SH加固酸碱污染黄土的抗压强度特性试验研究

SH加固酸碱污染黄土的抗压强度特性试验研究
谌文武;刘宏伟;张起勇
【摘要】采用人工添加化学试剂的方法改变黄土pH值,模拟制备得到酸碱污染黄土,用新型高分子土固化剂SH加固酸碱污染黄土.以污染黄土pH值为主要评价指标,通过无侧限抗压强度试验,测定不同SH固含量下酸碱污染黄土的抗压强度及其应力应变关系,及在不同污染条件下SH的加固效率.SH加固效果最优的pH值在6.43～10.90,最低固含量阈值为0.27％.借助于IMAGE J软件对SEM显微照片进行处理,得到了不同污染黄土加固前后的微观结构参数变化.酸碱污染物与黄土中的矿物成分发生反应造成颗粒间胶结物质被腐蚀;碱性污染土的大孔隙明显增多,试样产生膨胀,结合水膜增厚,削弱了整体强度;酸性污染土中,颗粒间结合水膜变薄使得颗粒间的连接强度大为增加.酸碱既对SH有直接作用,又通过改变物化性质对SH加固效果产生影响,整体来看SH对偏酸性环境更加敏感.%By adding chemical reagents to change the pH value of the loess,acid and alkali pollution loess was obtained in the test.New polymer soil curing agent SH was applied to strengthen the acid and alkali pollution loess.Controling the pH value as a main evaluaton indicator,the compressive strength and stress-strain relationship of polluted soil consolidated with different SH solid contents were measured by unconfined compressive strength test and the reinforcement efficiency of SH under different pollution conditions was got.The optimal pH range of SH consolidation is about 6.43-10.90 and the minimum solid content threshold is about 0.27％.The microstructural parameter variations of the polluted soil were obtained by SEM micrographs and analyzed by Image J software.Acid and alkali
contaminants react with the mineral composition in the loess and cause the intergranular cementation material to be corroded.When large pores of the alkaline contaminated soil obviously increased,the sample expanded and the water film thickened,so weakening the overall strength.For the acid contaminated soil,the thinning water film between particles increased the connection strength between the particles greatly.Acid and alkali not only have a direct effect on the SH,but also change the physical and chemical properties of the soil to influence SH reinforcement effect.On the whole,SH is more sensitive to acidic environment.
【期刊名称】《桂林理工大学学报》
【年(卷),期】2017(037)003
【总页数】7页(P422-428)
【关键词】黄土;pH值;SH固化剂;抗压强度;微观结构
【作者】谌文武;刘宏伟;张起勇
【作者单位】兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州730000;兰州大学土木工程与力学学院,兰州730000
【正文语种】中文
【中图分类】TU43
随着西部大开发的不断深入,西北地区工业发展迅速,自然环境遭到了一定程度的破坏。

这其中由化工部门排放废渣废液、废弃物泄露、酸雨等造成的土体酸碱污染现象越来越多。

随着西部地区城市化的推进,土地资源变得尤为珍贵,污染土的治理成
为了岩土工程领域的一大热点。

对于此类问题，国外的研究多集中在污染土治理及污染机制等方面,偏向于环境工程[1-2]。

国内环保工作起步比较晚,对污染土尤其是酸碱污染土的研究也相对滞后，大多局限于环境工程、土壤营养学、生态学等；对酸碱污染土尤其是酸碱污染黄土的工程性质、工程治理的研究相对较少, 而且多为工程实例的报道。

如：朱春鹏等[3]对酸碱污染淤泥质土的强度特征进行了研究, 认为酸碱污染土的抗剪强度发生明显变化;陈宝等[4]对高碱溶液对膨润土的侵蚀作用进行了研究,证实了高碱性溶液造成膨润土有效成分蒙脱石的溶解;李相然等[5]、顾季威等[6]、路世豹等[7]的研究涉及了酸碱对地基土的腐蚀并对腐蚀机理也作了一定宏观解释。

土的强度特性受其成因、应力历史以及土质性质的影响,十分复杂,是土工程性质研究的重要内容。

SH固化剂(又称改性聚乙烯醇)是兰州大学自行研制的一种新型高分子材料,具有粘度低、无毒性、价格低廉等优点。

SH固化剂已在西北黄土地区固沙和土遗址保护领域得到一定应用，并被证明固化后土体强度提升效果显著[8]。

笔者通过室内人工添加酸、碱试剂的方法制备酸、碱污染黄土,突破性地将酸碱污染土问题与新型高分子固化剂SH相结合,以污染黄土的pH值为衡量污染程度的指标,通过无侧限抗压强度试验,研究了不同龄期条件下,不同SH固含量固化酸碱污染黄土的抗压强度特征,并对影响土体强度变化及SH加固效果的微观机制进行了分析。

试验用土为兰州地区黄土,根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)进行土的基本性质测试,相关性能见表1。

试验所用碱溶质选用化工业经常使用的NaOH,选用浓H2SO4作为酸溶质。

配置的NaOH溶液浓度分别为4%、8%、
12%,H2SO4溶液浓度为6%、14%、22%。

试验用SH原液浓度为5%,拌合土用水为自来水,水质符合《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)规范要求。

参照美国ASTM有关规程以及我国土工试验规程,固化试块采用7.07 cm×7.07
cm×7.07 cm的立方体。

将试验用土过2 mm筛后置于110 ℃烘箱8 h,根据试块设计干密度1.6 g/cm3称取相应质量干土,按10%初始含水量分别加入等质量4%、8%、12%的NaOH溶液、空白水样及6%、14%、22%的H2SO4溶液，充分搅拌后放入保湿器中密封保存1 d。

试验设计的SH掺量分别为0、20、30、40、50 mL,对应SH固含量(SH固含量
指试样所含SH固体质量占干土质量的百分比)分别为0、 0.17%、0.27%、0.35%、0.44%。

将SH按比例加入土中拌和均匀,拌和时间不超过10 min,然后分层装模压实制样。

室内自然养护至待测,设计龄期为7、14和28 d,试样含水率控制在12%
左右。

抗压强度试验采用DNS100型电子万能试验机进行。

在加入12%NaOH的碱性污染土、天然土和22%H2SO4的酸性污染土中选择未
加固和0.44%SH固含量加固试样进行扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)观察。

试样经充分风干后切取其内部一小块新鲜较完整薄片,在薄片表面镀一层金膜后用扫描电子显微镜观察。

取污染土样品各15 g,按《土壤质量-pH 的测定》(ISO 10390:2005)国际标准, 经
不超过40 ℃干燥处理后, 以土壤和水1∶5的比例配置浊液, 机械震荡器匀速震荡
1 h后静置30 min, 用pH计测定上层清液pH值。

所测定的污染土样pH见表2。

实验室配置酸、碱污染黄土有如下特征: 酸性污染土颜色较浅, 不易沾染皮肤, 无明显刺激性气味; 碱性污染土颜色较深, 易沾染皮肤, 颗粒更易团聚, 试样经养护后出
现膨胀, 导致土样表面出现轻微剥落, 且伴有少量白色絮状物, 如图1所示。

2.2.1 抗压强度与SH固含量的关系 SH固含量不同,土样的抗压强度不同,在各级
pH值条件下固化黄土的抗压强度均随着SH固含量的增加而增大,各龄期下抗压强度与SH固含量的关系呈指数函数关系(图2)。

关系式可表示为
y=a·ebx，
式中， a、b为拟合参数，各龄期的参数见表3。

2.2.2 抗压强度与污染土pH的关系酸碱污染黄土的无侧限抗压强度随污染土pH 值的变化如图3所示。

可以看出:各级SH固含量加固土样的峰值强度都随着pH 值的增大而减小,偏酸性环境对提高土体抗压强度有利。

碱性污染黄土的抗压强度随pH增大而小幅降低,但在过碱性条件下,抗压强度下降较为明显,本次试验中污染土pH>10.90时，各级SH固含量下的抗压强度趋于一致,存在SH“失效”现象。

在各级SH加固条件下,虽然加固污染土的抗压强度变化趋势与原污染土相同,但不同酸碱污染条件下SH的反应效率明显不同,得到的加固试样强度增长率也不同。

在28 d龄期下,以未加固试样强度为基准,得到不同SH固含量下各组加固污染土强度增长率与pH的关系见图4。

SH固含量大于0.27%时，土样的峰值强度得到大幅度提升,这在天然土和碱性污染黄土中表现得更为明显。

可认为SH充分发挥加固效果的最低固含量阈值在0.27%附近。

相较于碱性污染土而言,SH对酸性污染土的反应更加敏感,SH对弱酸性和偏碱性污染土的加固效果较好,过酸及过碱性环境会降低SH的加固效率。

在本次试验中,从加固效果和SH反应效率角度考虑,SH加固酸碱污染黄土的最优pH范围在6.43～10.90。

2.2.3 抗压强度与龄期的关系 SH固化酸碱污染黄土的强度还与龄期有关,图5为碱性污染土(pH=10.90)、天然土、酸性污染土(pH=6.43)的抗压强度随龄期的增长关系,其他各组pH试样抗压强度与龄期的关系也得到相似结果。

随着龄期的增长,SH加固土的抗压强度也随之增大。

在SH固含量较低(碱性和中性条件下小于0.27%, 酸性条件下小于0.17%)时,试样养护初期即接近最大强度；在SH固含量大于0.27%时,试样在14 d后,至28 d龄期时，仍有明显的强度提升,强度增长出现一定的滞后性。

与2.2.2节中类似,以上两点仍然在天然土和碱性污染土中尤为明显。

王银梅等[9]研究了SH固化沙体的强度特征, 认为SH固化试样中的水分为0时, 强度将不会增大。

本次试验龄期达到28 d时,试样已经基本干燥,可认为已经达到最大强度。

2.2.4 应力-应变关系以28 d龄期为例, 图6为碱性污染土(pH=11.27)、天然土(pH=7.58)、酸性污染土(pH=6.12)在未加固和固含量0.44%SH加固条件下的应力-应变关系曲线。

曲线前端的一小段上凹段是由于制备的试样表面不完全平整以
及内部细小裂隙压密造成。

碱性污染黄土的破坏应变明显增大,弹性模量降低,土体
向塑性发展,其他各级污染条件下的应力-应变关系与之类似。

SH加固后,土样峰值
强度增大,破坏应变也有所增大,土体由脆性破坏向塑性破坏转变。

以pH=10.90的碱性污染土、天然土以及pH=6.43的酸性污染土为例,2 000倍
放大倍数下酸碱污染土及天然土试样的扫描电镜照片如图7所示。

酸、碱污染黄
土中,颗粒间胶结物质受到腐蚀,碱性污染土的大孔隙明显增多,酸性污染土颗粒更小。

SH加固使得各组试样中颗粒连接更加紧密,空隙内增加了丝状胶结,受土颗粒团聚
增大影响,土样平均孔径增大,但表观孔隙率总体减小,孔隙减少,尤其在酸性污染土中,SH固化后的土体孔隙率减小明显,SH对土颗粒的胶结效果十分显著。

Image J 图像分析软件是美国国家心理健康研究所开发的免费科学图像分析工具,
现被广泛应用于生物学、医学、农学、工程学等各个领域。

笔者借助该软件,对图
像作增强、降噪处理后设置比例尺,进行图像分割。

将图像采用分水岭算法转换为
8位灰度图像,灰度范围0～255[10]。

阈值选取采用全局阈值方法,通过照片灰度值分析得到了基于1 000倍SEM微观照片的试样表观孔隙率和平均孔径,如表4所示。

黄土受碱溶液污染后,NaOH与黄土中的主要游离氧化物Al2O3、Fe2O3等发生了化学反应,生成软塑状的NaAlO2、NaFeO2,在强碱环境下还能与SiO2反应生成Na2SiO3[11]，使土整体呈现偏深色软流塑状态,化学反应式如下:
Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O，
Fe2O3·3H2O+2NaOH=2NaFeO2+4H2O，
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O。

土体中的Ca2+、Mg2+与NaOH发生反应生成沉淀物质,未反应的NaOH与空气中的CO2反应生成Na2CO3,最终形成含水碳酸钠结晶,而表层水分蒸发较快,残余水分在重力作用下向下部运移,沉淀物首先在上部析出,随之向下部发展,使得土体强度受到一定程度破坏。

这是碱性污染土抗压强度降低的一个重要原因。

另外,随着pH值的增大,大大超过了土中矿物的等电pH值,使得黏粒表面的负电荷增多,热力
学电位增大,电动电位增大[12]。

在Na+浓度较高时,根据双电层理论,大量的Na+
进入了黏粒表面的吸附层与扩散层,使得结合水膜增厚,可塑性增大,增大了颗粒之间的间距,这是碱性污染黄土试样膨胀的一个因素。

对试验中的酸性污染黄土而言,由于组成黄土的粘土矿物的平均等电pH值较低,弱
酸性的污染环境整体降低了黏粒表面的热力学电位和电动电位,使得扩散层变薄。

此外随着污染土pH值的降低,孔隙液中低价H+增多,高浓度条件下的H+可能进入扩散层从而进一步降低黏粒表面的电动电位,使得扩散层变薄。

以上作用共同使颗
粒表面结合水膜变薄,颗粒间的连接强度大为增加。

另外,张信贵等[13]研究表明pH值的变化对矿物晶格结构的变异存在突变点,pH值在4～10范围内矿物晶格结构的变异对土性质变化的贡献率不大,土颗粒间连接状
态的改变起主要作用,强酸碱环境中,矿物的变异对土性质的影响十分重要。

SH是水溶性高分子,含有大量的羧基(—COOH)、羟基(—OH)等亲水性基团。

酸、碱污染土对SH加固效果机制的影响主要体现在以下几个方面:
(1)黄土与酸、碱反应后,其物质成分变化对SH与黄土中碱金属离子的置换反应产
生影响。

如前文所述,酸性污染土中土体孔隙液中的Ca2+、Mg2+等离子增多,导
致黏土颗粒的选择性吸附,在弱酸性环境下SH置换出黏粒表面吸附层和扩散层中
的Ca2+、Mg2+等碱土金属离子,并置换出H+,降低了土体粒间电动电位,使得粒
间结合水膜进一步变薄,另外,H+吸附于土颗粒表面,增加了土颗粒的表面能,以上作
用共同促进了土颗粒间进一步聚集,联结强度增大。

但随着污染土酸性的增强,孔隙
液中的H+也在增多,H+也有可能进入扩散层置换高交换能力的碱土金属离子,且游离的H+含量增多也在一定程度上抑制了SH置换反应的正向进性。

所以在SH固含量不变的情况下,随pH值的降低,SH与土粒表面碱金属离子的置换反应效率总体减弱,土强度的提高更多来自孔隙的减少和颗粒的联结增强,从而在一定程度上造成了SH加固效率下降。

对于碱性污染土来说,SH并不能置换扩散层中大量的Na+,而孔隙液中的Ca2+、Mg2+等碱土金属离子在碱性环境下大量转变为沉淀物,此时在低SH固化条件下,土体结构的破坏仍占主导因素,所以在对碱性污染黄土的加固中,低固含量条件下,SH对加固效果的提升并不明显。

(2)污染黄土的酸碱性对SH与土表面游离羟基间形成的氢键产生影响。

黄土中SiO2表面有大量的游离羟基,SH高分子链上的羧基与土硅酸盐表面的羟基间形成氢键,增强了土体骨架间的稳定性。

在酸性污染土中氢键的形成不会受到明显影响,但在碱区,pH值的增大促进了SH高分子链上的羧基以及土粒表面游离羟基的电离,增大了氢氧间结合形成氢键的难度,且随着pH值的增加,更多的SiO2被反应,生成的硅酸盐和偏硅酸盐带有较少的—OH端,所以随着pH值的升高,形成的氢键数量减少,从而降低了SH的加固效果。

(3)随着pH值的增大,高分子材料SH的分子间静电引力增大,孔隙液中的水化离子数也增大,引起SH的粘度上升,而对高分子土固化剂来说,固化剂粘度愈大,则加固强度愈大[14]。

(4)酸碱污染土内部的孔隙效应对SH加固效果产生影响。

SH在土颗粒表面附着,SH分子间相互搭接提高了颗粒间的连接强度。

对酸与碱污染黄土而言,颗粒间的胶结物质均遭受腐蚀,孔隙率的增大对于SH的吸附、联合十分有利。

而碱性污染黄土试样，尤其是在pH值较大的条件下,土体结晶过度膨胀使得土体结构严重破坏，对SH的胶结效果也产生很大削弱。

总之,SH与土的物理化学作用是一个复杂的反应体系,尚未得到对SH加固机理确切
的、详尽的解释,酸碱度对SH加固效果的影响也是多方面的。

对SH在更多领域的合理应用前景还在不断探索当中。

(1)相较于碱性污染土,SH对偏酸性污染黄土更加敏感,从加固效果和SH反应效率的角度考虑,存在SH发挥加固效果的最优pH值区间,即6.43～10.90,pH值超过10.90时,存在SH失效现象。

(2)SH固含量在0.27%以上时,SH才表现出明显的加固效果,这一点在中性土及碱性污染土中表现的尤为明显。

(3)SH的加固效果随龄期的增加而逐渐表现出来,对于碱性污染黄土和天然黄土来说,SH加固试样强度增长随SH固含量的增加表现出一定的滞后性,达到最大强度的龄期较长。

(4)由于碱性污染试样内部膨胀对土体结构连接造成破坏,碱性污染试样的孔隙明显增大。

SH增强了颗粒之间的团聚和连接,使平均孔径增加但其整体孔隙率减小。

(5)SH与土的作用机制十分复杂,在酸、碱污染条件下,酸、碱既对SH有直接作用,又通过改变物化性质对SH加固效果产生影响。

Key words: loess; pH value; SH curing agent; compressive strength; microstructure
【相关文献】
[1]Sridharan A, Nagaraj T S, Sivapullaiah P V.Heaving of soil due to acid contamination[C]//Proc. 10th International Conference on Soil Mechanics Foundation Engineering, Stockholm,1981, 2:383-386.
[2]Rajput V S, Higgins A J, Single M E. Cleaning of excavatedsoil contaminated with hazardous organic compounds by washing[J].Water Environment Research,
1994,66(6):819-827.
[3]朱春鹏, 刘汉龙, 沈扬. 酸碱污染土强度特性的室内试验研究[J]. 岩土工程学报, 2011,33(7):1146-1152.
[4]陈宝,张会新,陈萍. 高碱溶液对高庙子膨润土侵蚀作用的研究[J]. 岩土工程学报, 2013,35(1):181-186.
[5]李相然, 姚志祥, 曹振斌. 济南典型地区地基土污染腐蚀性质变异研究[J]. 岩土力学, 2004,
25(8):1229-1233.
[6]顾季威. 酸碱废液侵蚀地基土对工程质量的影响[J]. 岩土工程学报, 1988,10(4): 72-78.
[7]路世豹, 张建新, 雷扬, 等. 某硫酸库地基污染机理的探讨[J]. 岩土工程界, 2003,6(5):37-39.
[8]王银梅, 杨重存, 谌文武, 等. 新型高分子材料SH加固黄土强度及机理探讨[J]. 岩石力学与工程学报, 2005,24(14):2554-2559.
[9]王银梅, 孙冠平, 谌文武, 等. SH固沙剂固化沙体的强度特征[J]. 岩石力学与工程学
报,2003,22(S2):2883-2887.
[10]邓林红, 王锐, 陈园园. 基于电子扫描的Image J图像处理系统在多孔材料中的应用[J]. 传感器
与微系统, 2012,31(5):150-152.
[11]李琦, 施斌, 王友诚. 造纸厂废碱液污染土的环境岩土工程研究[J]. 环境污染与防治,
1997,19(5):16-18.
[12]刘汉龙, 朱春鹏, 张晓璐.酸碱污染土基本物理性质的室内测试研究[J]. 岩土工程学报,2008,
30(8):1213-1217.
[13]张信贵, 吴恒, 易念平. 城市区域水土作用与土细观结构变异的试验研究[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2004,29(1):39-43.
[14]刘瑾, 陈晓明, 张峰君, 等. 高分子土固化剂的合成及固化机理研究[J]. 材料科学与工程, 2002,20(2):230-234.
Abstract: By adding chemical reagents to change the pH value of the loess, acid and alkali pollution loess was obtained in the test.New polymer soil curing agent SH was applied to strengthen the acid and alkali pollution loess. Controling the pH value as a main evaluaton indicator,the compressive strength and stress-strain relationship of polluted soil consolidated with different SH solid contents were measured by unconfined compressive strength test and the reinforcement efficiency of SH under different pollution conditions was got. The optimal pH range of SH consolidation is about 6.43-10.90 and the minimum solid content threshold is about 0.27%. The microstructural parameter variations of the polluted soil were obtained by SEM micrographs and analyzed by Image J software. Acid and alkali contaminants react with the mineral composition in the loess and cause the intergranular cementation material to be corroded. When large pores of the alkaline contaminated soil obviously increased, the sample expanded and the water film thickened, so weakening the overall strength. For the acid contaminated soil, the thinning water film between particles increased the connection strength between the particles greatly. Acid and alkali not only have a direct effect on the SH, but also change the physical and chemical properties of the soil to influence SH reinforcement effect.On the whole,SH is more sensitive to acidic environment.。