金属阳离子对黄土强度及塑性的影响研究

任晓亮 蒋希雁 张雷刚

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)



金属阳离子对黄土强度及塑性的影响研究

任晓亮 蒋希雁 张雷刚

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

黄土在我国华北地区分布广泛，同时在黄土区建设有相当数量的垃圾填埋场.本文选用不同浓度铜离子污染液作为代表污染物，黄土作为污染对象，对污染前后的黄土进行强度试验和塑性指标试验，从中分析研究阳离子污染物对黄土的强度和塑性的影响.试验结果表明，阳离子对黄土强度有明显的强化作用，其中粘聚力和摩擦角都有所提高.在以后的工程实践中应该加以重视并根据污染物价态对相关参数进行修正.污染后的黄土塑性指数IP有所降低，且塑限变化大于液限变化.总体而言，阳离子对黄土强度和塑性均产生影响.

垃圾填埋场；黄土；金属阳离子；强度；塑性

0 引 言

随着经济社会的不断发展，城镇化的大势所趋，随之产生大量的生活，对生态环境产生了巨大的污染.我国处理生活垃圾的主要方法是卫生填埋法，通过卫生填埋法处理[1-2]的垃圾占处理垃圾总量的90%以上，此办法比较其他方面有很多优点[3].在我国，有许多垃圾填埋场建设在黄土区且我国规范对垃圾填埋场地基的要求只是针对地基未被污染的情况.而且垃圾填埋场在投入使用后很难再进行修复.综上所述，有必要对垃圾填埋场污染后的情况进行研究.在设计中预先考虑到渗滤液作用下垃圾填埋场可能发生的变化，并采取相应的预防措施，确保垃圾填埋场的安全使用.

为解决这一问题，众多学者根据填埋场的实际情况，进行了大量的试验.其中，张晓璐[4]进行了酸、碱污染土的试验研究，结果表明，酸碱污染液对淤泥质粘土的强度指标粘聚力C有增强的作用；寇乃羽等[5]研究了表面活性剂对黄土强度的影响，得到了表面活性剂对黄土强度有弱化作用；唐晓武等[6]进行了吸附离子对粉质粘土及改良土特性的影响研究，得到吸附离子对粉质粘土强度指标粘聚力和内摩擦角有增强的作用；何斌等[7]则针对有机质污染物研究了洗衣粉对土体的塑性等指标，得到了洗衣粉对土体液、塑限影响的经验公式.

本文选用具有代表性离子溶液(CuSO4溶液)作为污染物，以张家口地区黄土作为污染对象，对污染后的黄土进行制样并进行抗剪强度试验并测定其液、塑限变化情况，并分析此现象原因.

1 试样的基本物理性质

1.1 试验土样

表1 黄土CL的基本物理性质

1.2 污染土样制备

CL经自然风干后，用木碾碾散，过5 mm筛，经105 ℃烘干后，保存到密封塑料袋中，本文所用土样

表2 污染液浓度

均用此土重塑样.而后按照击实试验[8]测得的最优含水率，用纯水和CuSO4溶液配制成湿土样，静置24小时后，三轴试样的制备方法是将湿土在三瓣模中击实至最大干密度.所用CuSO4溶液浓度如表2所示.

2 硫酸铜污染液对土体强度的影响

将试样分别在100 KPa、200 KPa和300 KPa围压下进行不固结不排水(UU)三轴试验，剪切应变速率为0.8 mm/min.试验结果如图1、2所示.

2.1 Cu2+对黄土强度的影响

从图1可以看出，在试验所涉及的CuSO4污染液浓度范围内，试验所用黄土的粘聚力C随污染液浓度的升高均有不同程度的增长.具体表现为该黄土的粘聚力C从未污染时的62.03 KPa增大到受CuSO4污染液污染后的134.67 KPa.

粘聚力增长是因为CuSO4污染液进入到黄土内部，与黄土中的盐类物质发生反应，胶结作用得到增强，同时溶液中的Cu2+与黄土中的有机质发生离子交换作用，生成稳定的复合体，对粘聚力增长具有促进作用.

图1 黄土土样粘聚力C与CuSO4 图2 黄土土样摩擦角φ与CuSO4

从图2可以看出，在试验所涉及的CuSO4污染液浓度范围内，试验所用黄土的摩擦角φ随污染液浓度的增大而有所增长.从增长幅度上看，摩擦角的增长比率小于粘聚力的增长比率.具体表现为摩擦角从未被CuSO4污染液污染时的30.05°增长到被污染后的33.57°.

摩擦角的增长是由于黏聚作用和颗粒之间的引力使土颗粒变粗，镶嵌作用增强，致使当进行剪切试验时，颗粒间的摩擦力和咬合力都得到增强.

黄土被CuSO4污染液污染后，总体上可以看出，对强度的影响是有利的，同时可以看出CuSO4浓度从0到0.75 mol/L之间，内摩擦角增长是较明显的；CuSO4浓度从0到0.5 mol/L之间，粘聚力的增长较快，而后影响则变小.

把黏聚力和摩擦角在4种浓度下的强度指标取均值，可以较为直观地看到污染前后的变化情况，具体见表3，对黄土来说，CuSO4污染液污染后，虽然摩擦角增长幅度不大(只增加2.61°)，但黏聚力会却有很大程度的增长(51.85 kPa).

表3 铜离子对黄土强度指标影响情况

2.2 Cu2+离子影响土体强度结果分析

由于污染液的影响，污染液中的离子可以通过离子吸附与离子交换作用与粘土颗粒发生反应(这里主要是Cu2+)，导致颗粒表面的双电层厚度变薄，孔隙减小，有效接触面积增大最终使土颗粒间的作用力增强，最终使得土体的强度增强.

所以，在垃圾填埋场投入使用后，有必要对填埋场中衬垫结构使用的粘性土材料在污染液作用下的强度变化进行研究，从而采取及时合适的措施确保填埋场的安全性和稳定性.这对填埋场衬垫层的边坡稳定性具有重要意义.

3 硫酸铜污染液对土体塑性的影响

使用光电式液、塑限联合测定仪，测定未被污染和被不同浓度CuSO4污染液污染的黄土土样的液、塑限.液、塑限测定结果与塑性指数计算结果分别示于图3和图4中.

3.1 Cu2+对黄土塑性影响效果

由图3可以看出，CuSO4污染土体的液、塑限均随污染液浓度的增加而增加.当CuSO4污染液浓度较低时(<0.25 mol/L)时，无污染土的液、塑限小于CuSO4污染土的液、塑限；具体表现为液限从25.2%上升到28.17%，塑限从12.3%上升到15.23%.当CuSO4污染液浓度较高时(>0.25 mol/L)时，较CuSO4污染液浓度为0.25 mol/L时的液限，此时液限则开始下降，塑限则仍在上升，但上升的幅度较之前变小.具体表现为液限从28.17%下降到25.45%，塑限从15.23%上升到17.23%.

由图4可以看出，CuSO4污染土体的塑性指数随CuSO4污染液浓度的增加而降低.具体表现为CuSO4污染液浓度较低时(<0.25 mol/L)，CuSO4污染液浓度对黄土的塑性指数Ip影响较小，且呈上升趋势；具体表现为塑性指数Ip从12.9%上升到12.94%.CuSO4污染液浓度较高时(>0.25 mol/L)，CuSO4污染液浓度对黄土的塑性指数Ip影响较大，且呈下降趋势，具体表现为塑性指数Ip从12.94%下降到8.22%.

图3 CuSO4污染土液、塑限与CuSO4 图4 CuSO4污染土塑性指数与CuSO4

如图5所示，本文通过绘制Cu2+对黄土塑性指数影响趋势线反映了其影响程度.Cu2+对黄土塑性指数的影响呈对数趋势.Cu2+影响趋势线为Ip=-3.61Ln(n0)+7.95，R2=0.974.可以看出Cu2+对黄土的塑性影响较为明显，拟合效果很好.

3.2 Cu2+影响黄土塑性理论分析

根据液、塑限试验数据和污染物离子特点进行分析.影响试验黄土粘性和塑限的主要因素是进入土中的离子对粒间作用力的影响，实现的主要途径是粘土颗粒表面的扩散双电层[9]结构.带有负电荷的粘土颗粒表面，将溶液中的阳离予和极性水分子通过静电引力吸附至颗粒表面.常用的描述粘土颗粒表面离子分布性状的理论Gouy-Chapman理论.

根据Gouy-Chapman扩散双电层理论，双电层厚度与浓度、离子价、介电常数、温度等有关，表示此关系的关系式为：

图5 Cu2+浓度与塑性指数关系的拟合曲线

D为介电常数；K为玻尔兹曼常数，erg/K；T为热力学温标，K；n0为溶液浓度，mol/L；e为电子电荷，1.6×10-6C；ν为与粘土颗粒表面电荷符号相反的离子的价态.

在本试验中，主要研究Cu2+对黄土特性的影响，本试验取较为常见的Cu2+进行研究分析，由于双电层结构的存在，粘土颗粒表面的可交换离子与污染液中的Cu2+发生交换作用，由于Cu2+价态较高，根据关系式2-1，双电层厚度变薄，吸附水膜层数减少，塑性指数变小.

4 结 论

本文通过对试验结果和相关理论进行分析，说明金属阳离子对黄土强度和塑性有直接影响，并得到以下主要结论：

(1)Cu2+对黄土抗剪强度具有促进作用，试验结果表明粘聚力和摩擦角都有所增大，其中，粘聚力有显著的增大，摩擦角增大比率小于粘聚力增大比率.该结果在垃圾填埋场的使用过程中是有利的.

(2)通过对Cu2+污染黄土进行液、塑限测定，测定结果显示，污染黄土的塑限有所增长，而液限增长幅度较小，变化幅度相差不大.最终导致塑性指数减小.该结果将减弱地基土对污染液的吸附作用，影响填埋场的安全性.

(3)由于上述影响的实际存在，在以后的工程实践中应该加以重视并根据实际情况采取相应的措施，以确保垃圾填埋场的长期安全使用.同时垃圾污染液对黄土的作用比较复杂，尤其是多种离子对土体同时作用时，其对填埋场的影响十分复杂，需要进一步研究.

[1]陈希翌.贵阳市高雁垃圾填埋场渗滤液处理现状分析及优化过程研究[D].贵阳：贵州大学，2010，3～7

[2]张贺.垃圾填埋场渗滤液处理技术研究[D].武汉：华中师范大学，2014，5～11

[3]吕扬.粘土衬垫层截污性能的试验研究[D].南京：南京工业大学，2008,4～6

[4]张晓璐.酸、碱污染土的试验研究[D].南京：河海大学，2007，41～43

[5]寇乃羽.表面活性剂对黄土和膨润土力学及环境土工特性的影响[D].杭州：浙江大学2011,20～24

[6]唐晓武，应丰，寇乃羽，王周庆.吸附离子对粉质粘土及改良土特性的影响[J].岩土力学，2010，31(8):2519～2522

[7]何斌，韩鹏举，齐园园，白晓红.洗衣粉污染土压缩特性及电阻率的试验研究[J].太原理工大学学报，2015，46(2):211～213

[8]中华人民共和国水利部.GB/T50123-1999土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版，1999：52～56

[9]叶为民，黄伟，陈宝,等.双电层理论与高庙子膨润土的体变特征[J].岩土力学，2009，3(7):1989～1903

Study on Effect of Metal Cations on the Strength and Plasticity of Loess

RENXiao-liang，JIANGXi-yan,ZHANGLei-gang

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

The cohesive soil is mainly used in landfill.The loess is more than the cohesive soil in parts of our country.If the loess can replace cohesive soil,it will alleviate the problem of limited cohesive soil in some parts.Loess with different concentrations cupric ion has been investigated in this paper.Shear strength test and plastic index test of the polluted loess are conducted to research the influence of cations pollutants on the strength and plasticity characteristics of loess.It has been proved that the cations can intensify the loess,and cohesion and friction angle are increased.Thus,revising the mechanical parameters of loess is needed.Loessal plasticity index has decreased after being polluted by cationic and the plastic limit is greater than the liquid limit.In a word,cationic has impact on loess strength and plasticity.

landfill;loess;metal cation;strength;liquid;plastic limit

2016-03-17

任晓亮(1990-)，硕士研究生，从事环境岩土工程研究.

TU 411

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