Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 7: 199 - 206

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20250239

The 31st National Academic Symposium on Geotechnical Testing

Mechanical Properties and Microscopic Mechanisms of Expansive Soil under the Action of Acid and Alkali Solutions

  • HU Bo , 1 ,
  • LI Wei 2 ,
  • MA Kun 1 ,
  • YUAN Rui-xiang 3 ,
  • WANG Shuai 1 ,
  • SUN Hui 1
Expand
  • 1 Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 2 Changjiang Water Resources and Hydropower Development Group Co., Ltd.,Wuhan 430014, China
  • 3 School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China

Received date: 2025-03-21

  Revised date: 2025-05-23

  Online published: 2025-07-14

Fold

Abstract

[Objective] The aim of this study is to investigate the effects of acid-base conditions on the mechanical properties of expansive soil. [Methods] Expansive soil from Section C003 of the Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Project was taken as the research object. A self-developed leaching test device was employed to leach expansive soil samples with acid-base solutions of varying pH values. After leaching, the relationship between strength changes of expansive soil and pH values of solutions was investigated using critical water content tests and consolidated drained triaxial shear tests. Chemical composition analysis and X-ray diffraction tests were conducted to investigate the underlying mechanism driving the variations in physical and mechanical properties. [Results] (1) After 7-day leaching with acid and alkali solutions, the samples showed different changes in morphology and form. Specifically, during acidic solution leaching, microbubbles formed on the sample surface, which developed into numerous pores after 7 days of leaching. In contrast, during alkaline solution leaching, no significant surface changes were observed initially, but after 7 days of leaching, the samples exhibited volume expansion and white crystals formed on the surface. (2) Critical water content and triaxial compression tests revealed that after 7 days of acidic solution leaching, the physical and mechanical properties of expansive soil blocks progressively deteriorated with decreasing pH values (compared to samples leached with pH=7 solution). Specifically, as pH values decreased, the liquid limit, plastic limit, and plasticity index decreased, the cohesion showed a significant decrease, and the internal friction angle showed a minor decrease. After 7 days of alkaline solution leaching, the physical and mechanical properties of expansive soil blocks gradually strengthened with increasing pH values (compared to samples leached with pH=7 solution). Specifically, as pH values increased, the liquid limit, plastic limit, and plasticity index increased, the cohesion showed a significant increase, and the internal friction angle showed a slight increase. (3) XRD tests and chemical composition analysis of expansive soil blocks after acid and alkali solution leaching revealed that the interaction mechanisms between the acid and alkali solutions and the soil primarily involved ion exchange and reactions between soil minerals and solutions. These processes modified the double-layer thickness between soil particles and the content of free oxide cements and water-soluble salts, thereby changing the interparticle contact patterns and soil microstructure. After acidic solution treatment, the diffuse double-layer became thinner, the cements were dissolved, and the soil structure deteriorated, leading to progressively deteriorating physical and mechanical properties with decreasing pH. After alkaline solution treatment, the diffuse double-layer became thicker, accompanied by the formation of new cements that filled pores of various sizes inside the soil, making the soil structure more compact, leading to systematically enhanced physical and mechanical properties with increasing pH.

Key words： expansive soil; leaching; acid and alkali solution; shear strength; thickness of diffuse double-layer

Cite this article

HU Bo , LI Wei , MA Kun , YUAN Rui-xiang , WANG Shuai , SUN Hui . Mechanical Properties and Microscopic Mechanisms of Expansive Soil under the Action of Acid and Alkali Solutions[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(7) : 199 -206 . DOI: 10.11988/ckyyb.20250239

0 引言

随着工业的快速发展,越来越多的地区开始频频出现酸雨。酸雨影响了地下水的酸碱度与离子成分,使地下水呈酸性,而膨胀土在该类地下水长期作用下,物理力学特性发生显著变化,给工程造成严重后果,如2013年都江堰特大滑坡[1]。水泥改性是膨胀土边坡处理的一种方式,通过水泥的胶结作用来增强膨胀土的力学强度,但水泥呈碱性,同样会影响地下水的酸碱度和离子成分,膨胀土长期处于碱性溶液环境,亦导致其物理力学特性发生变化。任礼强等[2]研究发现碱污染红土的抗剪强度随碱液浓度的增大而减小,且碱液浓度对抗剪强度的影响比淋滤时间更大。ALI Khodabandeh等[3]通过对酸碱环境下湿陷性黄土的研究发现,低pH值酸性溶液会降低黄土的内摩擦角而提高其有效黏聚力,高pH值碱性溶液会增加黄土的内摩擦角而降低其有效黏聚力。Hu等[4]发现当黄土处于NaOH溶液的环境下,抗剪强度会增强,而主要原因是由于土体中石英与NaOH反应生成硅酸钠胶结物所致。常锦等[5-6]以不同酸性溶液浸泡膨胀土,结果发现酸性环境会加剧膨胀土的胀缩变形,促使黏聚力出现大幅度衰减,矿物的结晶程度变差,胶结物遭受溶蚀和淋滤,抗剪强度大幅度下降。Liu等[7]以蒙脱石和伊利石为主要研究对象分析了黏性土在酸碱条件下物理力学特性的变化,研究发现,酸性条件下内摩擦角变化不大,但黏聚力逐渐减小;碱性条件下内摩擦角逐渐增大,而黏聚力先减小后增大。王斯海等[8]通过室内试验研究了酸碱环境下膨胀土的胀缩变形规律,结果表明:酸和碱会改变土体孔隙结构,导致压缩性较未处理土体发生变化。Gratchev等[9]采用特殊容器,以蒙脱石和高岭石为主要的黏土矿物制样,将土样浸泡在硫酸中约300 d,研究酸性溶液对两种矿物组成不同的天然土应力-应变的影响,结果表明:蒙脱石能够吸附溶液中的H+而导致自身含量降低,从而使土体抗剪强度下降。陈宝等[10]使用自研装置对膨润土进行碱污染,同时使用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和透射电镜(Transmission Electron Microscope,TEM)对污染后的试样进行微观研究,结果表明,碱液会破坏蒙脱石在表面形成的“羽翼状”胶体,且会溶解蒙脱石,对试样结构造成破坏。Haruo等[11]发现滑坡处较两侧土的蒙脱石含量高,且在地下水盐离子作用下,沿着地下水流向土体中蒙脱石含量增加,当 H C O 3 -离子浓度较高时有助于蒙脱石的生成。
目前国内外学者已对酸碱溶液作用后的土体物理力学特性进行了相关研究,但研究大多都集中在黄土、红土等黏性土,对膨胀土的研究较欠缺,且水化作用方式多采用浸泡法,不能准确模拟水土之间的动态化学作用过程。因此,为探究酸碱溶液作用下膨胀土物理力学特性的变化,本文选用不同pH值酸碱溶液,通过自制的淋滤装置对膨胀土体进行淋滤;基于三轴压缩试验、界限含水率试验探究淋滤前后膨胀土物理力学特性的变化;通过化学成分分析、X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)对淋滤后的膨胀土进行微观研究,从微观角度揭示酸碱溶液作用下膨胀土物理力学特性变化的内在机理。

1 试验设计

1.1 试验用土

试验土样取自引江济淮工程菜子湖线C003标段,试样呈红褐色,依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019) [12],将风干后的土样碾碎并过筛,得到粒径为2 、5 mm的筛下土,进行土体基本物理力学试验。表1为菜子湖线膨胀土的基本物理力学性质,依据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)判定该土体属于低液限黏土,亦为弱膨胀土。由表2可知,菜子湖线膨胀土化学成分以SiO2和Al2O3为主,分别为62.12%和16.62%,且TFe2O3含量明显高于其他氧化物,为7.03%,由于Fe3+含量较高,因此土体呈红褐色。
表1 菜子湖线膨胀土物理力学性质

Table 1 Physical and mechanical properties of expansive soil from Caizi Lake

天然含
水率
w0 / %		 最优
含水率
w op /%		 最大干密度
ρdmax/
(g·cm-3)		 液限
wL/
%		 塑限
wp/
%		 相对
密度
GS		 自由
膨胀率
δef/%
6.5 17.8 1.73 49.1 26.5 2.74 51
表2 菜子湖膨胀土主要化学成分相对含量

Table 2 Relative content of main chemical components of expansive soil from Caizi Lake %

SiO2 Al2O3 TFe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 其他
62.12 16.62 7.03 0.75 1.40 0.76 2.59 0.78 7.92

1.2 试样的制备

淋滤试样选择直径为39.1 mm、高度为80 mm、体积为96.1 cm3的圆柱体三轴样,试样干密度为1.64 g/cm3。根据后续试验安排,每个pH值对应试样三轴样12 个,其中,8 个试样用以进行2 组平行的三轴压缩试验,2 个试样用以进行界限含水率试验,2 个试样用以进行后续微观研究。待淋滤的圆柱体试样如图1所示。
图1 待淋滤圆柱体试样

Fig.1 Cylinder specimens for leaching

1.3 淋滤溶液的选择

实际工况中地下水pH值在6~8之间,但水土化学作用是一个十分漫长的过程,室内试验无法完全模拟实际水土化学进程,为了缩短淋滤模拟时间,选择淋滤溶液pH值分别为2、4、6、7、8、10、12、14。同时,考虑到地下水是多离子混合液,为在室内模拟菜子湖线地下水离子成分,需在酸碱溶液中加入适量盐溶液,盐溶液阳离子选择Na+,阴离子选择Cl-、浓度为0.1 mol/L。酸性溶液pH值采用浓度36.5%浓盐酸调配,碱性溶液pH值采用浓度96%氢氧化钠颗粒调配。

1.4 试验装置

本文采用自主设计的淋滤装置模拟实际工程地下水在土体内部渗流的动态过程,试验装置如图2所示。该装置由续液瓶、淋滤管路、支架、布氏漏斗(装有淋滤试样)、抽滤瓶及真空泵组成。试验时,续液瓶中装入淋滤溶液,溶液由淋滤管路(由进气管和出液管组成)、下方装有淋滤试样的布氏漏斗进入抽滤瓶,打开真空泵(示数为30 kPa)对抽滤瓶抽气。外界气体由淋滤管路的进气管进入续液瓶,瓶内淋滤溶液在大气压的作用下从淋滤管路的出液管流入装有淋滤试样的布氏漏斗,当布氏漏斗内液面与进气管下端齐平,外界气体停止进入续液瓶,此时瓶内淋滤溶液停止流出。由于抽滤瓶内为负压,布氏漏斗中溶液流经土样后从下端出液口排入抽滤瓶,实现试验自动化。
图2 淋滤试验装置

Fig.2 Leaching test device

1.5 试验方法及内容

试样淋滤时间分别为4、5、6、7 d,经多组试验对比,发现淋滤时间7 d为最佳时间,此时试样内部不会存在未被浸润的大块硬核,因此,选择7 d为试样淋滤时间。
淋滤7 d后将试样从布氏漏斗中小心取出,使用保鲜膜包裹试样,并放置在室内避光通风处48 h以平衡表里水分,尔后基于界限含水率试验、三轴压缩试验探究酸碱溶液作用对膨胀土物理力学特性的影响;基于化学成分分析、XRD探究物理力学特性变化的微观机理。

2 酸碱溶液作用膨胀土宏观试验研究

2.1 酸碱溶液对膨胀土物理特性的影响

经过淋滤期间每隔12 h对试样的观察发现:在酸性溶液淋滤过程中,试样上表面有许多微小气泡溢出,且pH值=2溶液淋滤后的试样表面存在许多孔洞(图3(a));在碱性溶液淋滤过程中,试样表面并无特殊现象,但试样从布氏漏斗中取出的困难程度明显较大,随着淋滤溶液pH值的增加困难程度越大,尤其是pH值=14溶液淋滤后的试样需要很大力才能取出,同时淋滤后的试样表面出现了许多白色晶体(图3(b))。
图3 酸碱溶液淋滤后试样

Fig.3 Samples after acid and alkali solution leaching

不同pH值溶液淋滤7 d后膨胀土界限含水率变化如图4所示。由图4可知,经过酸性溶液淋滤后土体液塑限呈减小趋势;经过碱性溶液淋滤后土体液塑限呈增大趋势。当溶液pH值由7下降至2时,塑限由26.5%降至22.9%,下降幅度为13.58%,同时液限由49.1%降至43.8%,下降幅度为10.79%;当溶液pH值由7上升至14时,塑限由26.5%升至32.4%,增长22.26%,同时液限由49.1%升至57.8%,增长17.72%。土体界限含水率是反映土体稠度变化的指标,而土体稠度变化与双电层厚度密切相关。双电层是在土中形成的2个电荷分布层,由固定层和扩散层组成,而扩散层厚度的大小与土体物理力学性质有着密切的联系,现有研究表明影响扩散层厚度的因素主要为矿物成分、孔隙溶液pH值、阳离子成分和浓度,而在短期且浓度较小的溶液淋滤下一般认为黏土矿物成分和含量不会有明显变化[13],因此影响扩散层厚度的主要因素是孔隙溶液pH值及阳离子成分和浓度。在酸性溶液淋滤下,溶液中大量的H+进入扩散层,从而使扩散层变薄,土的塑性减小;而在碱性溶液淋滤下,溶液中的Na+进入扩散层,使扩散层变厚,土体塑性增大。
图4 淋滤后土体界限含水率变化

Fig.4 Variation in critical water content of soil after leaching

2.2 酸碱溶液作用对膨胀土力学特性的影响

表3为淋滤后试样干密度和饱和度。由表3可知,不同pH值溶液淋滤7 d后的试样经48 h水分平衡后处于饱和状态,可直接用于后续三轴试验。
表3 淋滤后试样干密度和饱和度

Table 3 Dry density and saturation degree of samples after leaching

溶液
pH值		 干密度/
(g·cm-3)		 饱和
度/%		 溶液
pH值		 干密度/
(g·cm-3)		 饱和
度/%
2 1.59 94.5 10 1.64 95.1
4 1.62 94.9 12 1.65 95.3
6 1.62 94.9 14 1.61 94.7
8 1.60 94.7
不同pH值溶液作用下的三轴试样应力-应变曲线如图5所示。由图5可知,经酸碱溶液作用的试样应力-应变曲线主要有应变硬化型和应变软化型。由pH值=2~12溶液作用的试样应力-应变曲线均属应变硬化型,曲线特征分为弹性、塑性两阶段:在试验初期为弹性阶段,此时,试样应力-应变曲线几乎呈直线,偏应力随着应变的增加而增加,当应变继续增加,曲线过渡为塑性阶段,应力-应变曲线呈上凸状,此时偏应力随着应变的增长缓慢增加,最终趋于稳定。而由pH值=14溶液作用的试样应力-应变曲线属应变软化型,曲线特征分为弹性、塑性、破坏三个阶段。在试验初期,与pH值=2~12溶液作用的试样类似,偏应力随着应变的增加而增加,为弹性阶段;随着应变继续增加,曲线过渡为塑性阶段;此时偏应力在某个应变处出现峰值,峰值点后曲线进入破坏阶段,此时偏应力急剧下降,试样表面及内部出现明显的裂纹,试样破坏。
图5 不同pH值溶液淋滤下应力-应变关系曲线

Fig.5 Stress-strain curves of specimens under leaching with solutions of different pH values

根据莫尔库伦准则,得到不同pH值溶液作用下的试样抗剪强度指标如表4所示。由表4可知,由酸性溶液作用后试样黏聚力较pH值=7减小,而经过碱性溶液作用后试样黏聚力较pH值=7增大。
表4 淋滤后试样抗剪强度指标

Table 4 Shear strength indicators of samples after leaching

pH值 抗剪强度指标
黏聚力c/kPa 内摩擦角φ/(°)
2 20.1 20.5
4 22.8 20.8
6 23.2 21.3
7 26.2 22.1
8 29.3 22.5
10 30.5 23.0
12 32.7 23.3
14 38.2 23.9
较pH值=7,对于酸性溶液,当pH值分别为2、4、6时,试样黏聚力分别由26.2 kPa减小至20.1 kPa、22.8 kPa和23.2 kPa,分别下降了23.28%、12.98%和11.45%。对于碱性溶液;当pH值分别为8、10、12、14时,试样黏聚力分别由26.2 kPa增至29.3 kPa、30.5 kPa、32.7 kPa和38.2 kPa,分别增大了11.83%、16.41%、24.81%和45.80%。由此可以看出,无论是酸性溶液还是碱性溶液,在溶液浓度较低时,土体黏聚力变化幅度均较小,随着溶液浓度的增加,土体黏聚力变化幅度增大。这说明当酸碱溶液浓度较低时,对土体微观结构作用微弱,所以土体黏聚力变化较小;当酸碱溶液浓度越来越高时,对土体微观结构作用越来越显著,土体黏聚力变化较大。
由酸性溶液作用的试样内摩擦角随着pH值降低而减小,由碱性溶液作用的试样内摩擦角随着pH值的升高而增大,但变化幅度均较小,由pH值=2酸性溶液作用的试样内摩擦角较pH值=7仅下降了1.6°,而pH值=14作用的试样内摩擦角较pH值=7仅上升了1.8°,这与王绪民等[14]研究结果一致。内摩擦角反映的是土颗粒间的摩擦特性,由酸性溶液作用后,土颗粒变得更加分散,细小颗粒被溶液带走,土体孔隙增多,但土骨架结构较为稳定,短期内不会受到酸性溶液影响,因此内摩擦角仅小幅度下降;由碱性溶液作用后,虽然土颗粒变得更加紧密,大小孔隙减少,但溶液的冲刷作用仍会带走部分土颗粒,这部分土颗粒的缺失抵消了部分内摩擦角的增长,因此内摩擦角也仅小幅度上升。

3 酸碱溶液作用膨胀土微观试验研究

3.1 化学成分测定

室内试验得到的土体化学成分见表5所示,其中碳酸钙含量采用酸洗法测定。由表5可知,由酸性溶液作用后,土体内阴离子浓度发生变化:随pH值的减小,   H C O 3 -浓度越来越少,而Cl-和 S O 4 2 -浓度越来越多;孔隙水pH值随溶液pH值减小而减小,但整体变化不大;碳酸钙含量随溶液pH值减小而减少,当pH值=4时未检测到碳酸钙。由碱性溶液作用后,土体内阴离子浓度亦发生变化:随pH值增大,   H C O 3 -和 S O 4 2 -浓度越来越多,且 H C O 3 -增长幅度更明显,而Cl-浓度呈减少趋势;孔隙水pH值随溶液pH值增大明显增大;碳酸钙含量随溶液pH值增大而增加。
表5 土体化学成分试验结果

Table 5 Test results of soil’s chemical composition

溶液
pH值		 离子浓度/(mg·L-1) 孔隙水
pH值		 碳酸钙
含量/%
H C O 3 - Cl- S O 4 2 - C O 3 2 -
2 262.45 354.56 187.91 — 6.92 —
4 351.72 215.36 127.88 — 7.06 —
6 493.18 194.24 62.41 — 7.09 0.2
7 531.37 153.12 15.32 — 7.13 1.5
8 592.63 141.55 21.62 5.83 7.70 1.8
10 637.10 102.97 37.81 12.04 8.94 2.4
12 688.91 87.25 53.06 27.18 9.68 2.9
14 773.50 79.03 95.30 43.71 11.16 4.1
上述离子与酸碱溶液发生如下化学反应:
M g C O 3 + H + = M g 2 + + H C O 3 - 　 ,
C a C O 3 + H + = C a 2 + + H C O 3 - 　 ,
H C O 3 - + H + = C O 2 ↑ + H 2 O 　 ,
H C O 3 - + O H - = C O 3 2 - + H 2 O 　 ,
C a 2 + + C O 2 + 2 O H - = C a C O 3 ↓ + H 2 O 　 。
在酸性溶液中,土体中难溶盐MgCO3、CaCO3与溶液H+发生反应,因此随pH值减小,CaCO3含量越来越少,当溶液pH值=4时未检测到碳酸钙。土体 H C O 3 -离子与溶液H+发生反应生成H2O和CO2,因此随pH值减小 H C O 3 -浓度越来越少,这也是淋滤过程中能发现土体表面有许多微小气泡的原因;而随pH值减小 S O 4 -的浓度越来越多则是由土中硫酸盐向盐酸盐的转化所导致。孔隙水pH值随H+为浓度的增多逐渐降低,但整体变化不大。
在碱性溶液中,土体中CaCO3与溶液OH-离子发生水解生成 H C O 3 -,同时土体内部的Ca2+与OH-和CO2化合生成新的CaCO3,由于CaCO3的生成反应比水解反应剧烈,因此随溶液pH值增大,土体CaCO3含量越来越多,   H C O 3 -浓度亦越来越多;少量的 H C O 3 -与溶液OH-发生反应生成 C O 3 2 -,因此 C O 3 2 -的浓度随溶液pH值增大逐渐增多。孔隙水pH值随OH-浓度增多而显著升高,较初始状态pH值增加了4.03。
经X射线荧光光谱仪分析得到淋滤后土体中各金属元素含量如表6所示。
表6 X射线荧光光谱仪试验结果

Table 6 Test results from X-ray fluorescence spectrometer %

pH值 Na Ca Mg K Al Fe
2 0.17 0.1 1.07 2.34 15.69 7.18
4 0.35 0.26 1.31 2.39 15.71 7.2
6 0.61 0.68 1.53 2.40 15.73 7.22
7 0.70 0.82 1.60 2.43 15.74 7.21
8 0.74 0.87 1.61 2.42 15.74 7.19
10 0.76 0.99 1.64 2.38 15.70 7.15
12 0.77 1.05 1.67 2.36 15.62 7.11
14 0.87 1.24 1.73 2.30 15.50 7.03
从表6可以看出,对于酸性溶液,淋滤后土体中各金属元素的含量均下降,其中Na、Ca、Mg含量显著下降;对于碱性溶液,淋滤后土体中Ca、Mg含量显著增加。究其原因:对于酸性溶液,土体处于富含H+的环境中,虽然根据离子交换顺序:H+<Na+<Li+<K+<Rb+<Cs+<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Cu2+<Al3+<Fe3+<Th4+,H+应该无法置换出土体中其余金属阳离子,但由于H+浓度足够高,因此也可以将处于序列后的Na+、Ca+、Mg2+、K+、Al3+以及Fe3+置换出来,所以土中各金属元素的含量均有下降,而H+对Na+的置换作用更强,因此土体中Na+含量下降更明显,土体中Ca2+、Mg2+含量下降是由于H+的置换作用,但主要原因是土体中CaCO3、MgCO3的溶解所致。对于碱性溶液,土体处于富含OH-的环境中,Mg2+与OH-生成Mg(OH)2而沉淀,Ca2+与OH-和CO2生成CaCO3,因此Ca2+和Mg2+在土中的含量均增多,而K+、Al3+和Fe3+含量减少则因溶液中Na+的置换作用导致。
在酸性溶液中,黏土矿物表面可能带正电,也可能带负电,带负电的黏土矿物吸引溶液中的H+进入扩散层,将土体中Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Al3+、Fe3+置换出来,带正电的黏土矿物吸引溶液中的Cl-进入扩散层,二者均会使扩散层厚度变薄,宏观上表现为土体界限含水率减小,塑性减小,且溶液pH值越小,这种作用越明显,因此经酸性溶液作用后土体液塑限及塑性指数随pH值减小而减小;扩散层变薄会促使颗粒搭接方式由面面搭接逐渐劣化为点点搭接,此时,土体内部大小孔隙明显增多,抗剪强度下降,且pH值越小,抗剪强度越低。
在碱性溶液中,黏土矿物表面均带负电,从而吸引溶液中的Na+进入扩散层,使扩散层变厚,宏观上表现为土体界限含水率增大,塑性增大,体积发生膨胀;随溶液pH值增加,越来越多的Na+进入扩散层,扩散层厚度也越来越大,即为土体液塑限及塑性指数随pH值增加而增大、土体体积膨胀亦越明显。

3.2 矿物成分测定

经XRD试验后的试样衍射峰图谱如图6所示,图中,M为蒙脱石,I为伊利石,K为高岭石,I/M为伊蒙混层矿物,Q为石英,A为长石。与未淋滤的素土相比,经pH值=2、14溶液淋滤后土体X射线特征峰强度均未发生明显改变,说明土体中各黏土矿物的含量并未发生明显变化,亦说明膨胀土块抗剪强度的变化并非由黏土矿物造成的。根据以往研究[13,15]认为,黏土矿物含量未发生明显变化的原因是:较人工合成土,天然土经长时间风化、侵蚀和沉积,土体矿物组成及性状变得相对稳定,因此不与酸碱化学溶液发生反应。
图6 X射线衍射图谱

Fig.6 X-ray diffraction patterns

下面主要从酸碱溶液对游离氧化胶结物以及水溶盐的影响来探讨土体抗剪强度变化的内在机理。
膨胀土是风化形成的一种黏性土,在成土过程中,大量硅、铝元素富集而形成次生矿物,如蒙脱石、绿泥石、伊利石及高岭石,这些次生矿物往往呈片状,通过面面搭接、边面搭接等方式聚集形成微结构单元;成土过程中除硅、铝外,其余金属元素富集也会形成倍半氧化物以及各种水溶盐,如Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaCO3及MgCO3,倍半氧化物及各种水溶盐在黏性土中十分常见,含量仅次于次生矿物,对土颗粒往往起到胶结作用,当它们与水结合后变成一种凝胶状物质。该胶结物包裹细小矿物颗粒充填于次生矿物搭接的微单元孔隙中,当孔隙中胶结物越来越多时,微结构单元便相互聚集形成更大的颗粒单元,而大颗粒单元的孔隙仍然会被胶结物填充,逐步形成越来越大的土颗粒单元,土体结构便是由许多大小不一的土颗粒单元组成[16]。
水溶盐是存在于土体之中的可溶性矿物成分,其稳定性较差,对外界环境变化较为敏感,因此对土体物理力学特性的影响很大。土体中水溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐,其中,易溶盐包括NaNO3、KNO3、NaCl、Na2SO4和Na2CO3等,中溶盐主要是土体中的一些硫酸盐,这两种盐类富含大量种类不同的阴阳离子,因此在酸碱溶液与土体作用时,这两种盐类主要通过离子交换作用影响双电层厚度进而影响土体物理力学特性。但对土体物理力学特性影响最大的还是土中的难溶盐,土中难溶盐主要包括CaCO3和MgCO3等,它们与倍半氧化物一样,在土颗粒间起胶结作用,与倍半氧化物一起形成不同大小的土颗粒单元,如图7所示。当酸碱溶液作用土体时,难溶盐与溶液发生反应而丧失胶结能力,使土体内部颗粒变得分散,大小孔隙逐渐发展,物理力学特性劣化。
图7 土体微观结构示意图

Fig.7 Schematic diagram of soil microstructure

在酸性溶液中,各种倍半氧化物和水溶盐与酸性溶液发生如下化学反应:
F e 2 O 3 + 6 H C l = 2 F e C l 3 + 3 H 2 O 　 ,
A l 2 O 3 + 6 H C l = 2 A l C l 3 + 3 H 2 O 　 ,
M g C O 3 + H + = M g 2 + + H C O 3 - 　 ,
C a C O 3 + H + = C a 2 + + H C O 3 - 　 。
由于起胶结作用的Fe2O3、Al2O3、MgCO3、CaCO3均能与H+发生反应,因此经酸性溶液淋滤后这些胶结物被消耗,土颗粒由大的团粒分散为细小颗粒,土骨架遭到破坏,土孔隙得到发育,故pH值=2溶液淋滤后的试样表面才会存在孔洞;随着pH值降低,H+浓度越高,这些反应就会变得越剧烈,所以抗剪强度随pH值降低劣化越明显,其中,黏聚力明显降低正是因为土体内部胶结键的断裂所致,而内摩擦角降低不明显则是由于酸液主要侵蚀的是土体内部游离氧化物及各种难易溶盐,这些成分的溶解虽然会使土体的颗粒大小以及粒度成分发生变化,并通过影响颗粒的翻滚滑移而影响内摩擦角,但原生矿物和次生矿物是土骨架的主要组成部分,其对酸性溶液的作用并不敏感,淋滤前后土骨架并未产生特别大的变化,所以经酸液作用后内摩擦角只出现小幅降低。
在碱性溶液中,倍半氧化物较为敏感,土体中Al2O3、SiO2等倍半氧化物与碱性溶液反应生成NaSiO3、Al(OH)3及H2SiO3等[16],主要化学反应如下
$\mathrm{SiO}_{2}+2 \mathrm{NaOH}=\mathrm{Na}_{2} \mathrm{SiO}_{3}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}。$
这些胶体及沉淀物具有胶结作用,它们包裹一部分细小颗粒充填至土孔隙中,使土体结构变得更加致密,抗剪强度增大,其中,黏聚力随pH值增加明显增大是因为土体内胶结物增多,胶结键承受了大量剪切力;而内摩擦角虽然也增大,但增幅较黏聚力小,这是由于内摩擦角是由颗粒粗糙程度及颗粒密度决定,虽然胶结物使土体结构变得致密,内部孔隙体积下降,但溶液的淋滤作用仍然会侵蚀或冲刷部分颗粒,这部分土颗粒的缺失抵消了部分内摩擦角的增长。

4 结论

(1)经酸碱溶液淋滤7 d后,试样形貌及形态出现不同的变化:经酸性溶液淋滤时试样表面会出现许多微小气泡,淋滤7 d后试样表面出现许多孔洞;而经碱性溶液淋滤时试样表面无明显变化,但淋滤7 d后试样发生体积膨胀,且表面有白色晶体生成。
(2)通过界限含水率试验及三轴压缩试验发现,经酸性溶液淋滤7 d后,膨胀土物理力学特性随pH值减小而劣化(较pH值=7溶液淋滤试样),其中,液塑限及塑性指数随着pH值减小而减小,黏聚力随pH值减小而大幅下降,内摩擦角随pH值减小略微下降;经碱性溶液淋滤7 d后,膨胀土物理力学特性随pH值增大逐渐强化(较pH值=7溶液淋滤试样),其中,液塑限及塑性指数随pH值增大而增大,黏聚力随pH值增大出现大幅上升,内摩擦角随pH值增大小幅上升。
(3)对酸碱溶液淋滤后的膨胀土块进行XRD试验、化学成分分析发现,酸碱溶液与土体之间的作用机理是通过离子交换作用及土体中矿物成分与溶液之间的反应,改变土颗粒间双电层厚度以及土体中游离氧化胶结物和水溶盐的含量,从而改变土颗粒搭接方式及土体微结构单元。经酸性溶液作用后,扩散层厚度变薄,胶结物溶蚀,土体结构变差,因此,物理力学特性随pH值减小逐渐劣化。经碱性溶液作用后,扩散层厚度变厚,并伴有新的胶结物(如碳酸钙)生成,充填内部大小孔隙,土体结构变密实,因此,物理力学特性随pH值增大逐渐增强。

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