压缩特性指标的变化，并获得了酸污染黄土和原始黄土标本的扫描电镜图像。根据测试结果和数据分析结果可以得出以下结论：初始孔隙率比值e随着酸浓度的增加而增大。酸蚀黄土的压缩曲线具有相似的变化特性，酸浓度越大，浸泡时间越长，压缩曲线的位置越高。压缩指数Cc与酸浓度呈正相关。压缩指数Cc随浸泡时间增加呈非线性增加趋势。

与原状黄土相比，酸蚀黄土中的微孔和小孔隙数量增加，颗粒之间不仅存在空隙，而且颗粒表面存在凹坑甚至小孔隙，以及大侵蚀孔洞。这些孔洞的出现可能与酸蚀黄土压缩指数、压屈应力降低有关，这也是酸蚀黄土压缩性增大的主要原因。