pH值对云南红黏土力学特性及微观结构的影响

潘 泰，赵贵涛，黄 英

(1.云南经济管理学院工程学院，昆明 650500；2.武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072； 3.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650500)

0 引 言

云南省位于中国西南边陲，随着其近几年工业产业的迅猛发展，比如，昆钢、中石油云南炼油项目等重大项目的落成，高铁、高速公路的快速建设，烟草、化工等传统行业的稳步发展，云南省经济处于持续高速发展状态。然而，工业生产过程中所产生的“废气、废水、废渣”在排放到周围环境时不可避免地对周围土体造成污染，而这种带有酸性或碱性的污染物在与土体接触时，会与土体中的物质发生化学反应，造成土体结构的改变，进而影响土体的物理和力学性能[1-3]，从而影响土工构筑物的安全性和稳定性。

国内外许多学者进行了大量研究来探明酸性或碱性条件对土体的侵蚀作用，但利用溶液pH值将酸性、碱性进行综合对比分析的研究较少。例如：师莹琨等[4]研究了不同pH值养护环境中掺入玻璃纤维对水泥力学性能的影响；王念秦等[5]通过室内剪切试验研究了不同浓度盐酸溶液对离石黄土剪切特性的影响；牟春梅等[6]研究了不同质量分数的盐酸溶液对桂林红黏土力学性能的影响，同时揭示了酸污染红黏土力学效应弱化机理；Gratchev等[7]采用剪切试验研究了酸浓度对原状土强度参数的影响；常锦等[8]采用饱和慢剪切试验研究了酸雨入渗对膨胀土抗剪强度的影响；李高等[9]采用剪切和压缩试验研究了迁入条件下云南碱污染红土的工程特性；陈筠等[10]采用室内直剪试验研究了贵阳碱污染红黏土抗剪强度及破裂面微观结构特征；李善梅等[11]研究了pH值变化对桂林红黏土界限含水率的影响及其机理。而针对云南红黏土在全pH值范围包含强酸和强碱条件下以及不同酸碱作用时间的力学特性演化试验探究还不够完善。

本文针对云南红黏土，选用盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)对土体进行酸碱处理，通过室内直剪试验探究了酸碱污染红黏土的力学特性演化规律，并通过扫描电子显微镜(SEM)观察了土体微观结构的变化，揭示了土体强度衰减的内在机理。本文研究对云南地区酸碱污染条件下土工构筑物的建设和工程病害防治与分析具有指导意义。

1 实 验

1.1 材料选取与制备

1.1.1 试验用土

试验用土取自云南省昆明市呈贡大学城地下3 m左右，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)测得其基本物理性质，结果见表1。如表1所示，该土样的塑性指数大于17，属于黏土。将土样送往云南省地矿局中心实验室，通过化学分析试验测得红黏土化学成分，结果见表2。如表2所示，该土样的主要化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3。

表1 红黏土的基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties indexes of laterite

表2 红黏土的化学成分Table 2 Chemical compositions of laterite

1.1.2 不同pH值溶液制备

将盐酸溶液和氢氧化钠粉末分别放入烧杯中并加入去离子水配制成pH值分别为0.5、1.6、2.6、12.0、13.0、13.8的六种溶液，考虑到昆明地下水pH值为8.2，因此另外再配制pH值为8.2的溶液模拟原状红黏土的酸碱度，溶液配制完成之后用保鲜膜密封备用。

1.1.3 试验土样制备

将风干、磨碎并过2 mm筛的红黏土放置在105 ℃的烘箱中烘干处理8 h，将pH值为0.5、1.6、2.6、8.2、12.0、13.0、13.8的七种溶液分别用喷壶均匀喷洒在500 g红黏土上，浸润24 h后制备成含水率为28.0%(质量分数)的湿土膏，取湿土105 g，选用击样法将土膏制备成干密度为1.37 g/cm3的环刀试样，将试样密封放置在20 ℃恒温水箱中，其中一部分试样用于直剪试验，一部分用于SEM测试。

1.2 试验方法

1.2.1 直剪试验

考虑pH值变化和酸碱作用时间两个影响因素，确定两种试验方案，具体见表3。

表3 红黏土直剪试验方案Table 3 Direct shear test schemes for laterite

方案一：考虑pH值变化，选取酸碱作用时间为定值。为了让土样与不同pH值溶液进行充分的化学反应，选取酸碱作用时间3 d之后开展100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa法向应力下的直剪试验，分析不同pH值下红黏土的抗剪强度特征。

方案二：考虑酸碱作用时间变化，选取pH值为0.5和13.8的溶液处理后的试样进行100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa法向应力下的直剪试验。参考文献[12]，强酸、强碱作用下的最佳浸润时间分别选定为18 h和24 h。然后，将制好的试样放入恒温水槽中，待达到试验设定的作用时间后开展各级法向应力下的直剪试验，分析不同酸碱作用时间下红黏土的抗剪强度特征，需要指出的是，文中酸碱作用时间包含浸润时间。

1.2.2 微观结构表征

选用美国MLA-650型扫描式电子显微镜观察试样在酸碱作用之后微观结构的变化。分别在直剪试验前后的试样上取1～2 g进行试验，试验前用液氮冷却法去除试样内部水分。最后用Metlab软件编程对微观结构照片进行处理并提取特征数据，定量分析土体微观结构的演化。

2 结果与讨论

2.1 pH值变化对红黏土抗剪强度特性的影响

图1 pH值对红黏土抗剪强度的影响Fig.1 Effect of pH value on shear strength of laterite

图1给出了经历不同pH值酸碱作用后试样的直剪结果，即不同pH值条件下红黏土的抗剪强度及包络线。从图1可以看出：

(1)不同法向应力情况下，与pH=8.2相比，随着pH值的增大或减小，抗剪强度逐渐降低，pH值为8.2时试样抗剪强度最大，pH值为0.5和13.8时抗剪强度最小。

(2)pH值为1.6、2.6、8.2、12.0、13.0时，不同法向应力下，试样抗剪强度集中分布在上方，当酸性和碱性继续增强至pH=0.5和pH=13.8时，试样抗剪强度出现大幅度衰减,即在强酸、强碱情况下，红黏土工程性质发生劣变。

(3)定义红黏土的加权平均抗剪强度(τfm)如式(1)所示。相比pH值为8.2，pH值为0.5、1.6、2.6、12.0、13.0、13.8时，试样的加权平均抗剪强度分别减小40.6%、7.7%、3.0%、2.3%、8.7%、43.7%，且随着酸性和碱性的增强，黏聚力c和内摩擦角φ都逐渐减小。强碱条件下污染红黏土与强酸条件下污染红黏土相比，其黏聚力c和内摩擦角φ均更小，即碱污染红黏土的工程性质更差。

(1)

式中：τfm为加权平均抗剪强度；σ1、σ2、σ3、σ4为各级法向应力；τf1、τf2、τf3、τf4为各级法向应力下对应的抗剪强度。

2.2 作用时间变化对红黏土抗剪强度特性的影响

图2给出了不同酸碱作用时间下，pH值为0.5和13.8时，即强酸、强碱条件下，红黏土的抗剪强度变化情况。

图2 酸碱作用时间对红黏土抗剪强度的影响Fig.2 Effect of acid and alkali action duration time on shear strength of laterite

从图2可以看出，pH值为0.5和13.8时，酸碱污染红黏土的抗剪强度、黏聚力c、内摩擦角φ随着酸碱作用时间延长都逐渐减小，最后都趋于稳定。当pH值为0.5时，与作用时间1 d相比，作用时间为3 d、7 d、15 d、30 d时，红黏土的加权平均抗剪强度分别减小22.6%、37.8%、37.2%、39.3%；当pH值为13.8时，与作用时间1 d相比，作用时间为3 d、7 d、15 d、30 d时，红黏土的加权平均抗剪强度分别减小32.4%、49.3%、50.3%、50.7%，由此可知酸碱污染红黏土的加权平均抗剪强度减小幅度在作用时间1～7 d内较大，在作用时间7～30 d内较小并趋于稳定，并且碱污染红黏土的加权平均抗剪强度减小幅度更大。

表4给出了不同酸碱作用时间下，pH值为0.5和13.8时，即强酸、强碱条件下，红黏土的主要化学成分变化情况。

表4 酸碱作用时间对红黏土主要化学成分的影响Table 4 Effect of acid and alkali action duration time on major chemical components of laterite

从表4可以看出，HCl和NaOH侵蚀红黏土过程分为两个阶段：前期剧烈反应阶段(1～7 d)和后期稳定阶段(7～30 d)。云南红黏土的主要矿物成分是高岭石、褐铁矿、石英，次要矿物是锐钛矿、三水铝石、蒙脱石[14]，这些矿物的主要化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3(含量见表2)。前期剧烈反应阶段中，Al2O3、Fe2O3与HCl反应生成AlCl3、FeCl3，SiO2、Al2O3、游离Fe2O3与NaOH反应生成Na2SiO3、NaAlO2、Fe(OH)2，新产生的物质溶解在孔隙液中，红黏土孔隙增大，颗粒间胶结物质减少，土体变得松散，所以红黏土的抗剪强度急剧下降，SiO2在红黏土中含量最多且只与NaOH发生化学反应，所以碱污染红黏土的抗剪强度减小幅度更大。后期稳定阶段中，新生成的物质又在酸碱溶液中发生离子交换反应生成胶体H2SiO3、Al(OH)3、Fe(OH)3，这些胶体物质吸附在土颗粒表面稳定土体结构，同时又溶解在孔隙溶液中生成可溶盐，最终离子平衡，抗剪强度达到稳定状态。

2.3 微观结构对抗剪强度变化的响应

2.3.1 微观结构照片倍数选取

图3给出了pH值为13.8时，碱作用时间为3 d的不同放大倍数下直剪试验前红黏土的SEM照片。

图3 不同放大倍数下直剪试验前红黏土SEM照片Fig.3 SEM images of laterite before direct shear test with different magnifications

从图3可以看出:500倍SEM照片显示孔隙较小，平片叠聚式粒团和溶剂化层无法区分；2 000倍SEM照片能清晰显示孔隙大小、土体密实情况，还能显示较多粒团以及粒团间的溶剂化层；5 000倍SEM照片显示出的孔隙较大、颗粒较少、粒团较少；10 000倍SEM照片只能显示出极少数粒团和粒团间的结构连结。所以选择放大2 000倍SEM照片作为研究对象。

2.3.2 不同pH值下微观结构对比

图4给出了作用时间为3 d，不同pH值直剪试验前红黏土的SEM照片。

从图4可以看出，pH值为8.2时红黏土结构连结较强，平片叠聚式粒团较多且排列整齐、紧密，pH值为0.5、2.6和13.8时酸碱污染红黏土结构连结较差，平片叠聚式粒团减少且排列紊乱，其中碱污染红黏土的平片叠聚式粒团之间的结构连结破坏，粒团之间充满溶剂化层，体现出较差的工程性质，对应了前文酸碱污染红黏土的抗剪强度较差且碱污染红黏土的抗剪强度最差的结论。

图4 不同pH值下红黏土微观结构照片Fig.4 Microstructure images of laterite at different pH values

2.3.3 不同作用时间下微观结构照片对比

图5给出了pH值为0.5时，不同作用时间下直剪试验前红黏土的SEM照片。

图5 不同作用时间下红黏土微观结构照片Fig.5 Microstructure images of laterite under different action duraction time

从图5可以看出，随着作用时间延长，酸污染红黏土的孔隙增大，土颗粒变得分散，结构连结变弱，平片叠聚式粒团之间的溶剂化层增加。15 d时粒团之间的结构连结被破坏，粒团表面出现溶剂化层，30 d时土体表面有较发育的溶剂化层，且粒团内部黏土矿物颗粒之间的结构连结被破坏，土颗粒分散，土体结构破坏严重。此现象证明随着作用时间延长，酸污染红黏土的工程性质变差，抗剪强度减小。

2.3.4 剪切前后微观结构对比

图6给出了作用时间为3 d，pH值为0.5和13.8时，剪切前后红黏土的SEM照片。

从图6可以看出，pH值为0.5时，酸污染红黏土剪切后，颗粒排列更加整齐，平片叠聚式粒团更具有定向性，这是因为HCl溶液短时间内只能破坏粒团间的结构连结，土体受到外力作用时，所有粒团更容易朝着一个方向运动。pH值为13.8时，碱污染红黏土剪切后，平片叠聚式粒团减少，颗粒聚集在一处，孔隙增大，这是因为NaOH溶液短时间内可以破坏粒团间的结构连结和粒团内部黏土矿物颗粒之间的结构连结，土体受到外力时，颗粒更容易产生位移。通过对比可以发现，碱污染红黏土的工程性质较差。

图6 剪切前后红黏土微观结构照片Fig.6 Microstructure imags of laterite before and after shearing

2.3.5 微观结构特征参数分析

采用与文献[15]相同的方法得到剪切前后红黏土的孔隙率n和颗粒分布分维Dk。图7给出了作用时间为3 d，pH值为0.5、2.6、8.2、13.8时，n和Dk的演化规律。

图7 不同pH值下剪切前后红黏土微观结构特征参数Fig.7 Microstructure characteristic parameters of laterite before and after shearing at different pH values

从图7可以看出，与pH值为8.2时相比，pH值为0.5、2.6、13.8时，剪切前孔隙率n分别增加34.7%、28.4%、69.2%，剪切后孔隙率n分别增加39.3%、18.8%、49.5%，剪切前颗粒分布分维Dk分别减少11.9%、7.8%、16.1%，剪切后颗粒分布分维Dk分别减少8.3%、4.9%、11.7%。这是因为原状红黏土的粒团间和粒团内部颗粒间都有较强的连结，孔隙率小，土体结构复杂，酸碱溶液侵蚀土体，胶结物质减少，粒团间和粒团内部颗粒间的连结被破坏后出现溶剂化层，孔隙变大，土体结构被破坏，受到外力作用时，土颗粒易发生位移聚集在一处。

3 结 论

(1)与pH值为8.2下相比，随着pH值升高或者降低，红黏土颗粒间的胶结物质溶解在孔隙液中，土体结构受到破坏，土颗粒间的内摩阻力减小，酸碱污染红黏土的抗剪强度、黏聚力c、内摩擦角φ都逐渐减小。

(2)pH值为0.5和13.8时，随着酸碱作用时间延长，HCl和NaOH侵蚀红黏土过程分为两个阶段：前期剧烈反应阶段和后期稳定阶段。前期红黏土颗粒间的胶结物质与酸碱溶液发生化学反应，抗剪强度减小幅度较大，后期离子平衡，抗剪强度达到稳定状态。

(3)对酸碱污染红黏土的微观结构照片和特征参数分析，证实酸碱污染红黏土抗剪强度变差是酸碱溶液侵蚀土体结构所致。

(4)碱污染红黏土与酸污染红黏土相比较，前者工程性质更差，抗剪强度较小，土体结构连结较弱。