富里酸对红黏土液塑限的影响及其微观机制

蒋为平，何木

（广西壮族自治区桂林水文工程地质勘察院有限公司，广西桂林 541002）

1 引言

红黏土是碳酸盐岩在湿热气候条件下经历了一定红土化作用而成的一种富含铁、铝氧化物胶结的黏性土[1-2]，在我国的广西、贵州等地有着广泛的分布，一般具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特点[3]。液塑限是黏性土重要物理性质指标，国内外许多学者对黏性土的液塑性进行了广泛研究。

腐殖质是动植物残体经微生物分解、转化而形成的一种多呈棕黑色、亲水、无定形、酸性的有机物质，广泛分布于土壤中，主要成分为腐殖酸和富里酸。根据溶解性差异，腐殖质分为腐殖酸、富里酸和胡敏酸3 类。这些物质是一类有机高分子物质，具有弱酸性。学者对腐殖质对泥炭土强度、红黏土水泥土、泥炭土强度的影响进行了研究。关于腐殖质对黏性土物理性质的影响研究鲜见报道，本文取富里酸粉末与红黏土质量比不同的样品分别和蒸馏水进行混合并浸泡，并对浸泡试样进行液塑限试验和矿物成分分析试验，探讨富里酸对桂林红黏土液塑限的影响规律。

2 试验方案

2.1 原材料

试验所用红黏土取自广西桂林雁山镇某工地，取样深度为1～3m，土样呈红褐色，为硬塑～可塑状态。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》，试验室内测得原状红黏土天然含水率25%～31%，天然密度1.71 g/cm3，土样颗粒相对密度2.71，液限51.2%，塑限22.7%，比表面积75.1 m2/g。采用筛分法和密度计法测得土样经风干粉碎后土颗粒级配曲线，试验结果如图1 所示。

图1 红黏土颗粒分布曲线图

由图1 可知，d50=0.34 mm（d50为在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的50%的粒径），d90=1.8 mm（d90为在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的90%的粒径）。土样矿物成分经X 射线衍射仪（X' Pert PRO Powder,PANalytical,Netherlands）测试结果如图2 所示（θ 为衍射角）。

图2 红黏土XRD谱图

从图2 可知，红黏土试样的主要矿物成分以石英为主，黏土矿物主要为高岭石、三水铝石和伊利石。

试验所用富里酸购自上海笛柏化学品技术有限公司，样品为棕褐色粉末。试验所用水均采用实验室室内烧制的蒸馏水，经测试烧制的蒸馏水pH 为6.2～6.5。

2.2 试样制备

前人研究表明，桂林红黏土有机质含量为0%～8%。试验方案设定富里酸粉末与红黏土质量比（m富/m红）分别为0%、2%、4%和6%。将现场取的红黏土试样经室内风干，捶碎过5 mm土壤筛，测定风干土样含水率。分别称量12 份风干红黏土试样，每份红黏土质量800 g，按照前面设定的富里酸粉末与干红黏土质量比，每个质量比分别称量3 份质量相同的富里酸粉末，即共称量12 份。然后将富里酸与风干红黏土试样充分混合后装进玻璃杯，按2 倍红黏土天然液限称取蒸馏水，添加到混合物中并充分搅拌均匀，用保鲜薄膜封盖玻璃杯口。混合物浸泡时间分别设定为7 d、14 d 和21 d，浸泡期间不定时搅拌混合物，以使红黏土与富里酸溶液充分反应。达到浸泡时间设定点，将混合物取出，室内风干、捶碎，过0.5 mm 土壤筛。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》，称量过0.5 mm 风干粉碎红黏土试样200 g，分成3 份，分别装进3 个盛土皿中。按照含水率25%、30%和40%分别添加不同质量的蒸馏水，调成均匀土膏，放入密封的保湿缸保湿24 h，以备液塑限试验用。

2.3 试验过程

按照GB/T 50123—2019，液塑限测定试验选用GYS-2 型液塑限测定仪进行。试验过程如下：（1）将配备好的土样用调土刀充分调拌均匀后，密实地填入盛样杯中；（2）通过不断压实使土样中的空气逸出；（3）利用刮土刀将盛样杯口土样刮平，并将盛样杯放在液塑限测定仪底座上；（4）取出测试用的圆锥体，安装到液塑限测定仪上，并沿圆锥体锥尖表面涂上薄层凡士林，调节盛样台底座升降按钮，使圆锥体尖刚好接触土体表面；（5）开启启动按钮，经5 s 后测定圆锥体下沉深度，取下盛样杯，小心挖去锥尖附近处凡士林，取圆锥体附近土样测定土体的含水率，并对部分取出的试样采用液氮冻干法进行冷冻干燥，为矿物成分测试和扫描电镜测试制样。

3 试验结果

根据试验中测得的圆锥体入土深度和土样含水率，以含水率为横坐标，圆锥体入土深度为纵坐标，在双对数坐标轴下绘制两者关系曲线，得到土样的液塑限指标值。富里酸含量和浸泡时间对土体液塑限影响如下。

3.1 富里酸含量对红黏土液塑限影响

不同浸泡时间下，富里酸溶液对红黏土液、塑限的影响曲线如图3 所示。

图3 富里酸含量对红黏土液、塑限影响

由图3 可知，不同浸泡时间下，不同含量的富里酸溶液均使红黏土液、塑限均随富里酸粉末与红黏土质量比的增加而减小。当m富/m红=6%时，浸泡14 d 后，液限降低最大，降幅约26.9%，富里酸溶液使红黏土塑限随m富/m红增大先减小，后增大；当m富/m红=4%时，浸泡14 d 和21 d 后，分别降低20.2%和28.8%，后逐渐增大；当m富/m红=2%时，浸泡7 d 后，降幅约25.1%，然后塑限随富里酸含量增大而增大。

3.2 浸泡时间对红黏土液塑限影响

浸泡时间对红黏土液、塑限影响规律如图4 所示。

图4 浸泡时间对红黏土液、塑限影响

由图4 可知，当m富/m红=2%、4%和6%，浸泡14 d 时，液限降幅分别为22%、24.2%和28.1%；然后液限随浸泡时间增加而增加。当m富/m红=2%、6%时，塑限分别增加20%和9.7%，然后随浸泡时间增加而减小。当m富/m红=4%时，塑限随浸泡时间增加而降低。

4 机理分析

土体液、塑限主要与黏土矿物成分和含量有关。黏土矿物一般粒径小，比表面积大，土颗粒带电荷多，易在土粒表面形成较厚的水膜，提高土体的液限、塑限。富里酸是有机酸高分子混合物，含有羧基、羟基等官能团，其水溶液呈弱酸性，能够与土体中矿物发生化学反应。通过对浸泡前后红黏土试样进行X 射线衍射测试分析，所得衍射图谱如图5 所示。

由图5 可知，原红黏土主要矿物成分为石英、高岭石、伊利石、三水铝矿等。经过不同质量比的富里酸溶液浸泡后，高岭石、伊利石、三水铝石矿物衍射峰明显减弱，表明这些矿物的含量减少。土样液、塑限主要与这些黏土矿物含量有关，因此，液、塑限减小。当m富/m红=4%时，高岭石、伊利石和三水铝石谱峰的谱线比m富/m红=2%时弱，比m富/m红=6%时强。因此，m富/m红一定时，液限随浸泡时间增加先减小后增加。

通过观察土体经不同富里酸含量（0%、2%、4%和6%）浸泡14 d 后的扫描电镜图片可知，在没有添加富里酸情况下，红黏土试样土颗粒多呈片状结构，颗粒形状清晰可见。土样经不同含量富里酸浸泡后，其土颗粒骨架形貌变得比较模糊多样化，土颗粒之间的接触方式多为边—面或面—面接触形式，土体孔隙增多。这主要是由于土体中的高岭石、伊利石、三水铝石矿物等矿物被富里酸溶液溶解所致。这些矿物能够吸水，提高土体的液限，因此，土体的液限降低。已有研究表明，富里酸在土颗粒表面的吸附随pH 降低而增大。因此，介质pH 越低，富里酸对土体的吸附量越大，土体中的可溶矿物就会发生溶解，从而其液限降低，塑限升高；随着浸泡时间的增加，多余的富里酸溶液会通过吸附作用吸附在土体骨架上和充填于空隙中，而富里酸溶液具有胶体特性，会吸附水，从而导致土体的液限升高。

5 结语

桂林红黏土主要矿物成分为石英、高岭石、伊利石、三水铝石等。富里酸是一种有机酸，能够溶解土体矿物，从而影响土体的液塑限。浸泡时间一定时，土体液限随富里酸与红黏土质量比（m富/m红）增大而减小；塑限随富里酸与红黏土质量比先减小后增大。当富里酸与红黏土质量比（m富/m红）一定时，土体液限随浸泡时间增加而减小后增大；塑限先增大后减小。