杨秀娟 武雷杰 刘惹梅

摘 要：地基酸碱污染已成为环境岩土工程领域一个亟待解决的问题。采用室内模拟方法，用不同酸碱度的盐酸溶液浸泡黄土，研究酸性溶液对黄土基本物理化学力学性质的影响，并通过扫描电镜试验对其进行微观研究。试验表明：随着酸性溶液酸性增强和浸泡时间的增长，黄土中交换性阳离子增多，有机质含量降低，土粒颗粒相对密度减小，黏粒含量增大，液限、塑限均增大，渗透性增强，抗剪强度降低;SEM图像显示随着酸性增强和浸泡时间增长土体孔隙孔径增大，由面-面接触逐渐转变为点-点接触。

关键词：环境岩土工程;酸污染;重塑黄土;酸碱度;工程性质

中图分类号：TU441   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.027

Abstract： Acid-base pollution has become an urgent problem to be solved in the field of environmental geotechnical engineering. The effects of acid solution on the basic physical and chemical properties of loess were studied by using indoor simulation and immersing loess with hydrochloric acid solutions of different pH values. The microscopic study was also conducted by scanning electron microscopy. The results show that with the increase of acidity and immersion time in acid solution， the amount of cations in loess is increased and the content of organic matter is decreased， the proportion of soil particles is decreased and the content of clay particles is increased. The results show that the pore size increases with the increase of acidity and immersion time and the surface-to-surface contact gradually changes to point-to-point contact.

Key words： environmental geotechnical engineering; acid pollution; remolded loess; pH value; engineering property

黃土是一种质地均匀，含大量钙质胶结物，具有多孔性、湿陷性的土壤[1]，易受雨水、地表径流、地下水的影响导致工程地质灾害的发生。在生活中，随着工业废水、废气、废渣及生活污水的排放，部分酸性物质与水融合形成酸性溶液进入土壤，而黄土中的盐类物质如碳酸盐、硫酸盐等极易与酸性溶液发生化学反应。西北黄土中的易溶盐含量平均为0.32%，碳酸钙的总平均含量为10.34%[2]。当酸碱溶液与黄土颗粒发生化学反应时，钙质胶结物被溶蚀，土骨架崩塌，导致黄土湿陷。20世纪60年代我国就出现了废液污染地基土导致建筑物破坏的事故[3]。张信贵等[4]的研究认为强酸环境下土体的变形较大，弱酸和碱性环境下土体的变形较小。朱春鹏等[5]对土体进行变形研究发现，酸性溶液污染的土体的软化特征明显。酸性条件下胶结强度增大，土体强度提高[6]。水土化学作用改变了土颗粒之间的平衡，导致土体压缩、强度等性质改变。李善梅等[7]认为土体的基本物理性质会受水体pH值的影响。笔者以盐酸溶液为原料，人工配制不同酸碱度的酸性溶液与黄土发生化学反应，进一步研究酸性溶液对土体基本物理力学性质的影响。

1 试验材料与研究方法

1.1 试验材料

本试验所用黄土取自陕西杨凌台塬地区Q3黄土，取土深度为3.5～4.0 m。土样呈褐黄色，质地均匀，颗粒相对密度为2.71，酸碱度（pH值）为8.19，呈弱碱性。杨凌黄土的天然干密度为1.38 g/cm3，天然含水率为13.3%，其基本物理化学指标见表1和表2。

1.2 试验方法

采用化学分析纯盐酸溶液配制pH值为3.0、5.0的两种试验用酸性溶液。将黄土风干、碾细，过2 mm（孔径）筛，然后称取4等份黄土，每份5 000 g，按照黄土与盐酸质量比例为2∶1加入酸性溶液，用保鲜膜密封。同时，用等量纯水浸泡相同质量的黄土作为对比空白样。反应15、30 d后，取出散状样，测试土体的颗粒组成、液限、塑限等基本物理化学指标。试验过程中，测试土样干密度控制在1.68 g/cm3，即压实度为0.98，含水率采用最优含水率17.5%。测试内容包括土体的颗粒级配、液塑限、渗透系数、抗剪强度等，具体试验方法见《土工试验规程》（SL 237—1999）。其中交换性盐基离子测定采用火焰光度计法和EDTA络合滴定法，有机质测定采用重铬酸钾容量法，见《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）。

2 试验结果与分析

2.1 酸性溶液对土粒相对密度的影响

土的工程性质主要受黏土矿物成分和有机物成分的影响。土粒相对密度的大小决定于矿物成分及有机质含量，是划分土颗粒、土中水和土中气各自体积占比的依据。土中有机物以碳、氮、氢、氧为主体，还有少量的硫、磷以及金属元素组成的有机化合物。用比重试验测试土体的颗粒相对密度，采用重铬酸钾容量法测定土中的有机质含量，测定结果见图1及图2。

随着溶液pH值降低即溶液酸性增强，土体的颗粒相对密度直线下降，同时有机质的含量不断减小，且在相同pH值条件下，浸泡时间越长有机质含量越低。造成这种结果的原因是：土壤中的腐殖质是有机质的主体，也是土壤中最难降解的组分，腐殖质常与岩土矿物发生强烈作用，形成有机无机复合胶体，这种有机无机复合胶体会对土体产生一定的影响。酸溶液与土中有机质中的腐殖质发生反应，所以酸性越强、浸泡时间越长，土中有机质含量越低。同时土中可溶盐和游离氧化物与酸发生反应，导致土体颗粒相对密度降低。在测试中发现，浸泡30 d的土体颗粒相对密度和浸泡15 d的土体颗粒相对密度基本一致，原因可能是浸泡时间过长导致后期反应程度降低，使得土体颗粒相对密度变化不大。在反应初期，土体的颗粒相对密度变化情况尚需进一步通过试验确定。

2.2 酸性溶液对土体阳离子的影响

当土壤用盐溶液淋洗时，土壤具有吸附溶液中阳离子的能力，同时释放出等量电荷的其他阳离子，这些释放出的阳离子称为交换性阳离子，一般包括H+、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+和Fe2+。其中：Al3+水解形成强酸，一般不考虑其为交换性阳离子;Fe3+和Fe2+易水解生成难溶性的氢氧化物或氧化物沉淀;H+为交换性酸离子，不考虑其为交换性盐基离子。因此，土壤胶体吸附的碱金属离子和碱土金属离子组成了土体的交换性盐基。天然土和不同pH值溶液浸泡后的黄土的阳离子含量测定结果见表3。

随着pH值的降低，土中的Ca2+含量不断增大，同时在相同pH值条件下，土样浸泡30 d的土体中Ca2+含量高于浸泡15 d的。造成这种结果的原因主要是：黄土中的碳酸盐与酸发生化学反应，生成可溶于水的CaCl2，并且浸泡时间越长，土颗粒与酸的反应越充分。因此，经过酸性溶液浸泡后的黄土Ca2+含量增多。从交换性阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）来看，杨凌黄土的交换性阳离子含量为228.9 mg/kg，浸泡15 d后，分別增大到248.0 mg/kg（pH=5）和260.0 mg/kg（pH=3）;浸泡30 d后，稍微减小到244.3 mg/kg（pH=5）和257.1 mg/kg（pH=3）。原因是在浸泡15 d时，土与酸性溶液充分反应，土体中的交换性盐基离子析出，含量增大;当浸泡30 d时，反应基本完成，由于各离子的置换能力不同，Ca2+的置换能力远大于其他离子的置换能力，部分K+、Na+、Mg2+离子被Ca2+置换，因此总量发生变化。

2.3 酸性溶液对土体粒度组成的影响

土的工程性质与土的粒度成分密切相关，试验中研究土各种粒组的相对含量，土的粒度分析采用密度计法，分散剂选用六偏磷酸钠，试验结果见表4。随着pH值的降低即酸性的增强，土中砂粒含量基本不变，粉粒含量减小，黏粒含量增大。并且随着浸泡时间的延长，土体中的粉粒减少，黏粒含量增大。出现这种情况的原因可能是：土在酸性溶液中浸泡后，土体中的胶体、游离氧化物胶体和可溶性盐胶体被腐蚀，使得土颗粒之间的连结减弱，因此颗粒容易分散[8]，导致浸泡后土体黏粒含量比天然土的高。本文测试结果与王绪民等[9]的研究结果相悖，原因是在本次试验中，土样直接浸泡封存，然后晾晒取土测试，整个过程中土颗粒并未流失，而王绪民等的试验土样为先制成环刀样然后浸泡，在浸泡过程中有颗粒流失。

2.4 酸性溶液对土体界限含水率的影响

土的界限含水率是划分土体状态的一项重要指标，其中土的液塑限经常作为评估土壤侵蚀脆弱性及地表浅层移动的指标[10]。土与不同pH值的酸性溶液反应后，它的粒度成分和矿物成分都发生了改变，测试结果见表5。

经酸性溶液浸泡后的土体液限、塑限均大于天然土的，并且随着溶液酸性增强，土体的液限、塑限增大，随着浸泡时间的增长，液限、塑限增长速率变大。土体液限与塑限之差为土体的塑性指数，代表土体处于可塑状态时土中含水率的变化范围，与土体中黏粒含量和矿物成分直接相关。由测试结果可以看出，所有测试土样的塑性指数在17.2～17.6之间，对比表4中土样的黏粒含量可以发现，塑性指数与黏粒含量的增大并没有呈现明确的相关关系。

随着酸性的增强，黏粒的热力学电位增大，电动电位也增大，但由于土溶液呈酸性，使得有的黏土颗粒表面带正电荷，有的土颗粒表面带负电荷，在带负电荷颗粒表面扩散层中含有较多的H+离子，带正电荷颗粒表面扩散层中含有较多的Cl-离子，它们都使得扩散层变厚，土的可塑性变强[11]，因此土的液限、塑限都增大。在工程应用中常用塑性指数IP对土进行分类，但是从前述试验结果可以发现，塑性指数与土的黏粒含量并不具有直接对应关系，这可能导致对酸污染土的误判，在工程应用中应慎重使用塑性指数IP作为评价指标。

2.5 酸性溶液对土体渗透系数的影响

土体渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。土体的渗透系数可以反映土渗透性强弱。经过酸污染后的土体渗透性变化情况见图3。

随着酸性增强，土体的渗透系数变大，即渗透性增强，且随着浸泡时间的增长，渗透系数增大。影响渗透系数的因素包括土中孔隙通道的粗细及孔隙的多少。由于酸浸泡的原因，土颗粒之间各种矿物、胶体和有机质被溶蚀，使得孔隙体积增大、孔隙数量增多，因此土体渗透性增强。

2.6 酸性溶液对土体抗剪强度的影响

抗剪强度是土体抵抗外力破坏能力的反映。本试验采用直接剪切快剪试验测试得出各土样的黏聚力c和内摩擦角φ，土样含水率为17.5%，干密度控制在1.68 g/cm3，试验结果见图4。随着酸性的增强土体黏聚力c和内摩擦角φ同时减小，并且随着浸泡时间的增长，土体的黏聚力和内摩擦角逐渐减小。由此可以证明，土样在受到酸污染后，土颗粒结构胶结物质被溶蚀，结构连结变弱，酸性溶液对土体的内摩擦角和黏聚力均具有一定影响。

3 微观结构试验研究

微观结构是指土体内颗粒大小、形状、表面特征、颗粒之间的连结及排列方式。细粒土的微观结构研究是评价土的工程性质的一个重要方面。采用扫描电镜对原状样和酸性溶液浸泡后的土样进行微观结构观测。观测照片（放大3 000倍）见图5。

本次试验黄土的骨架以单矿物颗粒为主，有少量集粒。原状黄土骨架颗粒棱角分明，大小不均，分散分布，大孔隙，蜂窝结构，集粒富集，见图5（a）。经过酸性溶液浸泡后的土体，其中的各种矿物和胶体被腐蚀，使得土的结构连结发生改变，土中的孔隙、颗粒和胶体形态都发生了变化。经过不同浓度HCl浸泡后土样均表现出颗粒棱角变小，颗粒圆度增大，颗粒尺寸变小，集粒消失，贯通通道形成等现象。

对比图5（b）、（c）可见，在pH=5的酸溶液作用下，浸泡15 d的土样的土颗粒排列比较紧密，以面-面接触和面-点接触为主，而经过30 d浸泡后的土样中土颗粒以点-点接触为主，孔隙增大，通道逐渐形成。这是由于随着浸泡时间的增长，黄土的碳酸钙胶结物逐渐被侵蚀溶解，因此黄土内部孔隙变多，并逐渐连通形成贯通通道。

由图5（d）、（e）看出，在pH=3条件下，浸泡30 d的土体大孔隙减少，小孔隙增多，从而使孔隙比增大。这是因为在高浓度酸性溶液浸泡下，土的原始胶结结构逐渐破坏，大颗粒团聚体逐渐消失，小颗粒逐渐增多，在颗粒自重作用下，颗粒下沉填充到大孔隙中，所以大孔隙相对减少，小孔隙相对增多。

总体上来看，骨架颗粒的连结方式随着浸泡溶液酸碱度的增大和浸泡时间的增长逐渐向点接触方式变化，这说明了浸泡的溶液浓度越高、浸泡时间越长对土体结构的影响越大。

结合前文2.5节中渗透试验结果，对比不同酸性浓度和不同浸泡时间的微观照片可知，原土微观结构中孔隙较少，随着酸性溶液浓度的增大和浸泡时间的变长，黄土的碳酸钙胶结物逐渐被侵蚀溶解，使得黄土内部孔隙变多，并逐渐连通形成贯通通道，降低土体抗渗强度，在渗透试验中表现为随着酸性溶液浓度增大和浸泡时间的变长，渗透系数增大，与试验结果相符。黄土颗粒之间原有的胶结结构不断被酸性溶液侵蚀，整体结构性逐渐被破坏，由粒状的面接触架空结构逐渐变成点接触的大孔隙架空结构，表现为土体强度减弱，与2.6节中的抗剪强度指标随酸性溶液侵蚀破坏逐渐降低相符。

4 结 论

通过酸性溶液浸泡黄土，研究了酸性溶液对黄土基本物理化学力学指标的影响，并应用扫描电镜分析了不同侵蚀程度的黄土土样的微观结构，主要结论如下：

（1）酸性溶液的作用导致黄土的颗粒相对密度、有机质含量随着酸性溶液侵蚀程度的加强逐渐降低，同时其交换性盐基阳离子逐渐增加。

（2）酸性溶液作用后，土体中黏粒粒组含量增加，粉粒粒组含量减少，同时其液塑限增大。

（3）酸性溶液的作用导致土体渗透系数增强，抗剪强度降低，从微观结构可以看出，随着酸性溶液浓度的增大和浸泡时间的变长，黄土的碳酸钙胶结物逐渐被侵蚀溶解，骨架颗粒的连结方式由面-面接触逐渐向点-点接触方式变化，这说明浸泡的溶液浓度越高、浸泡时间越长对土体结构的影响越大。

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【责任编辑 张华岩】