酸蝕-凍融循環耦合作用下紅黏土力學特性與微觀機理研究

彭成 ，胡澤源，王東星，劉宵凌，莫彪，傅中志,

(1.南華大學 土木工程學院，湖南 衡陽 421000；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210000；3.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇 南京 210000)

在我國的西部及東北地區，存在著大量的凍土地區，約占我國陸地面積的43%[1]。事實上，除了上述寒冷地區，即使在我國的中東部地區，也可能會發生冰雪災害等極端惡劣天氣。反復凍融會改變土的結構和土顆粒間的聯結狀態，從而導致土體力學性質發生改變[2]。隨著國家大面積進行基礎建設項目的開發，許多寒區建筑項目的實施均面臨著土體凍融損傷的問題。此外，土體長期經受酸雨、生活與工業廢水等影響，則會處于酸性環境之中，導致土體發生一定程度的劣化損傷，我國許多地方都面臨著嚴重的環境污染問題[3]。目前有許多國內外學者對凍融循環引起土體力學性質變化進行了深度的研究，土體在經歷凍融循環后，其強度[4-7]、粒度成分[8]、彈性模量[9]與應力-應變關系[10]等方面產生了不同程度的影響。有的學者[10-11]對土體進行三軸試驗，進一步研究了凍融循環對土體力學性質影響的規律。同時，也有通過電鏡掃描(SEM)試驗研究土體在凍融作用下微觀結構的改變。試驗發現凍融循環作用破壞了土的原始膠結結構，增大了土樣的孔隙比[12-13]，在凍融循環過程中產生了貫穿的孔隙和裂縫，從而影響了土體的強度[14]。對于水化學作用對土體強度的影響，國內外學者進行了較多的研究，也取得了一定的成果。文獻研究表明酸性溶液會對土體的強度[15-16]、孔隙比[17-18]、液塑限[19]和壓縮量[20]產生影響，其中粉質黏土內碳酸鈣類礦物的分解與再造是主導硫酸污染土塑性特性的一個重要因素[21]。綜上所述，國內外在土體損傷力學、凍融循環以及化學腐蝕作用下的研究較多，并取得了許多有借鑒價值的研究成果，但在酸性水化學環境和凍融循環耦合作用下土體損傷機理研究方面并不多。為了更加清楚寒區工程土體的凍融與化學腐蝕對土體力學性質的影響，本文通過鹽酸制備酸污染土，并制備三軸試樣，對試樣進行凍融循環實驗、三軸固結不排水實驗與電鏡掃描實驗，研究土體物理力學性質的變化規律和微觀結構變化，對寒區及酸污染地區相關工程項目提供參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 酸溶液的選擇與配置

以往學者研究酸溶液污染土時，常用的酸溶液配置有濃HCL和H2SO4，二者皆可造成建筑物地基土的損傷?？紤]到實驗的操作性，選擇使用濃HCL 配置酸溶液。已有研究表明[22]，在pH 值小于4 的水化學環境中，土體結構變形差異更為明顯，故選擇pH 為1和3的2組酸溶液。模擬不同的水化學環境，分別配置出pH 為1和3的2組酸溶液，同時選取蒸餾水(pH=7)溶液進行對照。

1.2 試樣制備

試樣取自湖南某地的紅黏土，經過一系列土工實驗，測得紅黏土的各項物理性質如表1所示。

表1 紅黏土物理性質Table 1 Physical properties of red clay

取3 組5 000 g 的紅黏土，分別將700 g 的酸溶液和蒸餾水噴灑在紅黏土里混合，密封后在常溫常壓下等待其反應20 d，反應完成后將土樣取出，此時測得土樣含水率為18%。按照土工試驗規程[23]，將其制成直徑 3.91 cm，高8.0 cm 的圓柱體試樣，每組溶液制備15 個試樣，分3 組共制備45個試樣，將制備好的試樣用保鮮膜包裹后放入試樣養護箱養護14 d，并做好記錄。

1.3 試驗方法

將制作完成的試樣放入微機全自動混凝土慢速凍融試驗設備中進行凍融試驗。設置凍結時的溫度為-20 ℃，持續12 h；融化時的溫度為20 ℃，持續12 h，1 次凍融循環周期為24 h。根據以往學者的研究表明[8]，凍融循環10次后，紅黏土的強度變化幅度較小，故設定0，1，3，5，9次凍融循環次數，重點研究10 次以內凍融循環作用對紅黏土力學性質的影響。試樣編號如表2所示。

表2 紅黏土試樣編號設計Table 2 Red clay sample numbering design

完成凍融循環實驗之后，將試樣進行CU(固結不排水)實驗，三軸實驗儀器選用TSZ-1 全自動三軸儀，采用100，200 和300 kPa 共3 種圍壓。設置加載速率為0.8 mm/min，實驗過程中軸向應變達到20%時停止實驗。

2 試驗結果及分析

2.1 應力-應變特性

經過三軸實驗繪制了300 kPa 圍壓下，不同凍融循環次數的應力-應變曲線，如圖1 所示。從圖中的應力-應變曲線中可以看出凍融循環對紅黏土的力學特性有較大影響，同一pH 值情況下，經歷的凍融循環次數越多，土體偏應力往往越小。

圖1 紅黏土試樣的應力-應變曲線(σ3=300 kPa)Fig.1 Stress-strain curves of red clay under different freeze-thaw (confining pressure is 300 kPa)

從圖1(a)，1(b)和1(c)可以看出，在應力-應變曲線的初始階段，即軸向應變在5%以內時，隨著軸向應變的增加，偏應力的增長較快，呈現出線性增長的趨勢。而在軸向應變達到5%之后，酸性環境下的土體在未受凍融或初次凍融時，偏應力隨著軸向應變的增大而減小。

在用蒸餾水制作紅黏土試樣時，因為土體本身沒有經受鹽酸污染，試樣的應力-應變曲線為應變硬化型，即偏應力隨著軸向應變一直增加，即使達到峰值后并未降低；而在遭受鹽酸污染后，可以看出試樣的應力-應變曲線由應變硬化型過渡到應變軟化型，即偏應力達到峰值后隨軸向應變的增加逐漸減少。由圖1(d)可知，Z1-0的土體試樣較Z7-0與Z3-0的土體試樣，其軟化特性更為明顯，說明酸溶液濃度的提升可以加速紅黏土的軟化特性。酸性環境下的土體在經歷凍融循環作用后，其應力-應變曲線的形態發生了明顯改變，軟化特性逐漸減弱，逐漸轉變為應變硬化型。

2.2 抗剪強度

根據應力-應變曲線，繪制出試樣的抗剪強度隨pH 值以及凍融循環次數的變化關系，如圖2所示。

圖2 紅黏土抗剪強度與凍融循環與關系Fig.2 Relationships between freeze-thaw cycles and shear strength of red clay

抗剪強度取值參照應力-應變曲線關系得出，選擇偏應力峰值(應力-應變曲線為應變軟化型)或者15%軸向應變所對應的偏應力值(應力-應變曲線為應變硬化型)為抗剪強度值。由圖2(a)所知，在300，200 和100 kPa 3 種不同的圍壓下，紅黏土的抗剪強度均隨凍融循環次數的增加而逐漸下降，初次凍融循環就對紅黏土的承載能力產生了較大的劣化作用。在5次凍融后，紅黏土的抗剪強度下降達到了40%以上，而在5 次與9 次凍融循環間只下降了約10%的抗剪強度，說明在5次凍融循環之前，抗剪強度的下降幅度較大，而在凍融循環5次之后，紅黏土的抗剪強度下降幅度逐漸變小。在凍融循環的過程中，水的形態變化是造成紅黏土抗剪強度變化的根本原因，在水凍結成冰時產生的凍脹力會對土的顆粒骨架造成破壞，對土體的強度造成影響。

由圖2(b)所知，在酸性溶液反應的紅黏土試樣抗剪強度小于在蒸餾水溶液反應中的試樣，且隨著酸性濃度的增加而降低。不同pH 值試樣隨著凍融循環次數的增加，抗剪強度降低的幅度存在著差異，經歷9 次凍融循環后，pH=7 的試樣與pH=1和pH=3 的酸性環境下反應的紅黏土試樣，抗剪強度分別下降了36%，54.5%和51.5%。說明酸性環境會在凍融過程中加劇紅黏土的劣化程度，溶液酸性越高，紅黏土的抗剪強度下降幅度更大，劣化程度越明顯。在酸性溶液的侵蝕下，土體中的膠結物受到破壞，從而削弱了土體顆粒間聯結狀態，降低了土體的強度。

2.3 變形模量

采用文獻[15]中的計算方式確定變形模量，即取最大偏應力一半時的偏應力與其所對應的應變的比值作為變形模量，繪制出不同酸性環境下試樣的變形模量隨凍融循環的關系，如圖3所示。

圖3 變形模量-凍融循環關系Fig.3 Relationships between deformation modulus and freeze-thaw cycle

由圖3可知，紅黏土的變形模量隨凍融循環次數增加逐漸下降，且在5次凍融之后，變形模量下降的幅度明顯減緩，出現了較穩定的趨勢，在多次凍融循環后，3 種不同pH 值環境下的紅黏土的變形模量逐漸一致。

對圖3 的數據進行非線性擬合，得到如圖4 所示曲線。

圖4 變形模量-凍融循環擬合曲線Fig.4 Deformation modulus-freeze-thaw cycle fitting curves

由圖中擬合曲線可得到不同pH 值溶液下紅黏土的變形模量隨凍融循環次數的變化規律函數，如式(1)：

其中：待定參數A，t，k與相關系數R2的取值如表3所示。從圖4可以看出，相同pH值環境下，紅黏土的變形模量隨凍融循環次數的增加呈指數型減少。

表3 參數A，t，k和R2的取值Table 3 Values of parameters A,t,k and R2

2.4 抗剪強度指標

通過黏聚力的分析可以看出土顆粒之間的膠結情況，內摩擦角的分析則可以看出土顆粒之間的摩擦和咬合作用。圖5 為不同pH 值環境下紅黏土黏聚力、內摩擦角與凍融循環次數的關系。

圖5 不同pH值下抗剪強度參數與凍融循環關系Fig.5 Relationship between shear strength parameters and freeze-thaw cycles at different pH values

如圖所示，紅黏土的黏聚力隨凍融循環次數的增加逐漸下降，同一凍融次數下，紅黏土黏聚力隨溶液pH 值的降低而降低。初次凍融循環就會使紅黏土黏聚力大幅下降，而在5 次凍融循環后，下降的趨勢逐漸變緩；隨著凍融循環次數的增加，試樣的內摩擦角變化規律不明顯，但總體上有著減小的趨勢，溶液pH 值的減小也會降低土體內摩擦角。

2.5 微觀結構

土體的微觀結構是影響土體工程性質的本質因素，為探究紅黏土在酸性環境以及凍融循環作用后的微觀結構情況，取試樣中部土樣為掃描樣品進行電鏡掃描試驗，分別獲取了100，200，500，1 000，2 000倍5種不同放大倍數的圖像，選取具有代表性的微觀圖片如圖6所示。

圖6 土樣的微觀結構Fig.6 Microstructure of soil samples

從圖6(a)和6(b)可以看出，原狀土樣較為密實，表面較為光滑，土體內的孔隙與裂隙較少，土骨架顆粒多以凝塊狀為主。隨著酸的侵蝕，土樣表面變得粗糙，此外土樣顆粒開始分散，孔隙與裂隙變多，如圖6(c)和6(d)所示。通過高彥斌等[21]研究發現，土體孔隙中酸溶液pH 值變化以及土中非黏土礦物的分解與再造是導致的土體結構變化的重要原因。酸溶液會逐步侵蝕紅黏土顆粒之間的鈣質膠結物，同時與紅黏土中的氧化物和有機質反應，紅黏土之間的孔隙隨著酸蝕強度的增強逐漸增大，導致紅黏土的孔隙比變大，因此造成土顆?；竟羌艿钠茐?，從而影響紅黏土的強度。

從圖6(e)，6(f)，6(g)和6(h)可知，經歷凍融循環作用后，土體中的裂隙進一步延伸，孔隙明顯增多變大，顆粒之間的接觸方式從面與面接觸逐步變為點與面的接觸，土樣的孔隙比進一步增大，從而導致紅黏土的承載能力降低。這與葉萬軍等[13]從微觀角度的研究結果一致。凍融循環對土體產生破環的主要原因是由于土體之間的水分，凍融會使土體中的水從液態變為固態，再從固態變為液態，而在凍結過程中會產生出凍脹力，從而增大了土體內的孔隙體積，同時這種凍脹力會降低土體顆粒之間的聯結作用，對土顆粒骨架產生破壞；而在溫度升高后，土體內的冰逐漸融化，水分在孔隙之間更容易遷移，如此反復就會導致土體劣化程度逐漸增大。

3 結論

1) 紅黏土與鹽酸溶液進行水化學反應后，應力-應變曲線為應變軟化型，而隨凍融循環次數增加，軟化特性逐漸減弱。

2) 酸性溶液的侵蝕與凍融循環的耦合作用劣化土體的抗剪強度，初次凍融循環便會造成抗剪強度與變形模量的大幅度下降，在5次凍融循環后下降的幅度趨于穩定；通過對變形模量與凍融循環進行非線性擬合，變形模量隨凍融次數的增加呈指數型劣化規律。

3) 酸蝕作用會降低紅黏土凝聚力和內摩擦角，在同一pH 值下，隨凍融循環次數增加，土體凝聚力持續減弱，內摩擦角變化規律不明顯。

4) 凍融循環和酸性溶液耦合作用破壞土體結構和改變顆粒間的聯結形式，增大土體孔隙與裂隙，從而劣化土體力學性能。