酸蚀-冻融循环耦合作用下红黏土力学特性与微观机理研究

2023-11-13彭成胡泽源王东星刘宵凌莫彪傅中志

铁道科学与工程学报 2023年10期

彭成，胡泽源，王东星，刘宵凌，莫彪，傅中志,

(1.南华大学土木工程学院，湖南衡阳 421000；2.南京水利科学研究院，江苏南京 210000；3.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏南京 210000)

在我国的西部及东北地区，存在着大量的冻土地区，约占我国陆地面积的43%[1]。事实上，除了上述寒冷地区，即使在我国的中东部地区，也可能会发生冰雪灾害等极端恶劣天气。反复冻融会改变土的结构和土颗粒间的联结状态，从而导致土体力学性质发生改变[2]。随着国家大面积进行基础建设项目的开发，许多寒区建筑项目的实施均面临着土体冻融损伤的问题。此外，土体长期经受酸雨、生活与工业废水等影响，则会处于酸性环境之中，导致土体发生一定程度的劣化损伤，我国许多地方都面临着严重的环境污染问题[3]。目前有许多国内外学者对冻融循环引起土体力学性质变化进行了深度的研究，土体在经历冻融循环后，其强度[4-7]、粒度成分[8]、弹性模量[9]与应力-应变关系[10]等方面产生了不同程度的影响。有的学者[10-11]对土体进行三轴试验，进一步研究了冻融循环对土体力学性质影响的规律。同时，也有通过电镜扫描(SEM)试验研究土体在冻融作用下微观结构的改变。试验发现冻融循环作用破坏了土的原始胶结结构，增大了土样的孔隙比[12-13]，在冻融循环过程中产生了贯穿的孔隙和裂缝，从而影响了土体的强度[14]。对于水化学作用对土体强度的影响，国内外学者进行了较多的研究，也取得了一定的成果。文献研究表明酸性溶液会对土体的强度[15-16]、孔隙比[17-18]、液塑限[19]和压缩量[20]产生影响，其中粉质黏土内碳酸钙类矿物的分解与再造是主导硫酸污染土塑性特性的一个重要因素[21]。综上所述，国内外在土体损伤力学、冻融循环以及化学腐蚀作用下的研究较多，并取得了许多有借鉴价值的研究成果，但在酸性水化学环境和冻融循环耦合作用下土体损伤机理研究方面并不多。为了更加清楚寒区工程土体的冻融与化学腐蚀对土体力学性质的影响，本文通过盐酸制备酸污染土，并制备三轴试样，对试样进行冻融循环实验、三轴固结不排水实验与电镜扫描实验，研究土体物理力学性质的变化规律和微观结构变化，对寒区及酸污染地区相关工程项目提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 酸溶液的选择与配置

以往学者研究酸溶液污染土时，常用的酸溶液配置有浓HCL和H2SO4，二者皆可造成建筑物地基土的损伤。考虑到实验的操作性，选择使用浓HCL 配置酸溶液。已有研究表明[22]，在pH 值小于4 的水化学环境中，土体结构变形差异更为明显，故选择pH 为1和3的2组酸溶液。模拟不同的水化学环境，分别配置出pH 为1和3的2组酸溶液，同时选取蒸馏水(pH=7)溶液进行对照。

1.2 试样制备

试样取自湖南某地的红黏土，经过一系列土工实验，测得红黏土的各项物理性质如表1所示。

表1 红黏土物理性质Table 1 Physical properties of red clay

取3 组5 000 g 的红黏土，分别将700 g 的酸溶液和蒸馏水喷洒在红黏土里混合，密封后在常温常压下等待其反应20 d，反应完成后将土样取出，此时测得土样含水率为18%。按照土工试验规程[23]，将其制成直径 3.91 cm，高8.0 cm 的圆柱体试样，每组溶液制备15 个试样，分3 组共制备45个试样，将制备好的试样用保鲜膜包裹后放入试样养护箱养护14 d，并做好记录。

1.3 试验方法

将制作完成的试样放入微机全自动混凝土慢速冻融试验设备中进行冻融试验。设置冻结时的温度为-20 ℃，持续12 h；融化时的温度为20 ℃，持续12 h，1 次冻融循环周期为24 h。根据以往学者的研究表明[8]，冻融循环10次后，红黏土的强度变化幅度较小，故设定0，1，3，5，9次冻融循环次数，重点研究10 次以内冻融循环作用对红黏土力学性质的影响。试样编号如表2所示。

表2 红黏土试样编号设计Table 2 Red clay sample numbering design

完成冻融循环实验之后，将试样进行CU(固结不排水)实验，三轴实验仪器选用TSZ-1 全自动三轴仪，采用100，200 和300 kPa 共3 种围压。设置加载速率为0.8 mm/min，实验过程中轴向应变达到20%时停止实验。

2 试验结果及分析

2.1 应力-应变特性

经过三轴实验绘制了300 kPa 围压下，不同冻融循环次数的应力-应变曲线，如图1 所示。从图中的应力-应变曲线中可以看出冻融循环对红黏土的力学特性有较大影响，同一pH 值情况下，经历的冻融循环次数越多，土体偏应力往往越小。

图1 红黏土试样的应力-应变曲线(σ3=300 kPa)Fig.1 Stress-strain curves of red clay under different freeze-thaw (confining pressure is 300 kPa)

从图1(a)，1(b)和1(c)可以看出，在应力-应变曲线的初始阶段，即轴向应变在5%以内时，随着轴向应变的增加，偏应力的增长较快，呈现出线性增长的趋势。而在轴向应变达到5%之后，酸性环境下的土体在未受冻融或初次冻融时，偏应力随着轴向应变的增大而减小。

在用蒸馏水制作红黏土试样时，因为土体本身没有经受盐酸污染，试样的应力-应变曲线为应变硬化型，即偏应力随着轴向应变一直增加，即使达到峰值后并未降低；而在遭受盐酸污染后，可以看出试样的应力-应变曲线由应变硬化型过渡到应变软化型，即偏应力达到峰值后随轴向应变的增加逐渐减少。由图1(d)可知，Z1-0的土体试样较Z7-0与Z3-0的土体试样，其软化特性更为明显，说明酸溶液浓度的提升可以加速红黏土的软化特性。酸性环境下的土体在经历冻融循环作用后，其应力-应变曲线的形态发生了明显改变，软化特性逐渐减弱，逐渐转变为应变硬化型。

2.2 抗剪强度

根据应力-应变曲线，绘制出试样的抗剪强度随pH 值以及冻融循环次数的变化关系，如图2所示。

图2 红黏土抗剪强度与冻融循环与关系Fig.2 Relationships between freeze-thaw cycles and shear strength of red clay

抗剪强度取值参照应力-应变曲线关系得出，选择偏应力峰值(应力-应变曲线为应变软化型)或者15%轴向应变所对应的偏应力值(应力-应变曲线为应变硬化型)为抗剪强度值。由图2(a)所知，在300，200 和100 kPa 3 种不同的围压下，红黏土的抗剪强度均随冻融循环次数的增加而逐渐下降，初次冻融循环就对红黏土的承载能力产生了较大的劣化作用。在5次冻融后，红黏土的抗剪强度下降达到了40%以上，而在5 次与9 次冻融循环间只下降了约10%的抗剪强度，说明在5次冻融循环之前，抗剪强度的下降幅度较大，而在冻融循环5次之后，红黏土的抗剪强度下降幅度逐渐变小。在冻融循环的过程中，水的形态变化是造成红黏土抗剪强度变化的根本原因，在水冻结成冰时产生的冻胀力会对土的颗粒骨架造成破坏，对土体的强度造成影响。

由图2(b)所知，在酸性溶液反应的红黏土试样抗剪强度小于在蒸馏水溶液反应中的试样，且随着酸性浓度的增加而降低。不同pH 值试样随着冻融循环次数的增加，抗剪强度降低的幅度存在着差异，经历9 次冻融循环后，pH=7 的试样与pH=1和pH=3 的酸性环境下反应的红黏土试样，抗剪强度分别下降了36%，54.5%和51.5%。说明酸性环境会在冻融过程中加剧红黏土的劣化程度，溶液酸性越高，红黏土的抗剪强度下降幅度更大，劣化程度越明显。在酸性溶液的侵蚀下，土体中的胶结物受到破坏，从而削弱了土体颗粒间联结状态，降低了土体的强度。

2.3 变形模量

采用文献[15]中的计算方式确定变形模量，即取最大偏应力一半时的偏应力与其所对应的应变的比值作为变形模量，绘制出不同酸性环境下试样的变形模量随冻融循环的关系，如图3所示。

图3 变形模量-冻融循环关系Fig.3 Relationships between deformation modulus and freeze-thaw cycle

由图3可知，红黏土的变形模量随冻融循环次数增加逐渐下降，且在5次冻融之后，变形模量下降的幅度明显减缓，出现了较稳定的趋势，在多次冻融循环后，3 种不同pH 值环境下的红黏土的变形模量逐渐一致。

对图3 的数据进行非线性拟合，得到如图4 所示曲线。

图4 变形模量-冻融循环拟合曲线Fig.4 Deformation modulus-freeze-thaw cycle fitting curves

由图中拟合曲线可得到不同pH 值溶液下红黏土的变形模量随冻融循环次数的变化规律函数，如式(1)：

其中：待定参数A，t，k与相关系数R2的取值如表3所示。从图4可以看出，相同pH值环境下，红黏土的变形模量随冻融循环次数的增加呈指数型减少。

表3 参数A，t，k和R2的取值Table 3 Values of parameters A,t,k and R2

2.4 抗剪强度指标

通过黏聚力的分析可以看出土颗粒之间的胶结情况，内摩擦角的分析则可以看出土颗粒之间的摩擦和咬合作用。图5 为不同pH 值环境下红黏土黏聚力、内摩擦角与冻融循环次数的关系。

图5 不同pH值下抗剪强度参数与冻融循环关系Fig.5 Relationship between shear strength parameters and freeze-thaw cycles at different pH values

如图所示，红黏土的黏聚力随冻融循环次数的增加逐渐下降，同一冻融次数下，红黏土黏聚力随溶液pH 值的降低而降低。初次冻融循环就会使红黏土黏聚力大幅下降，而在5 次冻融循环后，下降的趋势逐渐变缓；随着冻融循环次数的增加，试样的内摩擦角变化规律不明显，但总体上有着减小的趋势，溶液pH 值的减小也会降低土体内摩擦角。

2.5 微观结构

土体的微观结构是影响土体工程性质的本质因素，为探究红黏土在酸性环境以及冻融循环作用后的微观结构情况，取试样中部土样为扫描样品进行电镜扫描试验，分别获取了100，200，500，1 000，2 000倍5种不同放大倍数的图像，选取具有代表性的微观图片如图6所示。

图6 土样的微观结构Fig.6 Microstructure of soil samples

从图6(a)和6(b)可以看出，原状土样较为密实，表面较为光滑，土体内的孔隙与裂隙较少，土骨架颗粒多以凝块状为主。随着酸的侵蚀，土样表面变得粗糙，此外土样颗粒开始分散，孔隙与裂隙变多，如图6(c)和6(d)所示。通过高彦斌等[21]研究发现，土体孔隙中酸溶液pH 值变化以及土中非黏土矿物的分解与再造是导致的土体结构变化的重要原因。酸溶液会逐步侵蚀红黏土颗粒之间的钙质胶结物，同时与红黏土中的氧化物和有机质反应，红黏土之间的孔隙随着酸蚀强度的增强逐渐增大，导致红黏土的孔隙比变大，因此造成土颗粒基本骨架的破坏，从而影响红黏土的强度。

从图6(e)，6(f)，6(g)和6(h)可知，经历冻融循环作用后，土体中的裂隙进一步延伸，孔隙明显增多变大，颗粒之间的接触方式从面与面接触逐步变为点与面的接触，土样的孔隙比进一步增大，从而导致红黏土的承载能力降低。这与叶万军等[13]从微观角度的研究结果一致。冻融循环对土体产生破环的主要原因是由于土体之间的水分，冻融会使土体中的水从液态变为固态，再从固态变为液态，而在冻结过程中会产生出冻胀力，从而增大了土体内的孔隙体积，同时这种冻胀力会降低土体颗粒之间的联结作用，对土颗粒骨架产生破坏；而在温度升高后，土体内的冰逐渐融化，水分在孔隙之间更容易迁移，如此反复就会导致土体劣化程度逐渐增大。