游离氧化铁对压实花岗岩风化土崩解特性的影响

翁峻择,孙 广,马高峰,王志兵,3

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西 桂林 541004;2.中国五冶集团有限公司,四川 成都 610063;3.广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541004)

花岗岩风化土广泛分布于福建、广东、广西一带,是花岗岩经过长期风化作用后破碎的产物,常作为廉价工程材料被用于道路工程项目。由于花岗岩遇水易软化、易崩解[1-3],在降雨的作用下,花岗岩风化土路基常发生崩岗、滑坡等现象,造成严重的损失。为了在工程上更好地利用花岗岩风化土,研究其崩解特性具有重要意义。

目前研究人员已针对花岗岩风化土的崩解特性进行了大量研究。简文彬等[4]进行实验室崩解试验,认为花岗岩风化土在崩解过程中会经历缓慢、快速、缓慢3个阶段。颜波等[5]认为花岗岩风化土自身的结构性、颗粒间吸力决定了其崩解特性。张抒等[6]从微粒角度对花岗岩风化土的崩解过程进行研究,认为花岗岩风化土崩解的主要控制因素是孔隙气压和基质吸力。张先伟等[7]在干湿循环作用下对玄武岩风化土的崩解特性进行研究,讨论多热多雨地区风化土崩解受气候影响的规律。黎澄生等[8]通过微观试验对花岗岩风化土遇水时的瞬态入渗作用进行研究,探索土体崩解过程的初期规律。刘胜等[9]及刘文骏等[10]探索了不同添加剂对花岗岩风化土崩解特性的影响。

游离氧化铁对土体性质存在显著影响。马琳等[11]研究了不含游离氧化铁的红土的力学特性。刘莉等[12]通过去除红黏土中的游离氧化铁,讨论了游离氧化铁对红黏土压实特性的影响。尹松等[13]研究了不同游离氧化铁含量对花岗岩风化土抗剪强度的影响。但是目前对于花岗岩风化土自身所含游离氧化铁对崩解特性影响的研究相对较少。

本文使用还原-络合方法(DCB法)去除花岗岩风化土中所含的游离氧化铁,在不同压实度及含水率条件下对除铁前后花岗岩风化土试样进行室内崩解试验,并通过电镜扫描(SEM)对试样进行微观结构层面的研究,根据试验结果讨论游离氧化铁对花岗岩风化土崩解特性的影响,为花岗岩风化土作为工程材料时的施工提供理论指导。

1 试验材料

试验用土取自广西壮族自治区玉林市容县古泉村,土样主要呈黄褐色,夹杂黑色、棕红色,土质较为松散,属花岗岩全风化土。通过XRD试验得到该土样主要黏土矿物含量为高岭石78%、伊利石22%。根据《土工试验方法标准》[14]测定试验所选材料的基本物理参数,如表1所示。通过标准击实试验得到该花岗岩风化土的最大干密度为1.86 g/cm3,最优含水率为13.6%。

表1 花岗岩风化土基本物理性质

2 试验方法

2.1 游离氧化铁测定与去除

根据《土工试验方法标准》[14]测定游离氧化铁含量,本试验使用的光度测试仪器为上海佑科扫描型可见分光光度计723N型,该仪器可通过测定不同浓度铁标准溶液,在系统自动绘制出铁标准曲线。将处理后的待测液滴入4组培养皿,进行铁浓度的测定,结果取4组的平均值。

目前去除土中游离氧化铁的方法大多采用还原-络合方法(DCB法),其实质是一种去除土中游离氧化铁的“选择溶解”法[12]。本试验采用柠檬酸钠、碳酸氢钠及连二亚硫酸钠制备的溶液对花岗岩风化土进行除铁。具体流程为:取250 g土样放入1 000 mL烧杯中,按顺序加入0.3 mol/L柠檬酸钠溶液500 mL,1 mol/L碳酸氢钠溶液62.5 mL;将烧杯置入水浴锅加热至80 ℃后加入20 g连二亚硫酸钠,搅拌20 min以上。取出冷却后在20 ℃室温下静置24 h以上。加入氯化钠溶液50 mL,用离心机对静置液进行数次分离,直至离心管内液体不再呈现红黑色且固体变为白色。挖出固体,自然风干后进行后续试验。土样如图1所示,左侧为除铁前花岗岩风化土,右侧为除铁后花岗岩风化土,去除土中游离氧化铁后土样大体变为灰白色。

图1 除铁前后土样

2.2 室内崩解试验

崩解试验所用试样如图2所示。根据物性试验测得的最大干密度及最优含水率情况,设置试样干密度分别为1.65 g/cm3、1.85 g/cm3、2.05 g/cm3;含水率分别为10%、13.5%、17%;干密度及含水率交叉组合,共9组试样。为规避使用传统崩解制样方法切割土样时产生的误差,采用静压法将试样压制成61.8 mm×40 mm的圆柱体。

a 除铁前 b 除铁后

试验所用装置示意图如图3所示。试验开始前向水槽内灌水到同一位置,将金属网格挂在浮筒下端的挂钩上,将浮筒连同金属网格浸入水中,记录空载下水面位置浮筒上的读数。将试样放在金属网格上,重复上述操作;记录水面位置浮筒上的初始读数,随后每隔1 min记录一次浮筒读数,直至崩解完成。根据下列公式计算崩解率及崩解速率

图3 崩解装置示意图

(1)

(2)

式中:At为t时刻的崩解率;Rt为t时刻浮筒的读数;R0为试验开始时浮筒初始读数;Re为空载下的浮筒读数;Vt为t时刻的崩解速率;Δt为两次读数的时间差。

试验过程中土体逸出的气泡会影响试验结果,考虑使用张抒等[6]的试验方法减小误差。在试验开始前,先在金属网格上放置一个塑料板,在塑料板上放置试样进行试验,使剥离的土样全部掉落在塑料板上,土样中化学物质溶于水对水密度的影响可忽略不计。记录试验开始时的浮筒读数R1和崩解结束R2,设两者差值为x。假设土体崩解过程中气体均匀逸出,式(1)可修改为

(3)

式中:x为固定值,由上述操作得到;T为崩解完成总用时。

2.3 电镜扫描

SEM电镜扫描可以很好地观察到土样的微观结构,以此解决宏观层面难以解决的问题。操作步骤为:制备干密度1.85 g/cm3、含水率13.5%的两种花岗岩风化土土样;风干后将土样切成边长为1～2 mm的长方体块;在底座贴好导电胶布并把切好的土样装牢;对土样进行喷金后装好试样;放入扫描电镜仪器进行观察。

3 结果分析

3.1 游离氧化铁测定结果

将处理前后两种土样的游离氧化铁分别进行4组测定,统计4组测定结果的平均值,如表2所示。对比华南一带花岗岩风化土的铁含量[15-18],该土样的游离氧化铁含量略高于平均水平。除铁后土样铁含量仅为0.886 g/kg,除铁前土样中接近98%的游离氧化铁被去除,使用该方法进行游离氧化铁去除,效果较好。

表2 土样铁含量

3.2 室内崩解试验结果

试验过程全程用摄像机记录,以干密度为1.85 g/cm3、含水率为13.5%的试样为例,除铁前后花岗岩风化土崩解过程差异明显:除铁前花岗岩风化土崩解过程十分剧烈,试样浸入水中后产生大量气泡,土块大块脱落;而除铁后花岗岩风化土崩解过程较为缓慢,从裂隙中涌出气泡较少,崩解结束后水质更为浑浊(见图4)。

a 除铁前花岗岩风化土崩解过程

根据式(3)计算各时间点崩解率后,绘制崩解率随时间变化的曲线,如图5、图6所示。不同干密度及含水率条件下,土样最终崩解率均达到100%,故花岗岩风化土均能达到完全崩解。花岗岩风化土的崩解过程分为3个阶段:第1阶段发生在崩解初期,崩解发生缓慢,对应崩解曲线开始时的平缓段;第2阶段崩解剧烈发生,崩解率急速增加,可达到90%以上,此阶段是崩解的主要阶段;第3阶段发生在崩解末期,试样已接近完全崩解,崩解逐渐放缓,直至完成。

a ρd=1.65 g/cm3 b ρd=1.85 g/cm3 c ρd=2.05 g/cm3

a ρd=1.65 g/cm3 b ρd=1.85 g/cm3 c ρd=2.05 g/cm3

干密度对花岗岩风化土的崩解特性存在影响。在相同含水率下,花岗岩风化土完成崩解的时间随着干密度的增大而增大,干密度由1.65 g/cm3增大至2.05 g/cm3,土样完成崩解的时间延长2～6倍。且随着干密度的增加,崩解过程的3个阶段特征表现更加显著。

含水率对花岗岩风化土的崩解同样存在影响。在干密度小于1.65 g/cm3时,花岗岩风化土试样的崩解特征未随着含水率的变化而呈现出规律性;在干密度达到1.85 g/cm3时,试样完成崩解所需的时间和含水率的大小成正比。可以认为存在一个干密度值,使得只有在试样干密度超过该值时,含水率开始对试样的崩解情况产生影响。

去除游离氧化铁后花岗岩风化土的崩解情况同样受干密度和含水率的影响,且保持相似的影响规律。统计相同压实情况下除铁前后花岗岩风化土完成崩解所需时间,如表3所示。在相同的干密度和含水率条件下,除铁后花岗岩风化土完成崩解所需的时间大幅增加,完成崩解所需时间延长至除铁前的4～8倍,9组试样中最长用时达59 min。试样的崩解曲线整体更加平缓,且随着干密度的增大,曲线的弯曲段占比逐渐减少。

表3 相同干密度和含水率条件下除铁前后花岗岩风化土崩解所需时间

根据式(2)对各时间点崩解速率进行计算,绘制崩解速率与时间的曲线,如图7、图8所示。崩解速率曲线主要有两种发展模式:一是崩解速率随时间增长,到达峰值后迅速下降;二是崩解速率随时间增长到峰值后,在波动范围内维持在峰值水平一段时间,直至崩解结束。

a ρd=1.65 g/cm3 b ρd=1.85 g/cm3 c ρd=2.05 g/cm3

a ρd=1.65 g/cm3 b ρd=1.85 g/cm3 c ρd=2.05 g/cm3

干密度及含水率同样对试样崩解速率存在影响。在相同含水率下,干密度为1.65 g/cm3的试样曲线更符合模式一;而干密度更大的试样,其崩解速率曲线更趋近于模式二。这一规律在除铁后的花岗岩风化土试样中更为明显。试样的最大崩解速率随着干密度的增大而减小。在相同干密度下,含水率更大的试样曲线更加平缓,在干密度为1.85 g/cm3及2.05 g/cm3时,含水率为17%的除铁后的花岗岩风化土,崩解速率基本在同一范围内波动,最大与最小崩解速率差值不超过4%/min。试样的最大崩解速率基本与含水率大小成反比。除铁后花岗岩风化土最大崩解速率急剧减小,在相同干密度和含水率条件下,除铁后最大崩解速率不超过除铁前数值的一半。

3.3 扫描电镜结果

将花岗岩风化土在电子显微镜下放大10 000倍,如图9所示。由图9 a可知,未经除铁的花岗岩风化土微观结构中存在许多胶结土团,同时掺杂着许多零散的高岭石片,片状矿物多为边-面接触,表面粗糙不平,存在较多孔隙;值得注意的是,土中游离氧化铁在胶结土团间形成许多桥状结构,其对胶结土团起到一定的黏结作用。由图9 b可知,去除游离氧化铁后的花岗岩风化土表面光滑,边界清晰可见,胶结土团基本消失,片状高岭石多为堆叠存在,桥状结构消失。当水流入渗时,除铁前花岗岩风化土中游离氧化铁溶解于水,桥状结构遭到破坏,土体结构被水冲散,胶结土团被水从土样上挤出、脱落,进而使土体发生崩解破坏。而除铁后的花岗岩风化土结构在水中更为稳定,遇水时结构不易被破坏,所以完成崩解所需的时间更久,且整个崩解过程崩解速率的变化更加稳定。

a 除铁前 b 除铁后

3.4 除铁影响机理分析

不同状态的花岗岩风化土试样均能达到完全崩解,可以认为花岗岩风化土具有较强水敏性;试样的崩解强度随着干密度、含水率的增大而变弱,而含有游离氧化铁的花岗岩风化土初始崩解更加剧烈。

从崩解发生的原因来看,在水的作用下,花岗岩风化土颗粒间斥力增强,且在遇水时土体内部黏结结构被破坏,最终土体逐渐分散成散粒,直至土体完全分解。土体表面及内部的裂缝会为水流进入土体内部提供有利条件。随着试样干密度增大,试样压实度增大,使得土体中孔隙被压缩,甚至有许多孔隙变成了闭合孔隙,水流进入土体路径减少。这也是试样抗崩解能力随着干密度增大而变强的原因。较小的初始含水率会使试样内部土粒间产生更大的基质吸力,在水流入渗过程中产生更大的吸力差,这种不平衡的状态会使土体更容易发生脱落,所以含水率小的试样更容易发生崩解。游离氧化铁会在土中形成桥状胶结结构,而因游离氧化铁离子极易溶于水,故该结构遇水易被破坏,使得土粒间的黏结情况更容易受到水的影响,导致土样在水的作用下更容易发生破坏。

4 结论

(1)去除花岗岩风化土中游离氧化铁后,土体抗崩解能力增强,崩解过程不再剧烈,且完成崩解所需时间大幅增加,可延长至除铁前的4～8倍;土体在崩解过程中最大崩解速率减小,且崩解速率的波动幅度较小。选用路基填料或地基换土垫层填料时,氧化铁含量应该作为重要的考虑因素之一。

(2)去除花岗岩风化土中游离氧化铁后,土体抗崩解能力强弱随干密度、含水率变化的规律并未改变;在相同含水率条件下,除铁前后土体发生崩解的强度始终与干密度大小成反比;在达到一定干密度大小后,土体发生崩解的强度与含水率大小成反比,该干密度值可进一步研究。

(3)去除花岗岩风化土中游离氧化铁后,土体微观结构中的易被水破坏的黏结结构消失,土体在水中稳定性有所提升。