鉻鋅復合侵蝕紅黏土路基抗剪強度及礦物異變分析

曹劍鋒，胡莉強，羅 羽，龍 放

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

重金屬侵蝕仍是目前我國所面臨的重要環(huán)境污染問題之一。調查表明，部分地區(qū)的路基仍面臨重金屬污染的威脅[1-2]。研究重金屬侵蝕對紅黏土路基力學強度的影響以及重金屬對紅黏土路基的侵蝕機制，對相關地區(qū)的工程建設具有十分重要的意義。

我國學者在重金屬侵蝕方面開展了大量的探索工作，目前也取得了許多有價值的成果。查甫生等[3-4]對鉻、鋅離子侵蝕黏土的無側限抗壓強度進行了測試，發(fā)現(xiàn)鉻、鋅離子使得黏土的抗壓強度明顯降低，并進一步提出運用高鈣粉煤灰固化鋅侵蝕黏土后，其力學強度明顯增強。張亭亭等[5]運用硫酸亞鐵固化鉻污染土，發(fā)現(xiàn)固化后的鉻賦存形態(tài)產生明顯變化，污染土的重金屬離子溶出特性也得到有效減弱。閆鵬飛等[6]提出采用電動修復技術對鉻渣污染土進行處理，試驗發(fā)現(xiàn)該技術能有效去除土中的鉻，最高去除率可達到58.26%。目前普遍認為鉻、鋅離子對黏土的侵蝕作用將使得土體的力學強度降低，而采用穩(wěn)定/固化技術能提高鉻、鋅離子侵蝕土的力學強度。在紅黏土研究領域，陳學軍等[7-8]對鋅侵蝕作用下桂林紅黏土的力學強度進行了探討，認為鋅侵蝕作用導致桂林紅黏土的膠結結構及雙電層結構產生了不可逆轉的破壞，使得土體內部的聯(lián)結強度降低，因此桂林紅黏土的力學強度及彈性模量明顯降低。

目前已有研究多為單一離子侵蝕作用下的土體力學強度研究，而在實際工程中，重金屬污染往往是多種離子復合侵蝕，因此目前有關鉻鋅復合侵蝕作用下紅黏土的力學強度衰減幅度以及侵蝕機制仍有待深入探討。本文以南寧紅黏土作為研究對象，開展黏土礦物成分鑒定以及不固結不排水三軸壓縮試驗，定量分析鉻鋅復合侵蝕作用下南寧紅黏土的抗剪強度衰減幅度，探討?zhàn)ね恋V物成分含量的變化規(guī)律，研究鉻鋅復合污染對南寧紅黏土的侵蝕機制。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用紅黏土取自南寧市某工地，為上更新統(tǒng)殘積層(Q3el)，土體呈棕紅色，取土深度約為地下5 m，以確保紅黏土未受重金屬污染。土體基本物理性質見表1。污染物采用分級純級別的六合水硝酸鋅晶體[Zn(NO3)2·6H2O]及九水合硝酸鉻[Cr(NO3)3·9H2O]與去離子水配制而成。

表1 南寧紅黏土基本物理性質表

1.2 試驗方法

根據(jù)三軸試驗試樣預設的體積(直徑39.1 mm×高度80 mm)、干密度(1.4 g/cm3)、初始含水率(30%)以及污染液濃度(重金屬離子質量/土質量=0%、0.25%、5%、1%)，稱量合適質量的Zn(NO3)2·6H2O以及Cr(NO3)3·9H2O，加入適量去離子水，調配成鉻鋅混合溶液，溶液中Zn2+與Cr3+的質量比為4∶5。調配完成的混合溶液靜置24 h待其充分穩(wěn)定。

將取回的紅黏土風干、碾碎，過2 mm篩后測試其風干含水率備用。將充分穩(wěn)定后的污染液均勻分層噴灑在土樣中，充分攪拌后上覆保鮮膜，置于室溫恒濕(空氣濕度>90%)的環(huán)境下養(yǎng)護48 h，以便于重金屬與紅黏土充分反應。然后按照《土工試驗方法標準》(GB50123-2019)制取三軸試驗試樣，并且每個濃度制取三組樣，用于平行試驗。根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB50123-2019)進行不固結不排水三軸壓縮試驗。三軸壓縮試驗完成后，取圍壓100 kPa條件下剪切破壞的1個試樣，風干、碾碎并過0.075 mm篩分成兩份，分別進行X射線衍射(XRD)試驗以及X射線熒光光譜分析(XRF)試驗。

2 試驗結果

2.1 紅黏土的抗剪強度

根據(jù)三軸壓縮試驗所得數(shù)據(jù)以及相應的計算方法得到軸向應變(ε1)與偏應力(q)的關系如圖1所示。

(a)100 kPa

由圖1可知，隨著鉻鋅復合侵蝕濃度的升高，抗剪強度也隨之衰減。各個濃度的偏應力差別顯著，說明鉻鋅復合侵蝕作用對紅黏土的力學強度影響不可忽略。在100 kPa的較低圍壓條件下，當鉻鋅復合污染濃度從0%變化至0.25%的濃度條件時，紅黏土抗剪強度明顯變低。為了進一步比較紅黏土抗剪強度的變化，現(xiàn)將ε1=15%時的q值作比較，所得結果如圖2所示。

圖2 抗剪強度變化趨勢圖

由圖2可知，經鉻鋅復合侵蝕前后紅黏土的抗剪強度衰減幅度為14.49%～69.17%不等，其中復合侵蝕濃度從0%上升至0.25%且100 kPa圍壓條件下的抗剪強度降幅最大。總體上，隨著濃度的升高，抗剪強度的衰減趨勢相同，不同圍壓條件下的抗剪強度衰減幅度相差不大。根據(jù)紅黏土的膠結理論，紅黏土中含有大量的膠結物。這些膠結物為土顆粒提供了一定的聯(lián)結效應，為紅黏土提供了良好的結構強度。導致紅黏土抗剪強度明顯衰減的主要原因是鉻鋅復合侵蝕作用導致紅黏土的膠結物以及黏土礦物溶蝕，土顆粒間的聯(lián)結作用遭到破壞，微觀結構強度部分喪失[4][7]。

當污染濃度從0%上升至1%，單一鋅污染條件下紅黏土抗剪強度衰減幅度最大值為60%[7-8]，而在三價鉻離子存在的條件下，紅黏土抗剪強度的衰減幅度甚至接近70%，可見高價離子使得紅黏土抗剪強度的衰減幅度更大。這主要是由于鉻鋅復合溶液中存在水解反應(見式1)，產生H+，而三價鉻離子的存在導致水解反應增強，H+含量較單一鋅污染溶液中的要高，因此紅黏土的膠結物以及黏土礦物遭受的溶蝕作用更強，進而使得鉻鋅復合侵蝕條件下紅黏土的抗剪強度衰減幅度更大。

(1)

2.2 黏土礦物的異變現(xiàn)象

為了進一步闡釋鉻鋅復合侵蝕對紅黏土力學強度的影響機理，本文運用XRF試驗以及XRD試驗對紅黏土進行了礦物分析，試驗結果如表2與圖3所示。

表2 各組紅黏土主要化學成分表

圖3 X射線衍射圖譜示意圖

圖3的衍射圖譜中，7.141 5 ?、4.469 4 ?、3.579 5 ?為高嶺石的衍射峰，其中7.141 5 ?為高嶺石的d(001)峰；4.253 7 ?、3.342 4 ?、1.817 8 ?為石英的衍射峰，4.183 7 ?、2.676 0 ?、2.456 9 ?為針鐵礦的衍射峰，其中4.183 7 ?為針鐵礦的d(001)峰。根據(jù)三峰法可定性判斷紅黏土中的主要礦物成分為高嶺石、石英、針鐵礦。隨著鉻鋅侵蝕濃度的增大，高嶺石、針鐵礦、石英的衍射峰均未產生偏移，根據(jù)雙電層理論，這說明鉻、鋅離子并未嵌入晶格面，發(fā)生離子交換反應，晶層間距未發(fā)生明顯變化。但是高嶺石以及針鐵礦的d(001)峰峰值強度明顯降低，可見高嶺石與針鐵礦受到鉻鋅復合侵蝕的影響更大。

由表2可知，隨著鉻鋅復合侵蝕濃度的增大，主要有Al2O3、SiO2、Fe2O3含量發(fā)生了明顯的變化，這三種化學成分均為高嶺石[Al2Si2O5(OH)5]、針鐵礦[FeO(OH)]、石英(SiO2)的組成元素，可見主要是這三種礦物發(fā)生了化學反應。引入鮑格法，根據(jù)礦物和氧化物的相對分子質量計算不同鉻鋅侵蝕作用下紅黏土三大礦物成分的含量，其中高嶺石、針鐵礦、石英、Al2O3、Fe2O3的相對分子質量分別為258、89、60、102、160。以素土為例，計算過程如下：

偏差：100%-(69.308%+10.551%+19.623%)=0.519%

計算結果與實際結果間的偏差為其他礦物引起的，但偏差較小，說明此方法可用于鉻鋅復合侵蝕作用下紅黏土的礦物成分定量分析。同理計算其他侵蝕濃度下的礦物成分含量，得到結果見表3。

表3 黏土礦物成分變化表

由表3可知，三種黏土礦物成分含量的變化十分顯著。這是由于在鉻鋅復合侵蝕作用下，紅黏土中的黏土礦物以及膠結物與鉻鋅復合污染液中的離子發(fā)生了化學反應，導致黏土礦物和膠結物溶解，因此高嶺石、石英、針鐵礦的含量顯著降低。三大黏土礦物與鉻鋅復合污染液中的離子發(fā)生的化學反應見式(2)。

3 結語

(1)鉻鋅復合侵蝕作用下，紅黏土的抗剪強度隨侵蝕濃度的上升而衰減，且鉻鋅復合侵蝕作用較單一離子的侵蝕作用更強，相應的抗剪強度衰減幅度也越大。

(2)紅黏土抗剪強度衰減的主要原因是污染液中的重金屬離子發(fā)生水解反應，導致溶液呈酸性，當土中摻入污染液時，膠結物以及黏土礦物溶蝕，土體結構破壞，因此抗剪強度降低。

(3)紅黏土中遭受溶蝕作用的黏土礦物主要為高嶺石、針鐵礦、石英，這三種黏土礦物的含量均隨侵蝕濃度的增大而降低。