摘要：为探明土体在酸碱污染情况下力学特性和微观结构的演化规律，本文以云南红黏土为研究对象，以不同浓度的盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)作为污染源，考虑酸碱全范围pH值变化和作用时间对红黏土抗剪强度的影响，并采用扫描电子显微镜(SEM)观察了红黏土微观结构的变化。试验结果表明：与经历pH值为8.2溶液处理过的红黏土相比，随着pH值升高或降低，红黏土的抗剪强度τf、黏聚力c、内摩擦角ϕ均呈现下降趋势;当pH值为0.5和13.8时，随着酸碱作用时间延长，红黏土的抗剪强度τf、黏聚力c、内摩擦角ϕ逐渐减小，7d之后趋于稳定;对酸碱污染红黏土的SEM图像及其特征参数进行分析，发现酸碱污染红黏土抗剪强度衰减是酸碱溶液侵蚀土体结构导致;碱污染红黏土与酸污染红黏土相比较，前者工程性质更差。该研究成果对云南红土地区水环境恶化型工程病险的认识和防治具有指导意义。
关键字：红黏土;酸碱污染;抗剪强度;微观结构;盐酸;氢氧化钠
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的要对周围的土体造成污染，而这种带有酸性或碱性的污染物在与土体接触时，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质[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的侵蚀作用，但利用溶液pH值将酸性、碱性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的力学性能影响;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的剪切特性影响;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质的影响，同时揭示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的强度参数的影响;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值包含强酸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，通过室内直接剪切试验探究了酸碱污染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3m左右，按照《土工试验规范》(SL-237-1999)测得其基本物理性质见表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见表2。如表2所示，该土样的主要化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3。
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2mm筛的红黏土放置在105℃的烘箱中进行烘干处理8h，将pH值为0.5、1.6、2.6、8.2、12.0、13.0、13.8的七组溶液分别用喷壶均匀喷洒在500g红黏土上，浸润24h后制备成含水率为28.0%的湿土膏，取湿土105g，选用击样法将土膏制备成干密度为1.37g/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接剪切试验，一部分用于SEM试验。
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。
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3d之后开展100kPa、200kPa、300kPa、400kPa法向应力下的直接剪切试验，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，选取溶液pH值为0.5和13.8处理后的试样进行100kPa、200kPa、300kPa、400kPa法向应力下的直接剪切试验。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和24h。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长后开展各级法向应力下的直接剪切试验，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
本研究选用美国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1~2g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图像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
2.1pH值变化对红黏土抗剪强度特性的影响
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，不同竖向荷载下，试样剪切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，试样剪切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。
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。
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1d相比，时长为3d、7d、15d、30d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1d相比，时长为3d、7d、15d、30d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1～7d内较大，在作用时间7～30d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。
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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(1～7d)和后期稳定阶段(7～30d)。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微观结构图像倍数选取
图3给出了pH值为13.8时，酸碱作用时间为3d的不同放大倍数下直剪试验前红黏土的SEM照片。
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;2000倍SEM照片能看清孔隙大小，土体的密实情况，还能看到较多粒团以及粒团间的溶剂化层;5000倍SEM照片显示出的孔隙较大、颗粒较少、粒团较少;10000倍SEM照片只能看出极少数粒团和粒团间的结构连结，所以选择放大2000倍SEM照片作为研究对象。2.3.2不同pH值SEM照片的对比图4给出了作用时间为3d，不同pH值直剪试验前放大2000倍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结论。
2.3.3不同作用时间下微结构图像对比
图5给出了pH值为0.5时，不同作用时间下直剪试验前放大2000倍SEM照片。
从图5可以看出，随着酸碱作用时间延长，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。15d时粒团之间的结构连结被破坏，粒团表面出现溶剂化层，30d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。此现象证明随着酸碱作用时间延长，酸污染红黏土的工程性质变差，抗剪强度减小。
2.3.4剪切前后微结构图像对比
图6给出了作用时间为3d，pH值为0.5和13.8时，剪切前后放大2000倍SEM照片。从图6可以看出，pH值为0.5时，酸污染红黏土剪后，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。
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SEM照片中的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3d，pH值为0.5、2.6、8.2、13.8时，n和Dk的演化规律。
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，剪前孔隙率n分别增加34.7%、28.4%、69.2%，剪后孔隙率n分别增加39.3%、18.8%、49.5%，剪前颗粒分布分维DK分别减少11.9%、7.8%、16.1%，剪后颗粒分布分维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，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条件下红黏土相比，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结构图像和特征参数分析，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。——论文作者：潘泰1，赵贵涛2，黄英
