KCl溶液对红黏土骨架结构与抗剪强度影响的试验研究

刘 冲，肖桂元，2*，刘 闯，张达锦

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004； 2.中国地质大学，湖北 武汉 430000)

红黏土是一种由石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石在亚热带温热气候条件下经风化作用而形成的褐红色的黏性土，其主要矿物成分有高岭石、云母、胶体SiO2、赤铁矿及三水铝土矿等。它主要分布在贵州、广西、云南等地，是一种区域性特殊土。Liu等[1]和Lei等[2]通过研究土中矿物成分及含量与土体本身的工程关系,得出土的工程性质受其自身矿物组成成分及所占比例的影响，根据红黏土矿物成分及所占比例,可以得出红黏土与其他土类工程性质的差异性。红黏土本身不仅具备强度高、承载力大及压缩性低等特性，而且具有黏粒含量高、水稳定性差及胀缩性大等不稳定性物理性质。因此，前人对红黏土的工程性质进行了大量研究，李善梅等[3]利用室内力学试验研究不同浓度的碳酸铵溶液对红黏土工程性质的影响，结果发现随着碳酸铵溶液浓度的增加，红黏土的黏聚力和渗透性都有所增强，但红黏土的压缩模量相对减小；张炳峰等[4]对不同压力条件下的饱和黏性土体进行应力关系试验，证明黏性土体的亲水性对弱结合水排出的临界孔隙比有直接影响。房营光等[5]、谷任国等[6]采用改进的直剪蠕变仪试验方法，研究土体的流变性与土中矿物成分及强、弱结合水之间的关系，试验结果表明土中矿物含量的增加会导致土体的黏滞系数减小，且发现土中矿物是通过颗粒表面的结合水影响土的流变性，即强结合水含量的增加会导致流变变形阻力减小，而当达到吸附结合水含量时，弱结合水含量的增加会导致流变变形阻力增大。周志国等[7]从结合水角度分析了红黏土在动力条件下发生剪切破坏，是因为结合水含量的减少引起颗粒之间黏聚力的降低。李硕等[8]、许增光等[9]、Min等[10]、党发宁等[11]及张玉等[12]通过试验研究了黏性土渗透特性与土中结合水含量之间的关系，按照微观结合水“固化”的等效原则，得到了黏性土渗流系数等效计算方法。牟春梅等[13]通过力学试验发现酸污染会造成红黏土压缩性增强、抗剪强度降低及黏聚力减小。

近年来，关于结合水与土体力学性质关系的研究取得了一定进展，毕仁能等[14]和崔德山等[15]从微观方面分析发现土体孔隙中的化学溶液会造成黏土颗粒表面结合水膜变薄，引起土粒与土粒之间的吸引力增大，增强了土的抗剪强度。但关于离子浓度引起不同矿物构成的黏性土结合水的温度区间和含量变化，以及根据土中结合水含量变化与离子浓度的改变两个因素综合分析对土体工程性质的影响方面研究较少。因此，本文通过探究KCl溶液浓度改变后，红黏土中结合水发生的变化对土体工程性质的影响，为工程实践提供参考依据。

1 试验土样的制备与分析

试验土样取自广西壮族自治区桂林市雁山镇红黏土，取土深度为3～4 m。现场取样时并未取得实际所需污染土样，将现场取回的红黏土进行自然风干、碾碎、过2 mm土工筛，测得土样的风干含水率为6.27%，对土样做基本的室内土工试验，得出土样的物理性质指标如表1所示。根据工程实地调查确定KCl溶液浓度依次为0 .00、0.01、0.10、0.30、0.50、1 .00 mol/L，试验所用不同浓度KCl溶液按比例采用KCl晶体(分析纯)与蒸馏水配制而成。

表1 红黏土的物理性质指标Tab.1 Physical property indexes of red clay

红黏土中的黏粒颗粒含量是土中产生结合水的主要原因，其含量对土样的宏观力学性质及微观性质均有重要影响。因此，通过对红黏土进行颗粒分析试验，分析土样颗粒含量的组成情况，结果表明，红黏土中的黏粒颗粒含量为31.6%，比一般土中的黏粒颗粒含量高，试验土样具体粒组成分组成见表2。

表2 红黏土粒组颗粒含量占比Tab.2 Percentage of grain group of red clay

2 热分析试验及结果分析

2.1 热分析试验

采用热失重的方法，分别对0 .00、0.01、0.10、0.30、0.50、1 .00 mol/L KCl溶液污染后的试验土样进行结合水测试。试验采用的土样为重塑红黏土，为避免试验土样受到土中有机质和电解质的干扰，试验开始前依次对土样进行处理。首先，用浓度为30%的H2O2溶液与土样充分反应，静置6 h，再放入恒温水浴箱去除土中残留的H2O2溶液，并经过105 ℃烘箱烘干去除有机质；随后进行电解质的去除。通过洗滤去除电解质，具体步骤为一般的洗盐步骤，其中每洗2次，测量处理土样上清液的电导率，直到土样上清液的电导率值保持稳定，则土样电解质处理完成；将处理后的土样放入105 ℃烘箱烘干后过0.075 mm筛。为制备不同浓度KCl溶液的试验土样，采用向红黏土中依次添加0 .00、0.01、0.10、0.30、0.50、1 .00 mol/L浓度KCl溶液的方式进行配制，并将配好的土样用双层保鲜膜密封14 d，使含有K+的溶液均匀渗入土样，对每种浓度取(26±1) mg的土样进行测试。试验仪器采用珀金埃尔默仪器(上海)有限公司生产的STA8000同步热分析仪(图1)。

图1 STA8000同步热分析仪Fig.1 Synchronous thermal analyzer 8000(STA8000)

2.2 热分析试验结果分析

STA8000同步热分析仪的升温温度为25～400 ℃(室温26 ℃)，升温速率10 ℃/min。热流量大气流速设为20 mL/min，试验气体为氮气。首先，依次对0.00、0.01、0.10、0.30、0.50、1.00 mol/L KCl溶液污染后的红黏土试样进行热失重试验，试验结果用TG曲线表示(即样品失重质量G与温度T的关系曲线)。然后，对TG曲线做一次微分曲线(DTG曲线)，相比TG曲线，DTG曲线的优点是可以看到明显的吸热峰，确定失重温度区间。综上，本文采用TG曲线得到不同浓度KCl溶液下红黏土内结合水的具体含量变化，由DTG曲线上的吸热峰确定弱、强结合水的失重温度区间，结果如图2～图7。

图20.00 mol/L KCl浓度下的TG-DTG曲线Fig.2TG-DTG curve at 0.00 mol/L KCl concentration图30.01 mol/L KCl浓度下的TG-DTG曲线Fig.3TG-DTG curve at 0.01 mol/L KCl concentration

图40.10 mol/L KCl浓度下的TG-DTG曲线Fig.4TG-DTG curve at 0.10 mol/L KCl concentration图50.30 mol/L KCl浓度下的TG-DTG曲线Fig.5TG-DTG curve at 0.30 mol/L KCl concentration

图60.50 mol/L KCl浓度下的TG-DTG曲线Fig.6TG-DTG curve at 0.50 mol/L KCl concentration图71.00 mol/L KCl浓度下的TG-DTG曲线Fig.7TG-DTG curve at 1.00 mol/L KCl concentration

由图2～图7可知，每条DTG曲线均含有3个明显的吸热峰，每个吸热峰所对应的温度为土中结合水失重温度，吸热峰峰值在TG曲线上对应的纵坐标为样品失重质量百分比，即某个温度范围内失去的土中水质量百分数。且从图2～图7的DTG曲线可看出样品失重阶段分为3个阶段，每个阶段所对应的TG曲线上失去的土中水的类型依次为自由水、弱结合水、强结合水。根据图2～图7分析得出，不同浓度KCl溶液下红黏土中自由水、弱结合水、强结合水所对应的失重温度区间及各个浓度KCI溶液下红黏土中自由水、弱结合水、强结合水的含量，结果如表3和表4所示。

由表3可知，当KCl溶液浓度从0.00 mol/L增加到1.00 mol/L时，自由水失重温度区间由30.04～62.27 ℃变化至30.04～76.65 ℃，强结合水失重温度区间由137.10～285.79 ℃变化至117.15～287.42 ℃，失重温度区间有所增大；而弱结合水失重温度区间由62.27～137.1 ℃变化至76.65～117.15 ℃，失重温度区间明显减小。

表3 不同浓度KCl溶液中自由水、弱结合水、强结合水所对应的失重温度区间Tab.3 Weight loss temperature intervals corresponding to free water，weakly bound water and strong bound water in different concentrations of KCI solution

由表4可知，当KCl溶液浓度从0.00 mol/L增加到1.00 mol/L时，自由水含量由0.959 2%增大至7.244%，弱结合水含量由1.229 2%增大至4.768%，结合水含量有所增加，而强结合水含量由1.420 2%减小至1.256%，结合水含量略微减少，但总体来说结合水的含量是增加的。

表4 不同浓度KCl溶液中结合水含量Tab.4 Content of bound water in different concentrations of KCI solution

由试验分析可知，引起红黏土中结合水的失重温度区间及含量变化的主要原因是：当红黏土孔隙中KCl溶液浓度增加后，正电荷K+含量增多，黏土颗粒表面负电荷紧密吸附着溶液中的阳离子，促使红黏土颗粒表面Zate电位增加，引起固定层K+对扩散层中K+排斥作用增大，导致扩散层厚度变厚，结合水含量增加；热分析试验结果中的失重温度区间和结合水含量变化表明，K+影响下减小的结合水量主要为弱结合水，较高KCl浓度对强结合水的失重温度区间及结合水含量影响不大。

3 渗透试验及结果分析

本试验通过变水头渗透试验测定不同浓度KCl溶液中重塑红黏土的饱和渗透系数，研究不同浓度KCl溶液对其渗透性的影响，试验结果如表5所示。

制备试样时，为了使土样在环刀内尽可能均匀分布，将土样分层加入环刀内，且每次分层都进行刮毛试样表面，使其充分接触，每种试样都制备3个平行样进行对照试验。

变水头渗透试验渗透系数按如下公式计算：

(1)

式中：a为变水头管截面积(cm2)；A为试样面积(cm2)；t为渗流时间(s)；L为渗径(cm)，等于试样高度；Hb1为开始时水头(cm)；Hb2为终止时水头(cm)。

由表5可知，在相同条件下，KCI溶液浓度为0.00 mol/L时，污染土的平均渗透系数为3.054 5×10-9cm/s；KCI溶液浓度为0.30 mol/L时，污染土的渗透系数为5.211 0×10-11cm/s；KCI溶液浓度为1.00 mol/L时，污染土的渗透系数为2.782 8×10-10cm/s。随着KCl浓度的增加，红黏土的渗透系数呈现出先上升后下降的趋势，但总的来说，渗透系数受KCl溶液浓度的影响减小了，主要原因是：(1)随着KCl溶液浓度的增加，土中K+含量增加，黏土颗粒表面负电荷紧密吸附着溶液中的K+，促使红黏土颗粒表面Zate电位增加，引起固定层K+对扩散层中K+排斥作用增大，导致扩散层厚度变厚，结合水含量增加；而红黏土中结合水与自由水相比，具有较高的稳定性和黏滞阻力，从而使红黏土渗透系数减小。(2)随着土中KCl溶液浓度的增加，土中结合水含量变大，土体内矿物成分和胶体受到溶液侵蚀发生反应，破坏原土样的结构并产生沉淀聚集于土体孔隙中，造成土体孔隙变小，使得红黏土试样变得密实，进而使红黏土的渗透性变弱。

4 直剪试验

该试验采用的仪器是南京土壤仪器厂有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪。通过向红黏土中分别添加浓度为0 .00、0.01、0.10、0.30、0.50、1 .00 mol/L 的KCl溶液来制备试验样品，并采用快剪试验的方法研究KCl溶液对红黏土性质的影响。结果如图8所示。

图8 不同浓度KCl溶液污染红黏土试样的抗剪强度曲线Fig.8 Shear strength lines of red clay samples contaminated with KCl solution of different concentrations

由图8可知，在相同压实度和同等受力条件下，试验土样随着KCl溶液浓度的增加，红黏土抗剪强度逐渐降低，且减小的幅度逐渐增大。其主要原因是：(1)因为土样受到不同浓度KCl溶液侵蚀，破坏了红黏土内部颗粒之间游离氧化铁胶结状态，使其黏聚力减小，抗剪强度降低。(2)随着KCl溶液浓度的增加，土样孔隙及表面有KCl晶体析出，破坏试样结构，使其完整性降低，进而导致红黏土的抗剪强度降低。

5 讨论与结论

本文通过研究不同浓度KCl溶液下红黏土结合水失重温度区间和含量的变化，并结合土中结合水含量变化与离子浓度的改变两个因素综合分析其对土体工程性质的影响。与韩婷婷等[16]研究土中结合水含量的改变对土体力学性质的影响相比，本文通过不同浓度KCl溶液下土中结合水温度区间不同强、弱结合水含量的改变的研究，明确了土体力学性质的改变主要是由弱结合水含量的改变引起的；与何俊等[17]研究土中结合水膜厚度的改变对土体流变性的影响相比，本研究更加清楚地解释了结合水膜厚度的改变是由土中正电荷离子浓度改变引起的。本研究采用微观与宏观相结合的方法全面分析了土体工程性质发生改变的原因，得到结论如下：

(1)当红黏土孔隙中KCl溶液浓度增加后，正电荷K+含量增多，黏土颗粒表面负电荷紧密吸附着溶液中的阳离子，促使红黏土颗粒表面Zate电位增加，引起固定层K+对扩散层中K+排斥作用增大，导致扩散层厚度变厚，结合水含量增加；热失重试验结果中的失重温度区间和结合水含量变化表明，K+影响下减少的结合水含量主要为弱结合水，较高浓度KCl对强结合水的失重温度区间及结合水含量影响不大。

(2)随着土中KCl溶液浓度的增加，K+含量变多，结合水含量变大，土体内矿物成分和胶体受到溶液侵蚀发生反应，破坏原土样的结构并产生沉淀聚集于土体孔隙中，使得土中黏滞阻力加大，导致红黏土渗透系数减小。

(3)随着KCl溶液浓度的增加，土样受到不同浓度KCl溶液的侵蚀，使红黏土内部颗粒之间游离氧化铁胶结形态遭到破坏，试样内部孔隙及表面有KCl晶体析出，完整性降低，进而导致红黏土的抗剪强度降低。