酸碱环境下膨胀土胀缩变形规律研究

王 斯 海，赵 贵 涛，袁 昌 成，高 路 恒

(1.江苏工程职业技术学院 建筑工程学院，江苏 南通 226000； 2.南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京 210009； 3.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072； 4.中国船舶重工集团有限公司第八研究院，江苏 南京 210000)

0 引 言

膨胀土是一种“问题多的土，难对付的土”，被称为“隐藏的灾害”，具有诸多不良工程特性，根源在于其含有蒙脱石、伊利石等强亲水性黏土矿物，导致膨胀土对气候和水文条件变化十分敏感，其水敏性表现在随着含水率的波动，膨胀土体积发生明显的胀缩变形。膨胀土不均匀的体积变形易导致建于其上或与之相邻的构筑物发生失稳破坏，尤其在考虑季节性胀缩循环以及工业污染等不可忽略的因素时，这种破坏可能会变得更加严重和复杂。因此，工程实践中膨胀土的体积变化行为越来越受到众多研究者的关注。

随着中国城镇化和工业化规模的不断扩大，工业生产过程中产生的各种污染物(如废水、废气、废渣)的排放不可避免地对周围土体(包括膨胀土)造成污染，这种通常带有酸性或碱性的污染物通过水传播作用与土体接触时所产生的复杂化学反应难以避免地会改变土体本身的物质组成，进而改变土体的物理-力学性质，引起土的工程性质逐渐衰变[1-3]。已有研究表明[4-5]，污染物的种类和浓度是影响土体体积变化的重要因素。

近年来，国内外许多学者针对环境酸碱污染对土的工程性质影响展开了大量研究。例如，李善梅等[6]通过室内试验研究发现pH对桂林红黏土的界限含水率具有显著影响，并分析了其内在机理。肖桂元等[7]则研究了酸性环境对红黏土渗透特性的影响，并采用一种淋溶装置模拟酸雨入渗，发现红黏土中的金属元素会被酸性物质溶解，土体孔隙比增大，最终造成土体渗透系数增大。Sivapullaiah等[8]通过室内试验研究发现非膨胀性高岭土在不同类型和浓度的碱溶液作用之后产生了明显的体积变化。之后，Chavali等[9]通过一系列一维膨胀试验以及微观试验(XRD，SEM)研究了非膨胀性高岭土的碱致膨胀，发现沸石矿物的形成是其产生膨胀特性的根本原因。此外，Gratchev等[10]研究了硫酸溶液侵蚀作用下日本沿海3种沉积黏土的固结压缩特性，发现硫酸侵蚀作用对不同种类黏土固结压缩特性具有不同的影响，原因在于不同黏土具有不同的矿物成分以及土体初始微观结构。还有许多学者对不同种类的盐溶液(中性溶液)如NaCl[11-13]、KCl[14]、CaCl2[15]、AlCl3[15]进入膨胀土之后土体体积变化规律开展研究，但大多都基于宏观现象进行分析，很少从微观层面展开讨论。

此外，还有学者研究了酸碱污染对土体力学特性的影响。如刘剑等[16]发现酸性环境下蒙脱石-石英砂重塑土的抗剪强度和黏聚力先下降后上升再下降，而碱性环境下抗剪强度表现为总体增大。赵宇等[17]则有针对性地研究了几类黏性土在酸性作用下力学特性的变化，发现不同种类的黏土其黏聚力均有不同程度的降低。张瑶丹等[18]通过三轴剪切试验研究了碱处理对黏土抗剪强度的影响，发现不同应力路径下其抗剪强度均有所增加。相反，牟春梅等[19]则发现经NaOH污染之后黏土的抗剪强度和强度参数均有所降低，且发现土体孔隙比增大。

综上可见，目前针对酸性和碱性环境污染下土体微观结构、物理和力学性质的演化规律研究已得到了一些有益的结论，但是酸、碱污染对膨胀土在膨胀特性和压缩特性等方面的研究却鲜见报道。而一些学者虽然针对膨胀土的膨胀变形展开研究[20-21]，但却未考虑酸碱污染对变形的影响。因此，本文以南宁市膨胀土为研究对象，通过一维膨胀和压缩试验研究了该膨胀土在酸碱污染条件下胀缩特性的变化规律，分析了土体孔隙水中阴、阳离子浓度的变化，且通过扫描电子显微镜(SEM)和压汞(MIP)试验观察了土体微观结构的变化。

1 试验材料

1.1 试验用土

试验用膨胀土取自广西南宁市，天然含水率(wn)为18.5%，天然干密度(ρdn)为1.56 g/cm3。取回的膨胀土经自然风干、研磨并过2 mm标准筛以去除土中砾石、树根等杂质。根据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》[22]测得其基本物性指标如表1所列。经X射线衍射试验得知膨胀土主要矿物成分为蒙脱石、伊利石、高岭石、石英、正长石等。经化学分析试验测得膨胀土主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO(见表2)。击实曲线如图1所示。

表1 膨胀土的基本物理性质指标Tab.1 Basic physical properties of the tested expansive soil

表2 膨胀土的主要化学成分Tab.2 Main chemical components of the expansive soil %

1.2 试样制备

为全面考虑试样初始状态以及酸碱污染对膨胀土体积变化的影响，选择5种制样干密度，分别为1.45，1.50，1.55，1.60，1.65 g/cm3。制样含水率选择每种干密度在击实曲线(见图1)上各自对应的含水率，分别为15.40%，16.60%，18.00%，19.45%，21.40%。将风干、研磨之后的膨胀土粉分别与pH为3.5，12.5以及7.0的H2SO4溶液、NaOH溶液、去离子水充分搅拌混合均匀，制备成不同含水率的湿土膏，用击样法将土膏制成直径61.8 mm、高20 mm的环刀样。将环刀样用保鲜膜密封，25 ℃的室温下静置7 d，以使酸碱作用达到平衡状态。一部分试样用于膨胀率试验和压缩试验；另一部分试样用于微观试验(MIP和SEM)。

2 试验方案

2.1 配制酸碱溶液

为模拟酸性和碱性环境污染，分别制备pH为3.5和12.5的酸性和碱性溶液。首先，将浓度96%的硫酸(H2SO4)溶液稀释到去离子水中，以使配制溶液pH=3.5。其次，将氢氧化钠(NaOH)颗粒溶解在去离子水中，制备pH=12.5的碱性溶液。需要注意的是，氢氧化钠和水之间的反应为放热反应。

(1) H2SO4溶液的配置。用玻璃胶头滴管取一定量(约0.05 mL)浓度为96%的浓硫酸(17.927 mol/L)，含有硫酸物质的量为8.96×10-4mol，滴入5 L去离子水中，逐渐加水稀释直至测得其pH为3.5，即得到试验所需硫酸溶液。

(2) NaOH溶液的配制。先配置饱和NaOH溶液(19.3 mol/L)，方法为取130 g NaOH试剂溶于100 mL去离子水中，不断用玻璃棒搅拌，使之完全溶解，待冷却之后，转移至塑料瓶中，静置5 d备用。然后，用胶头滴管取1.64 mL上层清液(含有0.031 6 mol NaOH)溶解于900 mL去离子水中，加水不断调整直到测得pH为12.5，即得到NaOH溶液。

2.2 膨胀率试验方案

根据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》[22]进行无荷膨胀率试验，试验仪器为南京宁曦土壤仪器有限公司生产的WZ-2型常规膨胀仪。将试样放入膨胀仪中，并于试样顶、底部各放置滤纸和透水塑料板以保证试验过程中酸、碱溶液或去离子水可正常进出试样，同时滤纸又能够保证试样的完整性。将H2SO4溶液、NaOH溶液或去离子水加入膨胀仪，通过百分表记录试样的竖向膨胀变形。无荷膨胀率试验共持续7 d，6 h内试样膨胀变形不超过0.01 mm，即达到稳定状态，试验终止。

2.3 压缩试验方案

一维压缩试验同样按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》[22]中标准固结试验方法进行。施加的竖向荷载梯度为6.25，12.5，25，50，100，200，400，800 kPa，每一级荷载维持24 h以保证孔隙水压力完全消散，此时所施加荷载即为有效竖向荷载。压缩试验过程中通过百分表记录酸碱侵蚀试样的竖向变形。

2.4 微观试验方案

通过压汞(MIP)和扫描电子显微镜(SEM)试验观察试样经历酸碱处理之后微观结构的改变。在静置7 d之后最接近天然干密度为1.55 g/cm3的试样上取2 g进行试验，试验前用冻干法去除土中孔隙水。为呈现试样内部孔隙形态，SEM试验放大倍数选为1 000倍。

3 结果与讨论

3.1 孔隙水化学成分变化

取干密度为1.55 g/cm3的试样进行孔隙水化学成分测试，所得结果见表3。从表3可以看出：

表3 膨胀土孔隙水阴、阳离子含量Tab.3 The anion and cation contents of pore solutions mg/kg

(1) 酸污染土中的阳离子(即Al3+、Fe3+、Ca2+、K+、Na+)的浓度均有不同程度的增加，一方面说明Al2O3，Fe2O3等胶结物在酸性条件下发生了溶蚀，生成Al2(SO4)3和Fe2(SO4)3溶解在孔隙溶液中；另一方面，酸中的H+与土体中的可交换阳离子Ca2+、K+、Na+等发生阳离子交换，从而造成孔隙水中阳离子浓度增大。

3.2 酸碱污染作用对膨胀土微观结构的影响

图2所示为去离子水及酸、碱污染作用7 d之后，试样的MIP试验结果，即累积进汞曲线(CI)和孔径分布曲线(PSD)。图3为去离子水及酸、碱污染试样的SEM图像。

土粒比重为2.73，结合图2(a)中累积注汞体积，可得到去离子水及酸、碱污染试样的总体孔隙比(e)分别为0.45，0.48，0.41。酸污染导致土体孔隙比增大，相比未污染试样增大6.67%；相反，碱污染则导致土体总体孔隙比减小了8.89%。

从图2(b)可以看出：未经酸碱处理干密度为1.55 g/cm3的压实膨胀土试样表现为双峰孔隙结构，即包含峰值约为0.3 μm的小孔隙系统(颗粒集聚体内孔隙)和峰值约为4 μm的大孔隙系统(颗粒集聚体间孔隙)。从图2(b)酸污染试样的PSD曲线可以看出，微观孔隙形态仍然呈现双峰孔隙结构，即试样内部仍存在颗粒集聚体。与未污染试样不同的是，PSD曲线发生明显的向右偏移，小孔隙系统的峰值孔径由0.3 μm增大到2 μm，大孔隙系统的峰值孔径由4 μm增长到11～12 μm，表明酸的侵蚀作用导致土体内部孔隙变大，这与文献[23]所观察到的现象一致。从图2(b)碱污染试样的PSD曲线可以看出，试样内部微观结构变为单峰形态。与未污染试样相比，大孔隙消失，小孔隙尺寸有一定增大的趋势，其峰值孔径从0.3 μm增大到0.5 μm。

从图3可以观察到，未污染试样(图3(a))内部除去条状裂隙之外，微观孔隙尺寸大多集中于5～10 μm，且可明显观察到颗粒集聚体，这一微观孔隙形态与制样初始含水率和干密度有关，试样表现出明显的双峰孔隙结构特征，这与MIP试验所测得试验结果一致。图3(b)所示为酸污染试样的微观图像，可以看出土体内部具有很明显的颗粒集聚体，除条状裂隙外，集聚体间孔隙尺寸可达25 μm。图3(c)所示为碱污染试样的微观图像，可以看出，土体结构由片架结构转变为絮凝结构，未见明显孔隙，这主要与蒙脱石及伊利石在碱性作用下脱硅形成胶结凝胶有关，文献[23]也得到了类似的结论。

3.3 酸碱污染作用对膨胀土压缩特性的影响

图4所示为不同干密度的去离子水及酸、碱污染试样的压缩曲线，即e-lgP曲线。可以看出，对于3种试样，随着干密度的增加，压缩曲线均向下移动。随着竖向荷载的增加，试样孔隙比逐渐降低。当竖向荷载增大到某个值之后，试样孔隙比开始迅速减小，直到竖向荷载达到800 kPa。不同干密度下3种试样初始(竖向荷载为1 kPa)和最终(竖向荷载为800 kPa)孔隙比如表4所列。值得注意的是，从干密度为1.60和1.65 g/cm3的试样压缩曲线可以看出，当竖向荷载从1 kPa增大到6.25，12.5 kPa时，试样孔隙比反而有所增加。这一现象是因为加入酸、碱溶液或去离子水之后，试样发生竖向膨胀，所施加竖向荷载较小且小于试样自身的膨胀力，因此试样在吸水过程中发生了膨胀，表现出孔隙比略微增大。此外，相同干密度情况下，酸污染试样压缩曲线最靠下，表明酸污染增大了膨胀土的压缩能力，而碱污染试样压缩曲线位于最上方，表明碱污染降低了膨胀土的压缩能力。

表4 去离子水及酸、碱污染试样的初始及最终孔隙比Tab.4 Initial and ultimate void ratio of the specimens soaked in distilled water，acid and alkali

土体压缩指数(Cc)是一个很重要的参数，可从定量角度反映土体在竖向荷载作用下的变形能力。不同试样所得到的压缩指数(Cc)如图5所示。可以看出：对于3种试样，随着干密度的增大，压缩指数逐渐减小，当干密度从1.45 g/cm3增大到1.65 g/cm3时，去离子水和酸、碱污染试样的压缩指数分别减小了57.58%，46.18%，65.52%。3种试样中，碱污染试样的压缩指数最小，且压缩指数降幅最大，表现出碱污染试样压缩能力的降低。其次为未污染试样，而酸污染试样的压缩指数最大，且压缩指数降幅最小，说明酸污染使试样压缩性增强。这是因为膨胀土中游离SiO2、Al2O3、Fe2O3等胶结物在酸性环境作用下出现不同程度的溶蚀，降低了试样内部结构的整体性，造成土体内孔隙增大，致使压缩性增大。而由于膨胀土中的黏土矿物“蒙脱石”和“伊利石”在碱性环境下脱硅形成胶结凝胶，同时Al2O3和Fe2O3与NaOH发生反应生成了Al(OH)3和Fe(OH)3胶体，造成土体内部可供压缩的孔隙减少(见图3(c))，最终导致土体压缩性降低。

3.4 酸碱污染作用对膨胀土膨胀特性的影响

图6所示为3种试样的一维膨胀时程曲线。从图6中可以看出，随着干密度由1.45 g/cm3逐渐增大到1.65 g/cm3，试样的膨胀变形逐渐增大。试验结果可用Li等[24]提出的模型进行拟合：

式中：ε为膨胀应变；t为时间；A，B，λ和t0为拟合参数。不同干密度的3种试样的拟合参数及相应的拟合度R2如表5所列。

从图6可知：试样的膨胀应变随时间的发展均呈“S”形，由于膨胀土的渗透性较差，干密度越大，水分越难进入土体。因此，干密度较低(如1.45，1.50 g/cm3)的试样初期膨胀应变增速较快，而干密度较高的试样初期应变增速较缓。相比于未污染试样，酸污染导致不同干密度试样(1.45～1.65 g/cm3)最终膨胀应变分别增大了20.00%，22.22%，9.72%，20.79%，24.26%。而碱污染导致试样最终膨胀应变分别减小了19.88%，20.37%，24.00%，25.42%，25.73%。可以看出干密度越大，酸、碱污染作用对膨胀土膨胀特性的影响越明显；酸污染导致膨胀土膨胀性增强，而碱污染则造成膨胀土膨胀性的降低。

图7所示为典型的一维膨胀时程曲线，根据膨胀速率的不同，该曲线可分为3个阶段：即初始膨胀阶段、主要膨胀阶段和次要膨胀阶段。3阶段划分依据为：在膨胀时程曲线上，由(εU+ε0)/2确定点O(εU为最终膨胀应变，ε0为初始应变，一般有ε0=0)，过O点沿曲线两边做切线分别与横轴和线ε=εU交于点A，B。过A，B点做横轴的垂线，即将膨胀时程曲线划分为3个阶段。同时，两垂线与时程曲线分别交于点M，N。可定义线段MN的斜率(εN-εM/lg(tp/ti))为主要膨胀阶段的膨胀系数(Cp)，N点与最大膨胀应变处C点连线的斜率(εC-εN/lg(ts/tp))定义为次要膨胀阶段的膨胀系数(Cs)。

3种试样主、次膨胀阶段的膨胀系数计算结果如图8所示。可以看出，两种膨胀系数均随干密度的增大而增大，且酸污染试样的主、次膨胀系数均最大，未污染试样次之，碱污染试样的膨胀系数最小。

表5 膨胀时程曲线拟合参数Tab.5 Values of fitting parameters of the swell versus logarithmic time curves

图9所示为试验结束时试样最终膨胀应变，结合图6及图8可以看出：

(1) 相比于未污染试样，酸污染试样膨胀性显著增强。一方面，是因为酸性环境下膨胀试样中的游离SiO2，Al2O3，Fe2O3等胶结物溶蚀，造成孔隙比增大，这一作用加强了土颗粒与孔隙水的接触；另一方面，在酸性环境下，氢离子(H+)取代黏土矿物中的交换性阳离子(Na+、K+、Ca2+等)，从而增加了扩散双电层的厚度，同样造成土体膨胀性增强。

(2) 相比于未污染试样，碱污染试样的膨胀性则明显降低。一方面，由于蒙脱石和伊利石在碱性环境下脱硅形成胶结凝胶，同时Al2O3和Fe2O3与碱发生反应生成Al(OH)3和Fe(OH)3胶体，因此其内部孔隙减少，降低了土颗粒与孔隙水之间的接触；另一方面，碱性溶液中的Na+与Ca+、K+等可交换阳离子发生阳离子交换反应，扩散双电层随着电解质溶液浓度的增加而坍塌，试样膨胀性降低。

综上所述，酸污染和碱污染对膨胀土的侵蚀作用均显著改变了膨胀土孔隙水的化学成分和微观孔隙结构系统。然而，两种污染作用对膨胀土体变特性的影响却表现出相反的差异性。因此，在实际工程中，应分别讨论酸污染或碱污染对膨胀土场地建筑物或土工构筑物安全稳定性的影响。

4 结 论

本文探究了酸、碱污染对膨胀土一维压缩和膨胀特性的影响，通过孔隙水化学成分变化分析和微观试验，解释了在酸、碱污染作用下膨胀土体积变化规律的内在机理，得到以下结论。

(1) 酸污染和碱污染均显著改变了膨胀土的化学成分和微观孔隙系统。压实的未污染试样表现为双峰孔隙结构。酸污染导致试样总体孔隙尺寸变大，孔隙比增加，但土体微观孔隙仍呈现双峰孔隙结构；碱污染导致土体微观结构变为单峰孔隙结构，孔隙比降低，但小孔隙尺寸略微增大，土体结构呈现絮凝状。

(2) 酸污染的侵蚀作用导致土体内部胶结物的溶蚀，造成膨胀土压缩性增强；而蒙脱石和伊利石在碱性环境下脱硅形成胶结凝胶以及Al(OH)3和Fe(OH)3胶体，是造成膨胀土压缩性降低的主要原因。

(3) 酸性环境下，氢离子(H+)取代了黏土矿物中的可交换阳离子，造成扩散双电层厚度的增大，同时由于孔隙比的增大，导致土体膨胀性增强；碱性环境下，Na+与Ca+、K+等可发生阳离子交换反应，扩散双电层厚度降低，同时由于孔隙比降低，土体膨胀性减弱。酸污染对膨胀土体变具有促进作用，碱污染对膨胀土体变具有抑制作用。