牟春梅,韦瑜玺,张 岩

(桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院;b.广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541004)

0 引 言

桂林地区广泛分布的红黏土是由碳酸盐岩类岩石, 包括玄武岩、 花岗岩等, 在湿热气候下经风化后残积、 坡积形成的褐红色、 棕红色或黄褐色黏土, 具有孔隙大、含水量高、液塑限高等特点, 且结构性强, 存在上硬下软的成层分布特征。

对土体污染的研究和保护,欧美等许多国家自20世纪70年代就已开始,主要侧重于对废弃物填埋场及污染土处理等方面,并逐渐把电渗法和动电技术引入到污染土处理研究领域[1]。国内学者从20世纪80年代中期开展了一系列研究:文献[2-3]研究了红黏土受到有机质污染后其物理力学特性的变化规律;顾展飞等[4]以桂林红黏土为研究对象,对浸泡于不同浓度的HCl、 NaOH、 Fe(NO3)3和Al(NO3)3溶液中的试样进行固结实验; 顾季威[5]将坡积土和亚粘土土样浸没在废碱液中27天, 模拟福建某造纸厂对地基土的腐蚀过程; 赵莎等[6]对在不同浓度碱液中养护不同时间的贵阳红黏土进行物理力学指标的测定。 文献[7-15]也作了相关研究。

以上研究大多都是针对工业生产带来的污染。而本文的研究侧重于农业及生活垃圾、污水等污染红黏土。在农业上,化肥(尿素、 铵态氮肥)、 农药(钠盐制剂、 钾盐制剂)的不合理施用会导致土体碱化, 养殖场畜禽粪便利用率低且随意堆积也会导致土壤碱化; 生活中大量含有洗涤剂(洗衣粉、 沐浴露)的生活污水随意排放也是引起土体碱化的原因之一。 基于此, 围绕岩溶区污染红黏土工程地质性质变化规律这一课题, 选取具有代表性的桂林雁山地区红黏土作为试验土样, NaOH为碱类污染物, 考虑碱浓度(0、 4%、 8%、 12%)和养护时间(1、 7、 14 d)双因子因素,人工制备碱污染红黏土土样,对碱污染红黏土的力学性质开展试验,探究碱污染红黏土力学效应弱化的机理。

1 碱污染红黏土物理力学性质试验

1.1 土样及污染物的选取

土样取自桂林雁山地区, 取土深度1～2 m, 主要由更新世残积、 残坡积及冲洪积组成并经后期湿热化作用改造形成的高塑性黏土, 红黏土厚度为1～25 m, 其下伏岩性为厚层灰岩。 土样在阳光下自然暴晒风干,风干后含水率约为2%～3%,用木槌敲碎并过2 mm标准筛,放入密封塑料桶内备用。红黏土物理力学性质指标见表1。

桂林地区碱污染红黏土的污染物成分极其复杂,主要来自农药喷洒、化肥使用、农畜及生活污水等,这些污染物易导致土体碱化,考虑碱化过程是指交换性钠不断进入土壤吸收性复合体的过程,以及便于溶液的配制,本文选取常见的且具有代表性的氢氧化钠(NaOH)作为污染物,纯度大于等于96%,其他含有杂质较多的成分为碳酸盐,含量约为1.5%。

1.2 污染土样的制备

碱溶液的配制: 将纯度为96%氢氧化钠晶体分别配制成0、 4%、 8%、 12%的NaOH溶液(wB), 分装在不同的试剂瓶内, 贴上标签。

污染土样的制备: 将不同浓度的NaOH溶液分别与红黏土充分拌合后密封静置24 h, 使其充分反应,在室温条件下密封静置分别养护1、 7和14 d, 室内试验测定其实际含水率为29.0%～31.0%。 同一条件下的试样制备5个, 进行平行试验。

1.3 试验方案

将制备好的不同碱浓度、不同浸泡养护时间的红黏土试样,直接进行室内直剪试验和压缩试验,获取碱污染红黏土的抗剪强度指标与变形指标,探究不同浓度碱溶液、不同浸泡养护时间条件下红黏土力学性质的变化规律。

表1 红黏土基本物理力学性质指标

2 试验结果及分析

2.1 碱污染红黏土的直剪试验

2.1.1 抗剪强度的变化 强度变化试验是针对不同碱浓度(0、 4%、 8%、 12%)、 不同浸泡养护时间(1、 7、 14 d)的红黏土试样进行的直接剪切试验,分析研究不同浓度、不同浸泡养护时间对碱污染红黏土强度特性的影响，试验结果详见表2。

对数据进行分析可以得出:浸泡养护时间相同、竖向压力相同,随着碱浓度的增加红黏土抗剪强度都是递减的;浸泡养护时间相同、不同碱浓度的红黏土随着竖向压力的增加,抗剪强度都是递增的,且增幅值比较均匀。由于较难看出浸泡养护时间不同、碱浓度不同,竖向压力相同情况下红黏土抗剪强度的变化程度,故选取垂直压力200和400 kPa,将对应的强度变化值进行绘图分析。图1反映碱污染红黏土抗剪强度随碱浓度和养护时间变化的程度，其中，η为不同浓度碱污染红黏土的抗剪强度与原状土抗剪强度之差占原状土抗剪强度的比例。

表2 碱溶液污染红黏土的抗剪强度值

Table 2 Shear strength of red clay contaminated with NaOH solution kPa

养护时间/d垂直压力w(NaOH)/%04812110067.3776.7568.9260.49200112.52104.3598.6787.53300162.31150.37144.91127.18400214.78202.98197.09183.56710067.4158.1554.6747.24200112.4397.3594.7880.43300162.35142.67135.89113.28400214.86189.58181.39157.461410067.3849.1246.5343.86200112.4393.0491.3175.98300162.30138.42131.17106.44400214.85181.65172.26150.07

图1 NaOH溶液污染红黏土抗剪强度随碱浓度和养护时间的变化程度曲线Fig.1 Shear strength curve of alkali contaminated with red clay with alkali concentration and curing time

结果表明: 1)不论养护时间的长短, 与原状土(NaOH浓度为0，下同)相比, 碱污染都会引起红黏土抗剪强度的减小。 2)在竖向压力、 养护时间一定, 随着NaOH浓度的增大, 碱污染红黏土的抗剪强度减小的程度逐渐增大。 当NaOH浓度按0、 4%、 8%、 12%变化时, 竖向压力200 kPa, 养护时间1 d时, 与原状土相比, 碱污染红黏土的抗剪强度分别减小了7.3%、 12.3%、 22.2%; 竖向压力400 kPa, 养护时间7 d时, 与原状土相比, 其抗剪强度分别减小了 11.8%、 15.6%、 26.7%; 竖向压力400 kPa, 养护时间14 d时, 与原状土相比, 其抗剪强度分别减小了15.5%、 19.8%、 30.2%。 3)在竖向压力一定, NaOH浓度在0、4%、 8%、 12%变化, 养护时间对原状土的抗剪强度无影响, 但对于碱污染红黏土, 随着养护时间的延长, 其抗剪强度减小的幅度增大。 当NaOH浓度变化时, 在同一竖向压力下(200 kPa), 养护时间1 d时, 与原状土相比, 碱污染红黏土的抗剪强度分别减小了7.3%、 12.3%、 22.2%; 养护时间7 d时, 与原状土相比, 碱污染红黏土的抗剪强度分别减小了13.4%、 15.7%、 28.5%; 养护时间14 d时, 与原状土相比, 碱污染红黏土的抗剪强度分别减小了17.2%、 18.8%、 32.4%, 可见随着养护时间的延长, 碱污染红黏土的抗剪强度减小的幅度增大。

由以上分析可知,当碱溶液侵蚀红黏土试样时,随着碱浓度和养护时间的增加,胶结作用较为明显,所以抗剪强度降低趋势较为缓慢,当碱溶液浓度进一步加大时,胶体生成量减小,由胶结作用生成的沉淀物和其他物质发生溶解,使得红黏土试样的抗剪强度再次发生较大的降低。

2.1.2 抗剪强度指标的变化 直剪试验的最终目的是确定土的抗剪强度指标[16]。由表2中的强度值τ,根据抗剪强度的数学表达式,即库伦定律τ=σtgφ+c,可得到不同浸泡养护时间、不同碱溶液浓度,碱污染红黏土试样的抗剪强度参数值。为了比较直观地看出不同养护时间、不同碱溶液浓度时强度参数增减幅值的变化情况,根据表3中的强度参数值绘制图2。

(1)在原状土状态, 当养护时间1 d时, 红黏土的黏聚力和内摩擦角分别为16.51 kPa、26.67°; 当养护时间7 d时, 红黏土的黏聚力和内摩擦角分别为16.20 kPa、26.21°; 当养护时间14 d时,红黏土的黏聚力和内摩擦角分别为16.23 kPa、26.28°。 可见, 未被污染的红黏土的抗剪强度指标随养护时间的增加则无明显变化。

图2 NaOH溶液污染红黏土抗剪强度指标随养护时间的变化情况Fig.2 Variation of shear strength index of red clay contaminatedwith different mass fraction of NaOH solution with curing time

表3 NaOH溶液污染红黏土抗剪强度指标

(3)在碱浓度相同,随着养护时间的增加(1 d→14 d),碱污染红黏土的黏聚力与内摩擦角的减小程度变大。当养护时间按1、7和14 d变化时,NaOH溶液浓度为4%,碱污染红黏土的黏聚力的变化程度分别为7.1%、25.7%、37.6%;NaOH浓度为12%,其黏聚力的变化程度分别为16.5%、46.1%、58.8%。同理,养护时间按1、7和14 d变化时,NaOH浓度为4%,碱污染红黏土的内摩擦角的变化程度分别为5.5%、10.8%、12.8%;NaOH浓度为8%,碱污染红黏土的内摩擦角的变化程度分别为7.7%、12.9%、16.1%。可见,对于碱污染红黏土,不论碱溶液浓度的高低,随着土样养护时间的延长,其黏聚力与内摩擦角减小的程度是逐渐变大的。对比养护时间1、7与14 d情况下碱污染红黏土的黏聚力与内摩擦角的减小幅度可知,养护时间在1 d→7 d碱污染红黏土的黏聚力与内摩擦角减小的幅度大于养护时间在7 d→14 d的,表明在碱溶液浓度相同,碱污染红黏土的黏聚力与内摩擦角减小的幅度在第7天开始减小。

2.2 碱污染红黏土的压缩试验

2.2.1 孔隙比的变化 为了便于比较孔隙比e的变化程度,本文取NaOH溶液污染红黏土的初始孔隙比e0以及在p1=100 kPa和p2=200 kPa压力下固结稳定时的孔隙比e1和e2进行对比,图3反映了碱污染红黏土孔隙比随NaOH浓度与养护时间的关系。

图3 NaOH溶液污染红黏土孔隙比的变化Fig.3 Change of void ratio of red clay contaminated by NaOH solution

红黏土被NaOH溶液污染腐蚀后,初始孔隙比均大于未被污染红黏土(原状土), 随着NaOH溶液浓度的增大, 各养护时间下(7、 14 d)初始孔隙比呈现出逐渐增大的趋势。红黏土在p1=100 kPa与p2=200 kPa压力下固结稳定时的孔隙比e1和e2总体小于初始孔隙比。当压力值为p1=100 kPa时，其孔隙比随NaOH溶液浓度的增大而增大；压力值为p2=200 kPa时，孔隙比随NaOH溶液浓度的增大呈现增大的变化趋势。红黏土未被污染时,孔隙比的变化范围最小。在3种荷载作用下(无荷载、p1=100 kPa与p2=200 kPa),污染红黏土的孔隙比e0、e1和e2均大于对应荷载作用下未被污染红黏土的孔隙比,养护时间为14 d,NaOH浓度为8%,与未被污染红黏土相比,碱污染红黏土的孔隙比e0、e1和e2分别增大了0.057、0.089、0.026,由此说明碱溶液对土样的孔隙比变化有一定作用。在相同NaOH浓度下,养护时间从1 d增加到14 d,其孔隙比的变化趋势大致相同,变化的幅度逐渐增大。

2.2.2 压缩模量的变化 通过土的压缩系数a与土的压缩模量Es可直观地研究碱污染红黏土的压缩特性。

式中:pi表示某级相对应的压力值;ei表示某级压力下的孔隙比。取垂直压力间隔p1=100 kPa到p2=200 kPa,对应土的压缩系数a1-2和压缩模量Es1-2代表碱污染红黏土试样的压缩性能。

NaOH溶液污染红黏土的压缩模量随碱浓度和养护时间的变化情况如图4所示:(1)在养护时间相同的情况下,养护时间为1 d,随着NaOH浓度从0增加到12%,与原状土相比,碱污染红黏土的压缩模量分别减小了0.094、1.267、1.581 MPa;养护7 d时,随着NaOH浓度的增加到12%,碱污染红黏土的压缩模量分别减小了0.380、1.469、2.057 MPa;养护14 d时,随着NaOH浓度的增加, 碱污染红黏土的压缩模量分别减小了0.460、 1.672、 2.016 MPa。 可见, 随着NaOH浓度的增大, 碱污染红黏土压缩模量的减小程度逐渐增大, 在NaOH浓度为4%～8%, 其变化的程度最大,NaOH浓度为8%～12%次之。(2)在相同NaOH浓度下, 随着养护时间的增加, 碱污染红黏土的压缩模量逐渐减小, NaOH浓度为4%, 养护时间为1、 7和14 d时, 碱污染红黏土的压缩模量分别为3.590、 3.301、 3.220 MPa; NaOH浓度为8%, 养护时间为1、 7和14 d时, 碱污染红黏土的压缩模量分别为2.417、 2.212、 2.015 MPa。 在同一NaOH浓度下, 碱污染红黏土的压缩模量受养护时间的影响, 随着养护时间的增加,其压缩模量逐渐减小。

图4 NaOH溶液污染红黏土的压缩模量的变化Fig.4 Change of compression modulus of red clay contaminated with NaOH solution

不同浓度的NaOH溶液红黏土在不同养护时间的情况下,压缩系数增大,压缩模量逐渐减小,变形能力增强,土体压缩性增大。究其原因,当碱溶液侵入红黏土后,碱-土作用使土颗粒间的联结物质被溶解,导致颗粒间的胶结力减小,从而使碱污染红黏土的压缩系数的增大,压缩模量减小,引起土体压缩性增大。

3 碱污染红黏土力学效应弱化机理

碱-土作用的4个阶段是引起红黏土力学性质发生变化的主要原因,其相互作用引起了红黏土颗粒的变化,使其原本稳定的结构状态发生改变。以下结合碱-土作用结构示意图5及化学反应式详细分析碱污染红黏土力学效应弱化机理。

图5 NaOH溶液污染红黏土的碱-土作用情况结构示意图Fig.5 Structure of alkali-soil interaction of red clay polluted by NaOH solution

图5c为污染红黏土的中期胶结作用结构示意。随着碱溶液侵入土体的时间增长,红黏土和碱溶液充分反应,NaOH与红黏土中的胶结物质SiO2和晶体物质Al2O3发生反应,分别形成具有黏聚性物质Na2SiO3和NaAlO2,由于Na2SiO3化学性质不太稳定,易吸潮,易溶于水,在溶液中易与H2O、CO2发生反应,生成H2SiO3和Na2CO3,其中H2SiO3为胶体,Na2CO3为晶体。同理,NaAlO2在水中发生水解,生成Al(OH)3(絮状沉淀物)。图5d为污染红黏土的后期溶解作用结构示意。新生成的胶体物质性质不稳定,极易溶于水,使土颗粒间的胶结能力变差,从而导致受到碱污染的红黏土压缩性增强。反应方程式如下:

4 结 论

本文仅针对不同碱液浓度污染红黏土分别在养护1、7、14 d的力学试验的结果分析,目前还在开展更多养护时间、不同碱液浓度污染土样的双因子条件下的力学特性试验。阶段性试验成果如下:

(1)在竖向压力,养护时间一定(如400 kPa,7 d),随着碱浓度递增(4%→8%→12%),碱污染红黏土的抗剪强度τ分别减小了11.8%、15.6%、26.7%,且τ减小的幅度变大;在竖向压力一定(200 kPa),碱浓度在4%→8%→12%,随着养护时间延长(1 d→14 d),碱污染红黏土的抗剪强度分别减小了7.3%、12.3%、22.2%和13.4%、15.7%、28.5%和17.2%、18.8%、32.4%。碱污染红黏土的抗剪强度随着养护时间的增加其递减的变幅率增大。

(2)原状红黏土的强度指标随养护时间的增加无明显变化。碱污染红黏土在养护时间一定(如1 d),随着碱浓度的增大,其c、φ分别减小了7.1%、10.0%、16.5%和5.5%、7.7%、10.8%,且碱溶液浓度在0～4%和8%～12%时c、φ的变化幅度均大于4%～8%;在碱浓度一定(4%)时, 随着养护时间的增加(1 d→14 d),碱污染红黏土的c、φ减小幅度分别为7.1%、25.7%、37.6%和5.5%、9.5%、12.7%,随着养护时间的增加,c、φ值递减的变幅率增大。低浓度和高浓度以及养护时间对c、φ值的影响较大。

(3)碱浓度一定,随着养护时间增加, 孔隙比的变化趋势大致相同, 变幅值逐渐变大; 养护时间一定(7 d), 随着碱浓度的增加, 碱污染红黏土的压缩模量分别减小了0.380、 1.469、 2.057 MPa, 其减小幅值逐渐增大, 碱浓度为4%～8%, 递变幅值最大, 8%～12%的次之; 碱浓度一定(8%), 养护时间增加(1 d→14 d),碱污染红黏土的压缩模量分别为2.417、 2.212、 2.015 MPa。 碱污染红黏土的压缩模量对养护时间最敏感。

(4)碱-土作用过程中,由水解作用电离出的OH-与红黏土中起胶结作用的矿物质(SiO2、 Al2O3)发生系列物理化学反应,使污染红黏土土颗粒间的胶结物被溶解后又重新生成絮状物,导致土颗粒间的胶结能力减小,土体原本稳定的结构状态发生改变,变形能力增强,抗剪强度减小。碱-土相互作用是导致桂林地区碱污染红黏土力学效应弱化的根本原因。