庫水環境變化對分散性土工程性質的影響

余佳輝 樊恒輝 張路 車雯方 張勇 楊秀娟

摘要：以分散性土為研究對象，在土中摻入不同質量分數的鹽酸和氫氧化鈉模擬庫水環境的變化，進行針孔、碎塊、壓縮、直剪、掃描電鏡等試驗，分析了庫水環境變化對分散性土的分散性、壓縮變形特性、杭剪強度以及微觀結構特性的影響。結果表明：酸堿對分散性土的分散性、壓縮變形特性以及杭剪強度均有顯著影響，庫水環境中酸堿含量的增加均可抑制土體的分散性；堿性庫水環境下分散性土的壓縮模量、黏聚力、內摩擦角隨著堿含量增大呈現先增后減的變化規律，而酸性庫水環境下分散性土的壓縮模量、黏聚力和內摩擦角隨酸含量的增大而減小。研究結果說明，在堿性庫水環境條件下，分散性土壩較為安全，而當庫水呈酸性時，需要密切關注分散性土壩的工程性能變化。

關鍵詞：分散性土；庫水環境；分散性；壓縮性；杭剪強度

中圖分類號：TV443 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.032

從滲透穩定的角度可將黏性土分為分散性土、過渡性土和非分散性土三類。在低含鹽量水中（或純凈水中）分散性土細顆粒之間的黏聚力會大部分甚至全部喪失，呈團聚體存在的顆粒體會自行分散成原級黏土顆粒[1]，其抗沖蝕能力很低，容易造成堤壩管涌、路基失穩等，因此危害性很大[2]。而由分散性土構筑而成的大壩、水渠等廣泛分布于我國東北、西北、華北等地區，存在一定的安全以及壽命問題。工程實例中，常采用石灰、水泥改善分散性土的工程性質[3-4]。這些常規的無機改性劑多為堿性材料，其水化產物也以堿性物質為主。據統計，普通硅酸鹽水泥完全水化后產生的Ca（OH）2含量可達20%[5]。分散性土與庫水酸堿度以及離子種類有著密切關聯，緩慢的化學反應終將導致筑壩材料產生由外至內的改變。此外，生活、農業、工業中排放的污染物增多，以及酸雨的降落，使得部分庫水的pH值和離子種類發生變化，而分散性土壩料呈強堿性，緩慢的酸堿反應會破壞筑壩分散性土中的部分膠結物質，甚至嚴重威脅分散性土大壩的使用壽命。

目前，許多學者從化學侵蝕的角度對特定環境下建筑材料的物化特征及工程性質進行了研究。劉漢龍等[6-8]對酸堿污染土進行了研究，發現酸堿對土體有機質含量、顆粒相對密度、液塑限、壓縮模量、黏聚力以及內摩擦角均有顯著影響。梁冰等[9]通過壓縮試驗分析了酸堿溶液作用下尾礦砂的壓縮特性，結果表明酸堿溶液浸泡過的尾礦砂的壓縮模量均比原狀土的大。楊華舒等[10]通過加速壽命原理設計了紅土的堿侵蝕試驗，分析了堿性物質對紅土的侵蝕劣化機制與紅土工程的劣化速度與趨勢。陳華等[11]通過配制含有不同陽離子和濃度的電解質溶液，采用針孔、碎塊、崩解等方式對非分散性土和分散性土進行試驗，研究了土一水一電解質系統作用下黏性土的分散特性。李志敬等[12]對比了蒸餾水和黃河水兩種不同水質情況下人工配制的土樣在針孔試驗下的分散性，發現黃河水對土樣分散性有抑制作用。

目前，對分散性土的研究主要集中在分散機理分析[13]以及改性應用[3-4]方面，有關化學環境方面的研究鮮有報道，而針對水利工程中庫水環境變化下的分散性土筑壩的研究更少。筆者以分散性土為研究對象，以HCl和NaOH為侵蝕污染源，進行了分散性試驗、壓縮試驗、直剪試驗、掃描電鏡試驗，以期從宏、微觀的綜合角度探討庫水環境作用下分散性土的工程性質變化，為分散性土壩的運行管理提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗中分散性土樣的物理化學性質見表1。利用針孔試驗和碎塊試驗對土樣的分散性進行判別，并根據黏性土分散性的判別準則與方法，計算土樣的分散值F可知[14]，試驗所用土樣為化學性分散性土。

本試驗所用的主要試劑：分析純氫氧化鈉，廣東光華科技股份有限公司生產；36%～38%鹽酸，西安化學試劑廠生產。試驗過程中使用的水均為去離子水。

結合工程實際情況，本試驗所用酸堿侵蝕分散性土樣由分散性土與不同質量分數的鹽酸和氫氧化鈉的水溶液直接混合配制而成。試驗所用酸侵蝕分散性土樣中鹽酸摻量（質量分數）分別為0.01%、0.03%、0.05%、0.10%，堿侵蝕分散性土樣中氫氧化鈉摻量（質量分數）分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。將預先配制好的酸堿溶液分層噴灑于試驗土樣中使其達到最優含水率后密封靜置24h，充分攪拌均勻后將土樣制成各試驗所需規格試樣。壓縮試驗壓實度采用90%、92%、94%、96%，其余試驗壓實度均為96%。

1.2 試驗方法

試驗內容包括分散性試驗、壓縮試驗、直剪試驗、掃描電鏡試驗。分散性試驗包括針孔試驗（ASTM-D4647-93）[15-16]和碎塊試驗（ASTM-D6572—00）[17]，其方法參照美國材料與試驗協會制定的試驗規程。壓縮試驗試樣尺寸為79.8mm（直徑）×20.0mm（高）的圓柱體，抽氣飽和后采用逐級加載的方式，加載等級為6級，分別為25、50、100、200、400、800、1600kPa。加載及讀數按照《土工試驗方法標準》[18]進行。直剪試驗試樣為61.8mm（直徑）×20.0mm（高）的圓柱體，試樣抽氣飽和后采用固結快剪的方式進行試驗，豎向壓力為100、200、300、400kPa，剪切速率為0.8mm/min。掃描電鏡試驗采用S-3400N型掃描電子顯微鏡，把新鮮斷裂面作為觀察面，放大倍數為1000倍。

2 試驗結果與分析

2.1 庫水環境變化對分散性土分散性的影響

針孔試驗通過觀察土樣的針孔形狀、流量及水流的渾濁程度來判定其分散性能。碎塊試驗通過觀察土塊在水中崩解形成的膠粒的分散特性及水的渾濁程度來判定其分散性能。庫水環境變化下分散性土的分散性試驗結果見表2。

由表2可以看出，不同的庫水環境影響下分散性土的分散性能明顯不同。①分散性土在針孔試驗中50mm水頭下，針孔迅速被沖蝕擴大，土顆粒不斷被水流帶出；碎塊試驗中土塊迅速崩解成原級的土顆粒，溶液成為濃黏粒懸液，土壤膠體布滿整個燒杯底部。因此，本試驗土樣屬于分散性土。②堿性庫水環境下，隨著氫氧化鈉質量分數的增大，試驗土樣的分散性狀逐漸減弱。當氫氧化鈉質量分數為0.5時，試驗土樣仍為分散性土；氫氧化鈉質量分數為1.0%和1.5%，試驗土樣由分散性土轉化為過渡性土，試驗照片見圖1（b）和圖2（b），針孔尺寸擴大，碎塊接觸水后輕微反應，崩解的土塊周圍分布有肉眼可見的少量膠粒，水體輕微渾濁。當氫氧化鈉質量分數為2.0%時，試驗土樣由分散性土轉變為非分散性土，試驗結果見圖1（c）和圖2（c），針孔尺寸無明顯變化，燒杯底部無明顯膠體擴散現象，水體清澈。③酸性庫水環境下呈現的規律與堿性庫水環境下的基本相同，隨著鹽酸質量分數的增大，試驗土樣的分散性狀逐漸減弱。但酸性庫水環境相較于堿性庫水環境對土樣的影響更大，具體表現在：當鹽酸質量分數低至0.01%時，試驗土樣仍呈現分散性狀；當鹽酸質量分數為0.03%時，試驗土樣由分散性土轉變為過渡性土；當鹽酸質量分數為0.05%和0.10%時，試樣土樣呈現非分散性土的性狀。

庫水環境變化對分散性土分散特性的影響主要從庫水的pH值和庫水中離子濃度兩方面體現。試驗研究和工程實踐表明，分散性土中含有較多的鈉離子，呈強堿性，本試驗中分散性土符合這兩點。從雙電層理論分析，堿性庫水環境雖然滿足了分散性土高pH值的特點，但是隨著庫水環境中鈉離子含量的不斷增大，雙電層厚度與分散介質中離子質量分數的平方根成反比關系，故離子質量分數的增大壓縮了雙電層的厚度，使離子間的排斥力減小。另外，隨著堿質量分數的增大，庫水中游離的OH-含量也逐漸增大，一部分可與土體游離的Ca2+、Mg2+結合發生沉淀，另一部分可與暴露在礦物邊緣的氧化鋁和氧化硅反應，填補土體本身的孔隙。

酸性庫水環境下，隨著鹽酸質量分數的增大，庫水環境中H+含量亦逐漸增大，降低了土體中的OH-含量，抑制了黏土顆粒表面和邊緣處羥基的分解，減少了黏土顆粒的有效負電荷，使得土顆粒之間的斥力減小，宏觀表現為分散性能降低。此外，H+與土體中的碳酸鈣發生反應，生成了Ca2+，增加了土體中可溶性Ca2+含量，也降低了土體中Na+的相對含量，抑制了土體的分散性。

2.2 庫水環境變化對分散性土壓縮特性的影響

固結壓縮試驗可以模擬自然庫水環境下分散性土壩在自重以及土-水-介質耦合作用下產生的變形沉降量。

2.2.1 酸堿質量分數對分散性土壓縮變形的影響

圖3（a）為堿性庫水環境下分散性土體壓縮模量和庫水中氫氧化鈉質量分數的關系圖。可以看出，堿性庫水環境對分散性土壓縮變形有顯著改善作用。不同壓實度下土體壓縮模量隨氫氧化鈉質量分數的變化呈現相同的變化趨勢，即在較低氫氧化鈉質量分數下，土的壓縮模量隨著氫氧化鈉質量分數的增大而增大，當庫水環境中氫氧化鈉質量分數為1.5%時，土的壓縮模量達到峰值，隨著質量分數的繼續增大，土的壓縮模量減小明顯，但仍大于原分散性土的壓縮模量。

圖3（b）為酸性庫水環境下分散性土體壓縮模量和庫水中鹽酸質量分數的關系圖。不同于堿的“固化”作用，酸性庫水環境下分散性土壓縮變形均大于原分散性土的。不同壓實度的土體壓縮模量隨鹽酸質量分數的變化趨勢大體一致，即土的壓縮模量隨著鹽酸質量分數的增大而遞減，曲線斜率隨著壓實度的增大而增大。

當庫水環境中堿含量達到一定值時，首先發生富鈣相的溶解，即氫氧化鈉與土體中的鈣鎂離子發生置換，反應結果使土顆粒表面生成堿土金屬的氫氧化物，一定程度上起到了膠結土顆粒、減少孔隙的作用，增強了土體的穩定性。反應方程式如下：

NaOH+Ca2+（土粒）→Na+（土粒）+Ca（OH）2

NaOH+Mg2+（土粒）→Na+（土粒）+Mg（OH）2

但當庫水環境中堿的含量持續增大時，堿性物質會消耗土體中的倍半氧化物如二氧化硅、氧化鋁等中性或酸性氧化物。反應方程式如下：

NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O

NaOH+Al2O3→Na2Al2O3+H2O

在酸性庫水環境下，水體中大量的H+會侵蝕土體中的各種膠體、難溶鹽以及游離氧化物，并且隨著酸含量的增大，這種腐蝕作用會增強，導致土體的孔隙比增大，從而加快分散性土壩的沉降。

2.2.2 壓實度對分散性土壓縮變形的影響

壓實度對分散性土的壓縮變形影響見圖4。酸堿庫水環境下分散性土壓實度對土壓縮變形的影響規律一致，即在相同的酸堿質量百分比下，分散性土的壓縮模量隨著土樣壓實度的增大而增大，土體更不易壓縮。當無酸堿侵蝕時，壓實度由90%增大到96%，土體的壓縮模量由2.58mPa增大到約6.27mPa，提高143.02%。

隨著壓實度的增大，土顆粒之間的孔隙被壓縮，初始孔隙比減小，土顆粒接觸更加密實，宏觀表現為土不易壓縮變形；隨著孔隙比的減小，庫水滲流通道減少，使土顆粒受酸堿侵蝕的面積減小，降低了土顆粒之間膠結物質的溶蝕。

2.3 庫水環境變化對分散性土抗剪強度的影響

抗剪強度是衡量筑壩材料性能的重要指標之一，是進行壩體穩定驗算的重要參數。固結快剪試驗可以模擬自然庫水環境變化對分散性土壩受自重以及土-水一介質耦合作用時抗剪強度的影響。

黏聚力和內摩擦角是衡量黏性土抗剪強度的重要指標。不同庫水環境下分散性土的抗剪強度指標見表3。分散性土在飽和狀態下抗剪強度較低，具體表現為黏聚力較小。堿性庫水環境下，黏聚力隨著庫水環境中堿含量的增大呈現先增后減的趨勢，當堿質量分數為2.00%時，黏聚力低于分散性土的；內摩擦角呈現的規律與黏聚力基本一致，當堿含量低于2.00%時，內摩擦角波動變化，高于2.00%時其快速降低。堿性庫水環境對分散性土抗剪強度存在影響的原因是：當堿含量較低時，堿能促進分散性土中游離鈣鎂離子的沉淀，并生成膠結物質，削弱了土顆粒之間的相對滑動；但當庫水中堿含量增大時，堿反而會侵蝕土顆粒中的膠結物質，使土顆粒表面變得光滑，減少了土顆粒之間的滑動摩擦，黏聚力和內摩擦角隨之降低。

酸性庫水環境下，黏聚力和內摩擦角均隨著庫水環境中酸含量的增大而減小，當酸質量分數增至0.10%時，土體黏聚力降至1.72kPa。酸性庫水環境對分散性土抗剪強度的影響主要原因是酸溶解破壞了顆粒之間的膠結物質，削弱了土顆粒之間的連接作用，導致土體黏聚力減小。

2.4 庫水環境變化對分散性土微觀結構的影響

土體微觀結構是顆粒、孔隙排列和顆粒之間膠結等的綜合反映，掃描電鏡可獲得高分辨率的圖片，故可利用掃描電鏡對土樣的微觀結構進行定性分析，分析內容主要包括土樣的顆粒組成、連接形式以及孔隙特征等。圖5為酸堿侵蝕分散性土的典型SEM圖像。

未受酸堿侵蝕的分散性土的SEM圖像見圖5（a）。可以看出，分散性土的土顆粒邊界明顯，主要為薄片狀顆粒，另外分布有少量凝塊狀顆粒；顆粒之間接觸形式主要為面面接觸，部分顆粒間為點接觸；骨架單元體間分布著架空孔隙，顆粒之間膠結松散。

圖5（b）、（c）和（d）為堿性庫水環境下分散性土的SEM圖像。當堿含量低于1.50%時，土顆粒邊界不清晰，表面有致密的膠體包裹，形成集粒；土骨架內分布大量團狀結構，架空孔隙被填充，土體變得不易壓縮。但隨著堿含量增大，土骨架變為大小不一的土顆粒堆積、土顆粒表面缺少膠結作用的膠體；土骨架中分布大量大小不一的孔洞狀聯通孔隙，局部板狀顆粒間有狹縫狀孔隙，土體變得易壓縮。孔隙的增多一方面是堿溶蝕了土體中的各種膠體，另一方面大量的Na+進入土體的擴散層和固定層，使得弱結合水增加，削弱了土體之間的連接力，從而使得土體膨脹，孔隙比增大。

圖5（e）和（f）為酸性庫水環境下分散性土的微觀結構圖像，可以看出土顆粒邊界清晰，土顆粒被侵蝕成細胞狀，土骨架由神經網狀顆粒組成，分布大量大孔隙、架空孔隙和粒間孔隙，顆粒間缺少起膠結作用的團聚體；集粒與凝塊狀顆粒比分散性土顯著減少，顆粒之間的接觸形式主要為點接觸，顆粒隨著庫水中酸含量的增大而變得細小和松散。

3 結論

（1）酸堿庫水環境都對分散性土體的分散性有抑制和改善作用，但分散性土的壓縮模量、黏聚力和內摩擦角隨著庫水環境中堿含量的增大呈現先增后減的趨勢，隨著庫水環境中酸含量的增大而減小。因此，在堿性庫水環境條件下，分散性土壩較為安全，但在酸性庫水環境下（如酸雨），需要密切關注分散性土壩的工程性能變化。

（2）酸堿庫水環境對分散性土的作用機制主要包括土表面的離子交換作用以及酸堿對土膠體的腐蝕作用。但由SEM圖像可以看出，隨著酸堿含量的增大，十顆粒變得細小，孔隙增多，但無分散性狀，這與土體內部的化學性質有關，其具體機制有待進一步研究。