库水环境变化对分散性土工程性质的影响

余佳辉 樊恒辉 张路 车雯方 张勇 杨秀娟

摘要：以分散性土为研究对象，在土中掺入不同质量分数的盐酸和氢氧化钠模拟库水环境的变化，进行针孔、碎块、压缩、直剪、扫描电镜等试验，分析了库水环境变化对分散性土的分散性、压缩变形特性、杭剪强度以及微观结构特性的影响。结果表明：酸碱对分散性土的分散性、压缩变形特性以及杭剪强度均有顯著影响，库水环境中酸碱含量的增加均可抑制土体的分散性；碱性库水环境下分散性土的压缩模量、黏聚力、内摩擦角随着碱含量增大呈现先增后减的变化规律，而酸性库水环境下分散性土的压缩模量、黏聚力和内摩擦角随酸含量的增大而减小。研究结果说明，在碱性库水环境条件下，分散性土坝较为安全，而当库水呈酸性时，需要密切关注分散性土坝的工程性能变化。

关键词：分散性土；库水环境；分散性；压缩性；杭剪强度

中图分类号：TV443 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.032

从渗透稳定的角度可将黏性土分为分散性土、过渡性土和非分散性土三类。在低含盐量水中（或纯净水中）分散性土细颗粒之间的黏聚力会大部分甚至全部丧失，呈团聚体存在的颗粒体会自行分散成原级黏土颗粒[1]，其抗冲蚀能力很低，容易造成堤坝管涌、路基失稳等，因此危害性很大[2]。而由分散性土构筑而成的大坝、水渠等广泛分布于我国东北、西北、华北等地区，存在一定的安全以及寿命问题。工程实例中，常采用石灰、水泥改善分散性土的工程性质[3-4]。这些常规的无机改性剂多为碱性材料，其水化产物也以碱性物质为主。据统计，普通硅酸盐水泥完全水化后产生的Ca（OH）2含量可达20%[5]。分散性土与库水酸碱度以及离子种类有着密切关联，缓慢的化学反应终将导致筑坝材料产生由外至内的改变。此外，生活、农业、工业中排放的污染物增多，以及酸雨的降落，使得部分库水的pH值和离子种类发生变化，而分散性土坝料呈强碱性，缓慢的酸碱反应会破坏筑坝分散性土中的部分胶结物质，甚至严重威胁分散性土大坝的使用寿命。

目前，许多学者从化学侵蚀的角度对特定环境下建筑材料的物化特征及工程性质进行了研究。刘汉龙等[6-8]对酸碱污染土进行了研究，发现酸碱对土体有机质含量、颗粒相对密度、液塑限、压缩模量、黏聚力以及内摩擦角均有显著影响。梁冰等[9]通过压缩试验分析了酸碱溶液作用下尾矿砂的压缩特性，结果表明酸碱溶液浸泡过的尾矿砂的压缩模量均比原状土的大。杨华舒等[10]通过加速寿命原理设计了红土的碱侵蚀试验，分析了碱性物质对红土的侵蚀劣化机制与红土工程的劣化速度与趋势。陈华等[11]通过配制含有不同阳离子和浓度的电解质溶液，采用针孔、碎块、崩解等方式对非分散性土和分散性土进行试验，研究了土一水一电解质系统作用下黏性土的分散特性。李志敬等[12]对比了蒸馏水和黄河水两种不同水质情况下人工配制的土样在针孔试验下的分散性，发现黄河水对土样分散性有抑制作用。

目前，对分散性土的研究主要集中在分散机理分析[13]以及改性应用[3-4]方面，有关化学环境方面的研究鲜有报道，而针对水利工程中库水环境变化下的分散性土筑坝的研究更少。笔者以分散性土为研究对象，以HCl和NaOH为侵蚀污染源，进行了分散性试验、压缩试验、直剪试验、扫描电镜试验，以期从宏、微观的综合角度探讨库水环境作用下分散性土的工程性质变化，为分散性土坝的运行管理提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验中分散性土样的物理化学性质见表1。利用针孔试验和碎块试验对土样的分散性进行判别，并根据黏性土分散性的判别准则与方法，计算土样的分散值F可知[14]，试验所用土样为化学性分散性土。

本试验所用的主要试剂：分析纯氢氧化钠，广东光华科技股份有限公司生产；36%～38%盐酸，西安化学试剂厂生产。试验过程中使用的水均为去离子水。

结合工程实际情况，本试验所用酸碱侵蚀分散性土样由分散性土与不同质量分数的盐酸和氢氧化钠的水溶液直接混合配制而成。试验所用酸侵蚀分散性土样中盐酸掺量（质量分数）分别为0.01%、0.03%、0.05%、0.10%，碱侵蚀分散性土样中氢氧化钠掺量（质量分数）分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。将预先配制好的酸碱溶液分层喷洒于试验土样中使其达到最优含水率后密封静置24h，充分搅拌均匀后将土样制成各试验所需规格试样。压缩试验压实度采用90%、92%、94%、96%，其余试验压实度均为96%。

1.2 试验方法

试验内容包括分散性试验、压缩试验、直剪试验、扫描电镜试验。分散性试验包括针孔试验（ASTM-D4647-93）[15-16]和碎块试验（ASTM-D6572—00）[17]，其方法参照美国材料与试验协会制定的试验规程。压缩试验试样尺寸为79.8mm（直径）×20.0mm（高）的圆柱体，抽气饱和后采用逐级加载的方式，加载等级为6级，分别为25、50、100、200、400、800、1600kPa。加载及读数按照《土工试验方法标准》[18]进行。直剪试验试样为61.8mm（直径）×20.0mm（高）的圆柱体，试样抽气饱和后采用固结快剪的方式进行试验，竖向压力为100、200、300、400kPa，剪切速率为0.8mm/min。扫描电镜试验采用S-3400N型扫描电子显微镜，把新鲜断裂面作为观察面，放大倍数为1000倍。

2 试验结果与分析

2.1 库水环境变化对分散性土分散性的影响

针孔试验通过观察土样的针孔形状、流量及水流的浑浊程度来判定其分散性能。碎块试验通过观察土块在水中崩解形成的胶粒的分散特性及水的浑浊程度来判定其分散性能。库水环境变化下分散性土的分散性试验结果见表2。

由表2可以看出，不同的库水环境影响下分散性土的分散性能明显不同。①分散性土在针孔试验中50mm水头下，针孔迅速被冲蚀扩大，土颗粒不断被水流带出；碎块试验中土块迅速崩解成原级的土颗粒，溶液成为浓黏粒悬液，土壤胶体布满整个烧杯底部。因此，本试验土样属于分散性土。②碱性库水环境下，随着氢氧化钠质量分数的增大，试验土样的分散性状逐渐减弱。当氢氧化钠质量分数为0.5时，试验土样仍为分散性土；氢氧化钠质量分数为1.0%和1.5%，试验土样由分散性土转化为过渡性土，试验照片见图1（b）和图2（b），针孔尺寸扩大，碎块接触水后轻微反应，崩解的土块周围分布有肉眼可见的少量胶粒，水体轻微浑浊。当氢氧化钠质量分数为2.0%时，试验土样由分散性土转变为非分散性土，试验结果见图1（c）和图2（c），针孔尺寸无明显变化，烧杯底部无明显胶体扩散现象，水体清澈。③酸性库水环境下呈现的规律与碱性库水环境下的基本相同，随着盐酸质量分数的增大，试验土样的分散性状逐渐减弱。但酸性库水环境相较于碱性库水环境对土样的影响更大，具体表现在：当盐酸质量分数低至0.01%时，试验土样仍呈现分散性状；当盐酸质量分数为0.03%时，试验土样由分散性土转变为过渡性土；当盐酸质量分数为0.05%和0.10%时，试样土样呈现非分散性土的性状。

库水环境变化对分散性土分散特性的影响主要从库水的pH值和库水中离子浓度两方面体现。试验研究和工程实践表明，分散性土中含有较多的钠离子，呈强碱性，本试验中分散性土符合这两点。从双电层理论分析，碱性库水环境虽然满足了分散性土高pH值的特点，但是随着库水环境中钠离子含量的不断增大，双电层厚度与分散介质中離子质量分数的平方根成反比关系，故离子质量分数的增大压缩了双电层的厚度，使离子间的排斥力减小。另外，随着碱质量分数的增大，库水中游离的OH-含量也逐渐增大，一部分可与土体游离的Ca2+、Mg2+结合发生沉淀，另一部分可与暴露在矿物边缘的氧化铝和氧化硅反应，填补土体本身的孔隙。

酸性库水环境下，随着盐酸质量分数的增大，库水环境中H+含量亦逐渐增大，降低了土体中的OH-含量，抑制了黏土颗粒表面和边缘处羟基的分解，减少了黏土颗粒的有效负电荷，使得土颗粒之间的斥力减小，宏观表现为分散性能降低。此外，H+与土体中的碳酸钙发生反应，生成了Ca2+，增加了土体中可溶性Ca2+含量，也降低了土体中Na+的相对含量，抑制了土体的分散性。

2.2 库水环境变化对分散性土压缩特性的影响

固结压缩试验可以模拟自然库水环境下分散性土坝在自重以及土-水-介质耦合作用下产生的变形沉降量。

2.2.1 酸碱质量分数对分散性土压缩变形的影响

图3（a）为碱性库水环境下分散性土体压缩模量和库水中氢氧化钠质量分数的关系图。可以看出，碱性库水环境对分散性土压缩变形有显著改善作用。不同压实度下土体压缩模量随氢氧化钠质量分数的变化呈现相同的变化趋势，即在较低氢氧化钠质量分数下，土的压缩模量随着氢氧化钠质量分数的增大而增大，当库水环境中氢氧化钠质量分数为1.5%时，土的压缩模量达到峰值，随着质量分数的继续增大，土的压缩模量减小明显，但仍大于原分散性土的压缩模量。

图3（b）为酸性库水环境下分散性土体压缩模量和库水中盐酸质量分数的关系图。不同于碱的“固化”作用，酸性库水环境下分散性土压缩变形均大于原分散性土的。不同压实度的土体压缩模量随盐酸质量分数的变化趋势大体一致，即土的压缩模量随着盐酸质量分数的增大而递减，曲线斜率随着压实度的增大而增大。

当库水环境中碱含量达到一定值时，首先发生富钙相的溶解，即氢氧化钠与土体中的钙镁离子发生置换，反应结果使土颗粒表面生成碱土金属的氢氧化物，一定程度上起到了胶结土颗粒、减少孔隙的作用，增强了土体的稳定性。反应方程式如下：

NaOH+Ca2+（土粒）→Na+（土粒）+Ca（OH）2

NaOH+Mg2+（土粒）→Na+（土粒）+Mg（OH）2

但当库水环境中碱的含量持续增大时，碱性物质会消耗土体中的倍半氧化物如二氧化硅、氧化铝等中性或酸性氧化物。反应方程式如下：

NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O

NaOH+Al2O3→Na2Al2O3+H2O

在酸性库水环境下，水体中大量的H+会侵蚀土体中的各种胶体、难溶盐以及游离氧化物，并且随着酸含量的增大，这种腐蚀作用会增强，导致土体的孔隙比增大，从而加快分散性土坝的沉降。

2.2.2 压实度对分散性土压缩变形的影响

压实度对分散性土的压缩变形影响见图4。酸碱库水环境下分散性土压实度对土压缩变形的影响规律一致，即在相同的酸碱质量百分比下，分散性土的压缩模量随着土样压实度的增大而增大，土体更不易压缩。当无酸碱侵蚀时，压实度由90%增大到96%，土体的压缩模量由2.58mPa增大到约6.27mPa，提高143.02%。

随着压实度的增大，土颗粒之间的孔隙被压缩，初始孔隙比减小，土颗粒接触更加密实，宏观表现为土不易压缩变形；随着孔隙比的减小，库水渗流通道减少，使土颗粒受酸碱侵蚀的面积减小，降低了土颗粒之间胶结物质的溶蚀。

2.3 库水环境变化对分散性土抗剪强度的影响

抗剪强度是衡量筑坝材料性能的重要指标之一，是进行坝体稳定验算的重要参数。固结快剪试验可以模拟自然库水环境变化对分散性土坝受自重以及土-水一介质耦合作用时抗剪强度的影响。

黏聚力和内摩擦角是衡量黏性土抗剪强度的重要指标。不同库水环境下分散性土的抗剪强度指标见表3。分散性土在饱和状态下抗剪强度较低，具体表现为黏聚力较小。碱性库水环境下，黏聚力随着库水环境中碱含量的增大呈现先增后减的趋势，当碱质量分数为2.00%时，黏聚力低于分散性土的；内摩擦角呈现的规律与黏聚力基本一致，当碱含量低于2.00%时，内摩擦角波动变化，高于2.00%时其快速降低。碱性库水环境对分散性土抗剪强度存在影响的原因是：当碱含量较低时，碱能促进分散性土中游离钙镁离子的沉淀，并生成胶结物质，削弱了土颗粒之间的相对滑动；但当库水中碱含量增大时，碱反而会侵蚀土颗粒中的胶结物质，使土颗粒表面变得光滑，减少了土颗粒之间的滑动摩擦，黏聚力和内摩擦角随之降低。

酸性库水环境下，黏聚力和内摩擦角均随着库水环境中酸含量的增大而减小，当酸质量分数增至0.10%时，土体黏聚力降至1.72kPa。酸性库水环境对分散性土抗剪强度的影响主要原因是酸溶解破坏了颗粒之间的胶结物质，削弱了土颗粒之间的连接作用，导致土体黏聚力减小。

2.4 库水环境变化对分散性土微观结构的影响

土体微观结构是颗粒、孔隙排列和颗粒之间胶结等的综合反映，扫描电镜可获得高分辨率的图片，故可利用扫描电镜对土样的微观结构进行定性分析，分析内容主要包括土样的颗粒组成、连接形式以及孔隙特征等。图5为酸碱侵蚀分散性土的典型SEM图像。

未受酸碱侵蚀的分散性土的SEM图像见图5（a）。可以看出，分散性土的土颗粒边界明显，主要为薄片状颗粒，另外分布有少量凝块状颗粒；颗粒之间接触形式主要为面面接触，部分颗粒间为点接触；骨架单元体间分布着架空孔隙，颗粒之间胶结松散。

图5（b）、（c）和（d）为碱性库水环境下分散性土的SEM图像。当碱含量低于1.50%时，土颗粒边界不清晰，表面有致密的胶体包裹，形成集粒；土骨架内分布大量团状结构，架空孔隙被填充，土体变得不易压缩。但随着碱含量增大，土骨架变为大小不一的土颗粒堆积、土颗粒表面缺少胶结作用的胶体；土骨架中分布大量大小不一的孔洞状联通孔隙，局部板状颗粒间有狭缝状孔隙，土体变得易压缩。孔隙的增多一方面是碱溶蚀了土体中的各种胶体，另一方面大量的Na+进入土体的扩散层和固定层，使得弱结合水增加，削弱了土体之间的连接力，从而使得土体膨胀，孔隙比增大。

图5（e）和（f）为酸性库水环境下分散性土的微观结构图像，可以看出土颗粒边界清晰，土颗粒被侵蚀成细胞状，土骨架由神经网状颗粒组成，分布大量大孔隙、架空孔隙和粒间孔隙，颗粒间缺少起胶结作用的团聚体；集粒与凝块状颗粒比分散性土显著减少，颗粒之间的接触形式主要为点接触，颗粒随着库水中酸含量的增大而变得细小和松散。

3 结论

（1）酸碱库水环境都对分散性土体的分散性有抑制和改善作用，但分散性土的压缩模量、黏聚力和内摩擦角随着库水环境中碱含量的增大呈现先增后减的趋势，随着库水环境中酸含量的增大而减小。因此，在碱性库水环境条件下，分散性土坝较为安全，但在酸性库水环境下（如酸雨），需要密切关注分散性土坝的工程性能变化。

（2）酸碱库水环境对分散性土的作用机制主要包括土表面的离子交换作用以及酸碱对土胶体的腐蚀作用。但由SEM图像可以看出，随着酸碱含量的增大，十颗粒变得细小，孔隙增多，但无分散性状，这与土体内部的化学性质有关，其具体机制有待进一步研究。