酸雨對河道淤泥氣泡混合土工程性質的影響

夏磊,顧歡達

(1.上鐵軌道安徽鐵建工程有限公司，安徽 蚌埠 233000；2.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011)

在中國江南地區，伴隨著河道治理及清淤工程的進行，每年都會產生大量的河道淤泥，基于綜合有效利用目的開發利用河道淤泥已引起社會各界的重視。將河道淤泥處理后制成可以滿足工程要求的土工材料，不僅可以提高河道淤泥的利用效率，也可以節省大量巖土材料，降低工程成本。同時，還有益于改善河道環境質量，降低淤泥處理成本。以河道淤泥作為原料土開發制成河道淤泥氣泡混合土是一種較新穎的利用方式，主要體現在混合土制作工藝簡單、施工技術簡便、適用性強等方面。

酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪、霜、霧、露等大氣降水[1-2]。近年來，隨著工業化的進展及大量化石燃料的使用，空氣中酸性物質積累形成酸雨。酸雨已成為一個影響范圍廣泛、程度比較嚴重的環境問題。在工程領域，關于酸雨侵蝕對混凝土等水泥基材料、水泥土及巖石等的影響有較多的研究，結果顯示，混凝土等水泥基材料、水泥土及巖石等在酸性環境下，其物理力學性能將發生劣化[3-9]，直接影響工程構造物的耐久性及安全性。氣泡混合土屬于一種新型土工材料，主要用水泥作為固化材料與原料土反應形成水泥土承載骨架[10-12]，關于其本身的工程性質已有系統研究，并且已有應用實例，但是，考慮酸雨作用對氣泡混合土工程性質影響的相關研究較少。將河道淤泥作為土工材料用于實際工程時，除了需要考察其物理力學性能以檢驗工程適用性外，使用過程中的耐久性或性質穩定性也是反映其性能的重要方面。在工程中，氣泡混合土常被用于軟基填土處理等領域，在大范圍酸雨環境下，使用過程中難免會受酸雨作用或影響，考慮酸雨作用下河道淤泥氣泡混合土的性能演化是評價其耐久性的一個重要方面。為此，通過試驗研究對河道淤泥氣泡混合土的耐酸性及破壞機理進行研究。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗原料土來源于蘇州某河道疏浚淤泥，為保證氣泡混合土的流動性[11]，將河道淤泥用5 mm篩過篩處理，經處理后其基本物理指標如表1所示，顆粒分析狀況如圖1所示。由顆粒級配曲線可得：原料土中砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為9.91%、70.98%和19.11%，主要以粉粒和黏粒為主；不均勻系數Cu=5.38，曲率系數Cc=1.31，原料土為級配良好土。由表1可知，原料土含水率高，塑性指數IP=17.9，液限ωL=47.1?；谝陨蠝y定的基本物理指標，再依據《土的分類標準》(GB/T 50145—2007)中的分類體系，可知原料土為一種級配良好的低液限粉土。

研究表明，氣泡的穩定性是影響氣泡混合土強度和密度的主要因素，而復配發泡劑比單一發泡劑產生的氣泡穩定性好[13]。發泡劑采用TY復配型發泡劑，在40 ℃時其發泡力(發泡力是在一定溫度條件下，從90 cm高度將200 mL試液流到刻度量筒底部50 mL相同試液的表面后，測量得到的泡沫高度)≥200 mm，半消沉時間≥100 min。TY復配型發泡劑由作為主發泡劑和輔助發泡劑的A組與作為穩泡劑的B組構成，A組的成分有α-烯基磺酸鈉、烷基糖苷、椰油酰胺丙基甜菜堿、茶皂素和脂肪酸甲脂磺酸鈉,B組的成分有明膠、阿拉伯膠、羥甲基纖維素和聚陰離子纖維素。

固化劑采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 原料土的基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of raw soil

圖1 原料土的顆粒級配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of raw

1.2 模擬酸雨配制

據觀測，中國的酸雨主要是硫酸型酸雨，酸雨嚴重地區降水的pH值已低至2.85左右，并且pH值仍有降低的趨勢。為此，采用硫酸和硝酸按摩爾比9∶1配制pH值分別為2.5、4.0和5.6的酸性溶液，其中，pH值為2.5和4.0的酸液用于模擬酸雨，而pH值為5.6的酸液模擬正常雨水。

1.3 試樣制作

1.3.1 配比設計 氣泡混合土是指按一定的比例把固化劑、水和制作好的氣泡漿與原料土混合并且攪拌均勻后所形成的新型土工材料[10-12]。水泥摻入比、氣泡摻入比及含水率均采用與原料土經換算后的干土重比值確定，分別用ωc、ωe、ω表示，比如水泥摻入比ωc=水泥粉末質量/干土質量。通過配合試驗確定了2種配比的氣泡混合土，分別以C1和C2表示。氣泡混合土配比情況見表2。

表2 氣泡混合土配比Table 2 FMLSS ratio

1.3.2 試樣制作 根據配比情況及原料土含水率計算需要摻入的水泥、氣泡漿及水的質量，制作氣泡混合土；將制作好的氣泡混合土分3層灌入內徑3.9 cm、高7.8 cm的模具中；放進標準養護室中養護大約1 d后拆模；繼續放到標準養護室養護到28 d齡期。

1.4 試驗方法

1.4.1 試驗原理 河道淤泥氣泡混合土本身是一種多孔材料，具有一定的滲透性，酸雨降落到地面后會通過土體孔隙垂直向下滲透到河道淤泥氣泡混合土內部。滲濾的酸雨對固化體有物理沖刷和化學溶濾作用[14-15]。流動的滲濾液可以模擬酸雨的物理沖刷作用，滲濾試驗法可以較好地模擬酸雨的這一作用過程[16]。

在模擬酸雨試驗過程中，考慮了酸液初始pH值、滲濾量以及河道淤泥氣泡混合土配合情況等因素的影響，設計了在模擬酸雨滲濾作用下河道淤泥氣泡混合土的腐蝕試驗。

1.4.2 試驗裝置 試驗裝置由3部分組成，分別為盛放模擬酸雨的容器、放置河道淤泥氣泡混合土試樣的裝置和接收滲濾出溶液的容器。將模擬酸雨置于具有一定容積的容器內，氣泡混合土試樣置于用有機玻璃加工成的滲濾裝置內，用塑料錐形瓶收集滲濾出的溶液，各部分之間用塑料軟管相互連接并設置有調水閥，以便于調節滲流量，圖2所示為模擬酸雨滲濾試驗裝置。3個容器分別盛有初始pH值為2.5、4.0和5.6的酸液，每種環境下可同時進行9個試樣的滲濾試驗。

圖2 滲濾試驗裝置Fig.2 Diafiltration test

1.4.3 試驗流程 每一種配比的河道淤泥氣泡混合土試樣在標準養護室養護到28 d齡期時取出，對每個試樣稱重并測量其體積，計算得到密度；拿3個試樣進行強度試驗，并將其余試樣分成3份，分別裝入滲濾試驗裝置中進行滲濾試驗。

滲濾試驗以滲濾量作為試驗節點，滲濾量以滲濾液體積數進行衡量，定義滲濾液體積數為滲濾出的酸液總體積與試樣的體積之比，設定測試滲濾液體積數為2.9、4.0、6.7、10.0和20.0，5個試驗節點對應的滲濾量為266.1、372.5、620.9、931.3、1 862.6 mL。在每個試驗節點測定滲濾液的pH值和Ca2+離子濃度；在滲濾液體積數為4.0、6.7和20時，分別取出3個試樣進行強度試驗。試驗過程中及時監測錐形瓶中流下的滲濾液體積，及時倒出瓶中滲濾液，離試驗節點還差50 mL時開始接取約80 mL滲出溶液進行pH和Ca2+離子濃度的測定。

2 溶出特性分析

研究表明，通常情況下，污泥固化體在填埋場滲透液的作用下其內部堿性物質會不斷流失，被固定在固化體內的重金屬可能會再次溶出[14-15]。張虎元等[17]通過酸性中和容量試驗和滲透溶濾試驗對污泥固化體中重金屬溶出特性進行研究，結果表明：在酸性中和試驗中，當浸漬液的pH值小于6時，大量重金屬溶出；但以水泥作為固化劑固化的污泥具有一定的穩定性，在短期的滲流作用下固化污泥中的重金屬很難溶出。

酸雨等水化學溶液的侵蝕造成混凝土等水泥基材料、水泥土及巖石強度等力學性能的劣化與Ca2+等離子溶出有關[3,6,9,18-20]。溶液pH值變化及溶出離子濃度變化能反映材料與化學溶液之間的反應程度及材料被侵蝕的程度[21-22]。為了分析酸雨與河道淤泥氣泡混合土的反應機制，考察混合土內部參與化學反應的礦物成分以及反應程度，在滲濾試驗過程中，測定滲濾液的Ca2+離子濃度和pH值的變化規律。

2.1 滲濾液pH值變化規律

在設定的試驗節點，采取經過混合土試樣滲濾后的酸液測定pH值，結果如圖3所示。

圖3 滲濾液pH值隨滲濾液體積數變化曲線Fig.3 Variation curves of pH concentration of

根據試驗結果可以得到：

1)在滲濾初期滲濾液體積數比較小的階段，即累積滲濾量不大的情況下，滲濾開始發生時滲濾液pH值較大，此后，隨著累積滲濾量的增大，析出的滲濾液pH值呈下降趨勢，當滲濾液體積數達到一定程度后，析出的滲濾液pH值趨于穩定或呈略為增大趨勢。其機理在于，在滲濾初期，混合土中性化程度較低，酸雨對土骨架的侵蝕作用不明顯，隨著累積滲濾量的增大，pH值逐漸降低；當滲濾作用達到一定程度時，隨著酸雨的持續侵蝕，混合土中較多堿性礦物水解并被滲濾析出，導致土體內部孔隙體積增大，酸性溶液容易滲入，同時，酸液與混合土內部的礦物接觸面積變大，酸液與混合土的反應強度增大，導致后期析出的滲濾液pH值呈趨于穩定甚至略為增大的趨勢,此結果說明隨著酸雨侵蝕作用的持續進行，滲濾量越大或作用時間越長，酸雨對混合土的侵蝕作用呈強化或加速趨勢。

2)考察不同初始酸液酸性水平的影響，在累積滲濾量相同的條件下，pH5.6、pH4.0和pH2.5酸液經混合土滲濾后，pH值升幅均值分別約為6.19、7.91和9.38，即初始設定酸性越強的酸液滲濾后的pH升幅越大，初始設定酸性越弱的酸液滲濾后pH升幅越小。這說明模擬酸雨酸性越強，土樣受滲濾作用后中性化進展速度越快，中性化程度越高；模擬酸雨酸性越弱，土樣的中性化程度相對降低。

3)對比不同的混合土配合條件可以看出，總體上C2配合混合土滲濾液的pH值較高，根據表2所示配合條件可知，C2配合氣泡摻入較多，即形成的混合土中相對孔隙總體積更大，使得滲濾通過更容易，滲濾發生后土體的中性化程度更高，在同樣的累積滲濾量條件下，滲濾液的pH值更高。

2.2 滲濾液Ca2+離子濃度變化規律

在設定的試驗節點取經過混合土試樣滲濾后的酸液測定Ca2+離子濃度，結果如圖4所示。考察試驗結果及對應的相關關系，可以得到：

1)經混合土滲濾出的溶液中，Ca2+濃度的變化與酸液初始pH值存在密切的相關關系，初始pH值越低，滲出的溶液中溶出的Ca2+濃度越大。在滲濾液體積數達到10.0之前，滲濾出的溶液Ca2+濃度隨著滲濾液體積數的增大而逐漸減小；在滲濾液體積數大于10.0之后，隨著滲濾的進行，滲出的溶液Ca2+濃度又出現增大的趨勢。原因在于，累積滲濾量較少時，混合土中性化程度較低，隨著滲濾的進行，滲出溶液中Ca2+溶出量濃度會隨著累積滲濾量的增大逐漸減?。坏?，當滲濾作用達到一定程度時，Ca2+累計溶出量已經較多，混合土侵蝕程度增大，酸液容易滲入，同時，酸液與混合土內部的礦物接觸面積變大，酸液與混合土的反應強度增大，滲出的溶液中Ca2+濃度明顯增大。

2)對比不同氣泡摻量條件下滲濾液Ca2+濃度，可以發現，除了pH5.6酸液條件下兩者比較接近外，隨著酸液酸性水平的提高，氣泡摻量較少的C1配合條件下滲出溶液Ca2+濃度要高于氣泡摻量較多的C2配合條件下的溶液Ca2+濃度，且酸液的酸性越強其趨勢越明顯，可以認為，在氣泡摻量較少的混合土內部氣孔數量相對較少，利于溶出的土骨架體積相對較大。

圖4 滲濾液Ca2+濃度隨滲濾液體積數變化曲線Fig.4 Variation curves of Ca2+ concentration of

3 酸雨作用對河道淤泥氣泡混合土物理力學性質的影響

3.1 酸雨作用下物理性質的變化

3.1.1 含水率變化 在酸性溶液滲濾作用下，河道淤泥氣泡混合土試樣的含水率隨滲濾量的變化情況如圖5所示。根據圖示試驗結果可以看出，兩種配合條件的混合土試樣經酸液滲濾作用后含水率變化規律基本相同，混合土的含水率隨著滲濾量的增加而增大，并且酸液初始pH值越低，含水率增大趨勢越明顯。在試驗時間范圍內，初始pH為5.6、4.0和2.5的酸液環境下，C1配合試樣的含水率與滲濾前相比,增加的百分比分別為3.25%、3.96%、4.28%，C2增加了5.70%、6.39%、6.84%，說明氣泡含量大的試樣含水量增大更加明顯。根據試樣的含水率變化可以看出，含水率增大呈階段性，在滲濾初期混合土的含水率升高較快，當滲濾液總量累計到使滲濾液體積數達到6.7時，試樣增加的含水率已達到整個試驗齡期內增加含水率的70%～85%，這個值相當于浸漬試驗中混合土浸漬28 d時含水率的增加程度。

圖5 含水率隨滲濾液體積數的變化曲線Fig.5 Variation curves of moisture content

3.1.2 濕密度變化 圖6顯示為河道淤泥氣泡混合土在模擬酸雨滲濾作用下試樣的濕密度隨滲濾量的變化情況。根據圖示結果可以看出，在酸液的滲濾作用下，混合土的濕密度隨著滲濾量的增加而增大，并且酸液酸性越強，濕密度增大趨勢越明顯。在滲濾液體積數達到20的條件下，pH5.6、pH4.0和pH2.5酸液滲濾作用時，C1配合的試樣濕密度與滲濾前混合土相比，分別增加了0.79%、0.90%、1.17%，C2配合的試樣濕密度分別增加了1.75%、2.19%、2.25%。這同樣說明，氣泡摻量較多的C2配合混合土濕密度增長幅度大于氣泡摻量較少的C1。濕密度變化同樣顯示出明顯的階段性，滲濾初期，混合土的濕密度增長幅度較大。當滲濾液體積數為6.7時，在C1和C2配合條件下，混合土在3種設定酸度的酸液滲濾作用下濕密度平均值與滲濾前相比分別增加了0.69%和1.75%，分別占到整個滲濾過程中濕密度總增加值的72.02%和84.61%。

圖6 濕密度隨滲濾液體積數的變化曲線Fig.6 Variation curves of wet density with

3.2 酸雨作用下力學性質的變化

3.2.1 河道淤泥氣泡混合土的強度變化 圖7為河道淤泥氣泡混合土在模擬酸雨滲濾作用下試樣的抗壓強度隨滲濾液體積數的變化情況。

圖7 峰值強度隨滲濾液體積數的變化曲線Fig.7 Variation curves of peak strength with

根據試驗結果可以得到：

1)在3種酸度水平酸液滲濾作用下，兩種配合條件的試樣峰值強度隨滲濾量的增加呈增長趨勢，但在滲濾液體積數超過6.7后，隨著滲濾的進行，增長趨勢趨緩。結合滲濾后的溶出性可知，在短期滲濾條件下，Ca2+累計溶出量少，混合土中土骨架的劣化程度較低，固化劑的固化作用仍可以保持混合土的強度增長趨勢；但是，當滲濾液總量累計到使滲濾液體積數達到6.7時，酸性溶液的侵蝕累積作用開始削弱氣泡混合土內部土骨架強度，強度增長趨緩。

2)進一步考察模擬酸雨酸性水平的影響可以發現，在酸性較強的pH4.0及pH2.5條件下，隨著滲濾的進行，混合土峰值強度增長的幅度小于酸性較弱的pH5.6條件下混合土峰值強度。在設定溶液初始pH值為5.6、4.0和2.5條件下，整個滲濾過程中，兩種配比經滲濾作用后試樣的強度平均值與滲濾前相比分別增大了25.55%、20.35%和20.39%。結合溶出試驗結果，較強酸性條件下，Ca2+累計溶出量大于較弱酸性條件下Ca2+累計溶出量，土骨架損傷程度較高，導致強度低于pH5.6條件下的強度。

3)對比不同配比的影響可以看出，氣泡摻量較少的C1配合混合土經滲濾作用后峰值強度增幅大于氣泡摻量較多的C2配合混合土。在C1和C2配合條件下，整個滲濾過程中，混合土在3種設定酸度的酸液滲濾作用下峰值強度平均值與滲濾前相比分別增大了24.10%和20.09%。原因是隨著氣泡摻量的增加，土中氣孔所占體積增大而土骨架體積相對減小，酸液滲濾作用后土骨架受損傷程度較高導致混合土強度相對降低。

3.2.2 河道淤泥氣泡混合土的變形特性 圖8所示為河道淤泥氣泡混合土在模擬酸雨滲濾作用下試樣的變形模量E50和峰值應變隨滲濾液體積數變化情況。

圖8 E50和峰值應變隨滲濾液體積數的變化曲線Fig.8 Variation curves of E50 and peak strain

由圖示結果可以得到：

2)經3種酸度酸液滲濾作用后混合土的峰值應變均呈減小趨勢，即試樣破壞前的應變減小，模擬酸雨作用后導致混合土脆性化，且模擬酸雨的酸性越強，混合土的脆性化程度越高。因此，經酸雨作用后的河道淤泥氣泡混合土由于酸雨的侵蝕作用，在受荷后更易于發生破壞，耐久性趨弱。滲濾試驗結束時，在設定溶液初始pH值為5.6、4.0和2.5條件下，兩種配比經滲濾作用后試樣的峰值應變平均值與滲濾前相比分別減小了34.00%、36.94%和42.41%。進一步考察模擬酸雨滲濾量影響可以發現，峰值應變隨滲濾量增大表現出的變化規律與變形模量類似，在滲濾初期，峰值應變減小幅度大；但在滲濾液體積數超過6.7后，隨著滲濾的進行減幅明顯降低。上述混合土的脆性化過程同樣與其溶出性密切相關，滲濾初期Ca2+溶出速率較快，土骨架的中性化速度相對也較快。

4 酸雨作用下河道淤泥氣泡混合土礦物組分變化及機理分析

4.1 酸雨作用下河道淤泥氣泡混合土的礦物組分變化

通過XRD試驗對經過酸液滲濾作用后的河道淤泥氣泡混合土進行物相定性測試，圖9列出了部分試驗結果。

圖9 混合土在pH2.5環境下不同試驗節點時的XRD圖譜Fig.9 XRD pattern of FMLSS in pH2.5 environment at different test

考察試驗結果可以得到：

1)河道淤泥氣泡混合土中含有石英、石膏、水化硅酸二鈣、鈣礬石和鈉長石的晶相，5種物相中，石英的衍射峰在各試驗齡期均為最強，其次是鈉長石和石膏，而水化硅酸二鈣和鈣礬石的峰最弱。

2)考察不同配合條件下土樣5種物相衍射線主強線的強度變化，可以發現，在酸雨作用前，河道淤泥氣泡混合土中5種物相衍射線主強線的強度均隨氣泡摻量的增加而增大；經模擬酸雨作用后，鈉長石的晶相主強線的強度隨氣泡摻量的增加而降低，鈣礬石的晶相主強線的強度隨氣泡摻量增加有小幅度降低。

酸雨中的侵蝕性離子與河道淤泥氣泡混合土中礦物之間的部分反應方程式為

Ca(OH)2+2H+=Ca2++2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+6H+=3Ca2++

2(SiO2·2H2O)+ 2H2O

4CaO·Al2O3·13H2O+8H+=4Ca2++Al2O3·3H2O+ 14H2O

CaSO4+2H2O=CaSO4·2H2O

4CaO·Al2O3·13H2O+3(CaSO4·2H2O)+13H2O= 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+Ca(OH)2

4.2 河道淤泥氣泡混合土物理力學性質與礦物組分變化相關性

酸雨作用使河道淤泥氣泡混合土中石英、鈉長石等流失，酸液不斷滲入，導致混合土含水率和濕密度均增大。在酸性較強的條件下，混合土中礦物溶出的較多，導致含水率升高幅度越大；酸雨侵蝕后的混合土礦物的含量隨著氣泡摻量的增加而增多，不同氣泡摻量的混合土在酸雨環境下礦物相對含量變化的差別以及滲透性的不同導致混合土的含水率和濕密度均隨氣泡摻量的增加而增大。

在酸雨環境下，酸雨中的H+離子使氣泡混合土中堿性的水化產物水解、溶出，導致河道淤泥氣泡混合土整體的膠凝性變差；主要礦物石英和鈉長石含量的減少導致混合土的整體結構遭到破壞；鈣礬石含量的增大可能會引起混合土在微孔處開裂。結果導致混合土強度降低且破壞模式向脆性化發展。在酸性較強的條件下，這些侵蝕效應更明顯；酸雨侵蝕效應隨氣泡摻量的增加而增大。

5 結論

利用室內試驗方法考察研究了在模擬酸雨環境下河道淤泥氣泡混合土的溶出特性及相關的物理力學性質的變化，并且分析了微觀礦物成分變化與物理力學性質的相關性，主要結論如下：

1)酸雨中的H+離子會與河道淤泥氣泡混合土中的膠凝材料水化硅酸鹽等反應，導致其水解并以Ca2+等離子太溶出，使混合土不斷中性化。模擬酸雨的酸性越強，與混合土的反應強度越大，反應后酸液中溶出Ca2+量越多，滲濾液pH值升高幅度越大，土體中性化程度越高。在滲濾液體積數達到10.0之前，滲濾液Ca2+濃度隨著滲濾的進行而逐漸減小，但當滲濾液體積數大于10.0之后，滲濾液Ca2+濃度又出現增大的趨勢，說明以水泥作為固化劑形成的河道淤泥氣泡混合土固化效果較好，在累計滲濾量較少時，混合土侵蝕程度較低，只有當滲濾液累計量達到一定值時，混合土溶出較多Ca2+離子。

2)在模擬酸雨的滲濾作用下河道淤泥氣泡混合土含水率和濕密度隨滲濾量的增加而增大，且在滲濾初期增幅較大。模擬酸雨的酸性越強，滲濾作用后的混合土含水率和濕密度增長幅度越大。氣泡摻量多的混合土滲濾后含水率和濕密度增長幅度大。

3)在模擬酸雨的滲濾作用下，河道淤泥氣泡混合土變形模量E50和峰值強度隨滲濾量的增加呈增大趨勢，而峰值應變呈減小趨勢，且在滲濾初期，變形模量和強度增幅以及峰值應變減幅較大。隨著模擬酸雨酸性的增強，滲濾作用后的混合土變形模量增幅和脆性化程度提高，而峰值強度降低。氣泡摻量多的混合土滲濾后受侵蝕程度大，土骨架受損傷程度較高，脆性化程度高、峰值強度增長幅度相對降低。

4)根據XRD試驗分析結果，可知酸雨作用使河道淤泥氣泡混合土中石英、石膏、水化硅酸二鈣、鈣礬石和鈉長石等礦物的相對含量改變，導致混合土的宏觀結構發生變化，從而引起物理力學性質的變化。