硫酸根溶液溶滤作用下复合黄土渗透特性研究

摘 要：【目的】研究降水和地表径流中离子与土体接触后发生的物化反应对土体物理力学性质的影响，进而探究其对路基承载能力的影响。【方法】以郑州某地黄土、再生混凝土骨料和硫酸根溶液为试验材料，利用三轴试验仪对不同掺量复合黄土试样在不同硫酸根离子浓度条件下开展固结、渗透、排水剪切和电镜扫描试验。【结果】掺入再生混凝土骨料后，试样的渗透系数增加了3.95～4.32倍；随着溶液浓度的提高，渗透系数下降到原来的34.3%～38%。【结论】掺入再生混凝土骨料后，路基渗透系数增大，承载能力显著提升；溶液浓度的提高会导致渗透系数降低，进而降低路基承载能力。

关键词：渗透系数；再生混凝土骨料；硫酸根离子浓度；孔隙率

中图分类号：TU45 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）21-0062-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.013

Study on Permeability Characteristics of Composite Loess Under Soluble Filtration of Sulfate Solution

ZHANG Hengchang XING Tianyou ZHAO Xuanbo YU Haiyang FAN Yongqi

PAN Jiahui

（Henan University of Engineering， Zhengzhou 451191， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the influence of the physical and chemical reaction between ions and soil in precipitation and surface runoff on the physical and mechanical properties of soil， so as to explore its influence on the bearing capacity of roadbed. [Methods] In this study， loess， reclaimed concrete aggregate and sulfate solution in Zhengzhou were taken as test materials， and the three-axis tester was used to carry out consolidation， infiltration， drainage shear and EM scanning tests for different mixed composite loess samples under different sulfate ion concentration conditions.[Findings] After adding recycled concrete aggregate， the permeability coefficient of the sample increased by 3.95 ～4.32 times; with the increase of solution concentration， the permeability coefficient decreased to 34.3%～38%.[Conclusions] After the incorporation of recycled concrete aggregate， the subgrade permeability coefficient increases and the bearing capacity increases significantly; the increase of solution concentration will lead to the decrease of the permeability coefficient， thus reducing the bearing capacity of the subgrade.

Keywords： permeability coefficient; recycled concrete aggregate; sulfate ion concentration; porosity

0 引言

根据王凯等［1］的研究发现黄土地区路基经常出现不均匀沉陷、裂缝等病害，黄土不适宜直接作为铺设路基的材料，目前在道路建设中多采用添加其他成分的方式改良黄土的工程特性以用于路基铺设；冀慧等［2］通过不固结不排水三轴剪切试验，研究了掺入玻璃纤维及干湿循环次数对改良黄土剪切力学特性的影响；翟聚云［3］、许凤荣［4］等通过在膨胀土中掺入建筑垃圾进行研究发现，建筑垃圾的掺入使膨胀土力学特性显著提高；刘忠玉等［5］通过在黄土中掺入不同量固化剂进行了三轴试验研究，发现固化剂的加入会显著提高土体抗剪强度。在我国交通行业不断发展，建筑垃圾日益增多的情况下，将再生混凝土骨料与交通建设相结合，提高资源配置效率显得尤为必要［6］。娄鹏飞［7］、李娜［8］等研究发现添加建筑垃圾的再生材料路基表现出较好的力学性能和耐久性；马金良等［9］通过研究建筑垃圾对膨胀土的改良效果发现建筑垃圾的掺入会提高膨胀土强度。上述研究证明了掺入再生建筑骨料的黄土路基在现实中的可行性。然而对掺入再生混凝土骨料的黄土渗透性和强度的研究还较少，研究掺入再生混凝土骨料黄土的渗透情况对工程实践具有重要意义。

刘华等［10］通过研究污染黄土的渗透特性，发现相同固结应力条件下，不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低，从而证明了酸液会增强黄土的防渗及防污性能；刘华等［11］还通过研究黄土工程中孔隙水被酸碱溶液污染对土—混凝土界面剪切行为的影响发现，重塑污染黄土与混凝土界面的摩擦特征曲线在剪切方向均呈现明显的双曲线关系；薛志佳等［12］通过微观测试表明，白泥能促进矿渣的水化作用，矿渣-白泥胶凝材料的主要水化产物为CSH等凝胶，CSH凝胶的胶结作用是固化黄土强度和耐久性提升的主要原因，而填充效果起到次要作用；陈宝等［13］通过试验发现孔隙水的分布是影响黄土非饱和渗透的重要因素，赋存在较大孔隙内的水分对渗透系数的影响居主导地位，而赋存在较小孔隙内的水分对土样渗透的影响则相对较小。当前，降水等因素对基础建设的影响较大，上述研究对自然环境模拟不够全面，因此，研究模拟在降水和地表径流中硫酸根溶液对复合黄土渗透特性的影响具有重要意义。

本研究通过击实试验、三轴试验和电镜扫描试验来探究不同浓度硫酸根溶液对掺入不同量再生混凝土骨料复合土渗透特性的影响。同时，结合微观分析的试验数据，充分研究改良黄土的渗透特性变化，对改良黄土不良性质，推进再生混凝土骨料重复利用具有重要意义。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料选取

该试验用黄土取自郑州某地，试验土样属于第四纪晚更新风积、残积黄土。试验用再生混凝土骨料选用废弃混凝土进行破碎，并利用振动筛分机将破碎后再生混凝土骨料筛分为2.36～4.75 mm细组和4.75～9.50 mm粗组，根据刘华等［14］对酸碱污染黄土的研究，选定了试验用溶液浓度分别为3 000、5 000和8 000 μg/L。试验用黄土基本物理力学指标见表1。

1.2 试验方案

本研究所采用的三轴仪器为SLB-1A型应力应变控制式三轴渗透剪切试验仪，固结剪切及渗透试验均在该仪器上开展。采用SLB-1A型应力应变控制式三轴渗透剪切试验仪对上述3种试样和纯黄土试样分别在100 kPa围压条件下利用不同浓度硫酸根溶液开展固结、渗透和排水剪切（CD）试验，并在固结排水试验后对各剪切后试样开展电镜扫描试验，具体试验分组见表2。

试样渗透系数K的计算方式由达西定律结合本三轴试验所得数据推导得出。达西定律见式（1）。

[Q=Kh1-h2LA] （1）

式中：K为渗透系数，m/s，见式（2）；A为土样横截面积，m2；L为渗流路径长度，m；h1[-]h2为水头差，m；Q为单位时间渗流量，m3/s。

[K=QL（h1-h2）A] （2）

该试验中[h1-h2=Pρg=1.020 4 m；A=πr2=1.200 724 5*10-3 m2，L=0.8 m]将一系列数值代入推导公式得出该试验所用公式，即式（3）。

[K=0.000 108 82*ΔQ] （3）

1.3 试样制备

在三轴试样制备中，首先将试验用黄土风干碾碎，并过2 mm筛，然后根据试验方案将再生混凝土骨料分别按不同比例掺量掺入黄土，以最优含水率12%进行均匀拌和后，焖料24 h；利用静压制样器（取压实度为0.96）制成高度为80 mm，直径为39.1 mm的标准三轴圆柱试样，并利用抽气饱和法［15］进行反压饱和24 h。同时，为保证试验标准化，各组三轴试验时间均采用时间因子（当前试验时间与总试验时间之比）表示。

为了保证真实具体地观测破坏后黄土的内部结构，在试样制备过程中应尽可能减少对土样的扰动。在剪切后试样中心位置取样，并切削成20 mm×10 mm×10 mm的粗坯，为了避免水分影响真空度和电子束的稳定性，采用风干法使粗坯达到自然脱水状态。利用电子显微镜对不同类型土样进行扫描，对同一类型土样选取2个样本，并截取3～4个观测面，根据肖文斌等［16］的研究发现放大足够倍数时扫描电镜视野内能够观察到土颗粒的局部支撑结构和颗粒孔隙之间的联结方式，有助于准确观察土体微观结构，故选择观测效果较好的区域获取放大1 500倍的微观照片。将试样裁切得尽量规整，选取有代表性的样品，使用导电胶将试样黏结在承台上，在样品表面喷涂金粉确保样品具有良好的导电性，将电子束能引入样品并导出多余电荷，避免荷电效应。

2 结果与分析

2.1 在相同浓度溶液情况下，不同再生混凝土骨料掺量对复合黄土渗透系数的影响

在相同溶液浓度情况下，不同再生混凝土骨料掺量对复合黄土渗透系数影响的变化规律曲线如图1所示。由图1可知，掺入再生混凝土骨料后复合黄土的渗透系数变化范围为1.51×10-5～3.68×10-5 m/s，随着复合黄土中4.75～9.50 mm大颗粒再生混凝土骨料掺量的增加，复合黄土渗透系数呈明显增大的趋势。如在硫酸根溶液浓度为3 000 μg/L时，掺入5%的2.35～4.75 mm和10%的4.75～9.5 mm粒径的混凝土颗粒，其渗透系数变化范围为6.5×10-6～1.92×10-5 m/s；掺入7.5%的2.35～4.75 mm和7.5%的4.75～9.5 mm粒径的混凝土颗粒，其渗透系数变化范围为1.51×10-6～3.6×10-5 m/s；掺入10%的2.35～4.75 mm和5%的4.75～9.5 mm粒径的混凝土颗粒，其渗透系数变化范围为1.8×10-5～3.68×10-5 m/s；而在纯黄土中，其渗透系数变化范围为5×10-6～8.56×10-6 m/s。整体而言，渗透系数最高增大3.94倍。这是因为随着大颗粒再生混凝土骨料的掺入，复合黄土试样内土体颗粒间重新排列，再生混凝土颗粒承担的骨架作用明显使土颗粒间孔隙增大、渗流通道增多，从而导致渗透系数增大，最终提高复合黄土试样的渗透能力。

2.2 在相同再生混凝土骨料掺量情况下，不同浓度溶液对复合黄土渗透系数的影响

在相同再生混凝土骨料掺入量情况下，不同浓度硫酸根溶液对复合黄土渗透系数影响的变化规律曲线如图2所示。由图2可知，在掺入再生混凝土骨料颗粒粒径比例相同的情况下，随着硫酸根溶液浓度的增加，复合黄土渗透系数具有明显减小的趋势。在再生混凝土骨料掺入量均为5%的2.35～4.75 mm和10%的4.75～9.5 mm粒径，硫酸根溶液浓度为3 000 μg/L时，其渗透系数变化范围为6.5×10-6～1.92×10-5m/s；硫酸根溶液浓度为5 000 μg/L时，其渗透系数变化范围为3.6×10-6～9.4×10-6 m/s；硫酸根溶液浓度为8 000 μg/L条件时，其渗透系数变化范围为1.6×10-6～5.2×10-5 m/s，渗透系数最低结果下降到原来的38.7%。这是因为随着硫酸根溶液浓度的不断增加，复合黄土试样内土体颗粒及其他物质与硫酸根溶液反应加剧，使土颗粒间孔隙被堵塞，渗流路径减少，从而导致渗透系数整体下降，最终导致复合黄土试样的渗透能力降低。

2.3 扫描电镜试验

本研究将通过扫描电子显微镜（SEM）拍摄的照片导入颗粒（孔隙）与裂隙图像识别与分析系统（PCAS）进行颗粒、孔隙和裂隙图像的自动识别、几何定量和统计分析。将分析数据进行分类汇总，分别对比在相同溶液浓度情况下，不同再生混凝土骨料掺量复合黄土的微观图像和相同再生混凝土骨料掺入量情况下，不同浓度硫酸根溶液复合黄土的微观图像。

试样的SEM微观分析图像如图3所示。针对分析结果，对孔隙率进行单独整理并绘制出图4，由图可知，在相同溶液浓度条件下，随着试样中4.75～9.5 mm粒径再生混凝土骨料的增加，试样的孔隙率呈明显增大趋势，整体平均增大17.9%；随着溶液浓度的不断增加，复合黄土试样的孔隙率明显下降，整体平均下降20.1%。孔隙率的改变会直接影响复合黄土试样的渗流路径，孔隙率的增加会导致复合黄土试样渗流路径的增多，进而提高复合黄土试样的渗透系数；孔隙率的降低会导致复合黄土试样渗流路径被堵塞，导致复合黄土试样的渗透系数下降。

3 结论

本研究通过对不同掺量复合黄土试样在不同硫酸根离子浓度条件下进行固结、渗透、排水剪切和电镜扫描试验，分析得出以下结论。

①在相同硫酸根溶液浓度情况下，再生混凝土骨料的掺入会增大复合黄土的渗透系数，且随着大颗粒混凝土掺入量的增多，渗透系数增大更为明显，试样的渗透系数结果可以增加3.95～5.12倍。

②对于相同配比的复合黄土在不同浓度硫酸根溶液渗透情况下，其渗透系数不同，随着硫酸根溶液浓度增大，复合黄土的渗透系数有所下降，渗透系数下降到原来的34.3%～38.0%。

③再生混凝土骨料的掺入会改变复合黄土的孔隙率，从而导致复合黄土的渗透系数增大，而硫酸根溶液会与复合黄土中的物质发生反应，进而导致黄土的内部孔隙率降低，造成复合黄土的渗透系数减小，且随着硫酸根溶液浓度的增大，复合黄土的渗透系数下降更为明显。

参考文献：

［1］王凯，刘宇航.电石渣改良黄土的动力学特性试验研究［J］.路基工程，2024（4）：61-68.

［2］冀慧，张涛，刘保健.干湿循环下复合改良黄土剪切力学特性试验研究［J］.长江科学院院报，2021，38（8）：120-126，132.

［3］翟聚云，樊姝芳，言志信，等.建筑垃圾膨胀土回填地基工程特性及应用研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2020，52（3）：321-327.

［4］许凤荣.建筑垃圾改良膨胀土特性研究［J］.河北建筑工程学院学报，2022，40（4）：72-77，92.

［5］刘忠玉，朱少培，张家超，等.固化黄土力学特性三轴试验研究［J］.地震工程学报，2023，45（5）：1156-1160，1205.

［6］史小军.建筑垃圾再生材料在城市道路中的应用研究［D］.西安：长安大学，2021.

［7］娄鹏飞，马宁博，乔攀举，等.建筑垃圾减量化、资源化综合利用的路基填筑技术应用研究［J］.交通节能与环保，2023，19（5）：203-206，211.

［8］李娜.利用建筑垃圾填筑公路路基的应用与质量控制研究［J］.公路，2022，67（4）：101-105.

［9］马金良，赵亚婉，盖卫鹏，等.固废再利用改良膨胀土性能研究及效果评价［J］.路基工程，2024（1）：47-53.

［10］刘华，何江涛，赵茜，等.酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究［J］.岩土力学，2020，41（3）：765-772.

［11］刘华，王梦南，冯旭晨，等.酸碱溶液污染对黄土-混凝土界面剪切特性影响试验研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2023，55（1）：111-117.

［12］薛志佳，罗江，晏长根，等.矿渣-白泥固化黄土的力学性能与微观机理［J］.中国公路学报，2024，37（6）：181-192.

［13］陈宝，罗锋，尚心悦，等.干湿路径下非饱和黄土渗透特性及微观机理研究［J］.路基工程，2024（2）：1-8.

［14］刘华，胡鹏飞，王松鹤，等.酸溶液对原状黄土抗拉强度的影响试验研究［J］.土木与环境工程学报（中英文），2022，44（5）：109-117.

［15］中华人民共和国住房和城乡建设部.土工试验方法标准：GB/T 50123—2019［S］.北京：中国计划出版社，2019.

［16］肖文斌，李靖，武科，等.湿陷性黄土微观力学特征及其路基沉降规律［J］.山东大学学报（工学版），2024，54（2）：163-173.