鉻鋅復(fù)合侵蝕紅黏土路基抗剪強(qiáng)度及礦物異變分析

曹劍鋒，胡莉強(qiáng)，羅 羽，龍 放

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)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(diào)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(duì)紅黏土路基力學(xué)強(qiáng)度的影響以及重金屬對(duì)紅黏土路基的侵蝕機(jī)制，對(duì)相關(guān)地區(qū)的工程建設(shè)具有十分重要的意義。

我國學(xué)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(jià)值的成果。查甫生等[3-4]對(duì)鉻、鋅離子侵蝕黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)鉻、鋅離子使得黏土的抗壓強(qiáng)度明顯降低，并進(jìn)一步提出運(yùn)用高鈣粉煤灰固化鋅侵蝕黏土后，其力學(xué)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。張亭亭等[5]運(yùn)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(chǎn)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(dòng)修復(fù)技術(shù)對(duì)鉻渣污染土進(jìn)行處理，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能有效去除土中的鉻，最高去除率可達(dá)到58.26%。目前普遍認(rèn)為鉻、鋅離子對(duì)黏土的侵蝕作用將使得土體的力學(xué)強(qiáng)度降低，而采用穩(wěn)定/固化技術(shù)能提高鉻、鋅離子侵蝕土的力學(xué)強(qiáng)度。在紅黏土研究領(lǐng)域，陳學(xué)軍等[7-8]對(duì)鋅侵蝕作用下桂林紅黏土的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了探討，認(rèn)為鋅侵蝕作用導(dǎo)致桂林紅黏土的膠結(jié)結(jié)構(gòu)及雙電層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的破壞，使得土體內(nèi)部的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低，因此桂林紅黏土的力學(xué)強(qiáng)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(xué)強(qiáng)度研究，而在實(shí)際工程中，重金屬污染往往是多種離子復(fù)合侵蝕，因此目前有關(guān)鉻鋅復(fù)合侵蝕作用下紅黏土的力學(xué)強(qiáng)度衰減幅度以及侵蝕機(jī)制仍有待深入探討。本文以南寧紅黏土作為研究對(duì)象，開展黏土礦物成分鑒定以及不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)，定量分析鉻鋅復(fù)合侵蝕作用下南寧紅黏土的抗剪強(qiáng)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(fù)合污染對(duì)南寧紅黏土的侵蝕機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(zhì)見表1。污染物采用分級(jí)純級(jí)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(zhì)表

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)三軸試驗(yàn)試樣預(yù)設(shè)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(zhì)量/土質(zhì)量=0%、0.25%、5%、1%)，稱量合適質(zhì)量的Zn(NO3)2·6H2O以及Cr(NO3)3·9H2O，加入適量去離子水，調(diào)配成鉻鋅混合溶液，溶液中Zn2+與Cr3+的質(zhì)量比為4∶5。調(diào)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(fēng)干、碾碎，過2 mm篩后測試其風(fēng)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?jǐn)嚢韬笊细脖ｕr膜，置于室溫恒濕(空氣濕度>90%)的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48 h，以便于重金屬與紅黏土充分反應(yīng)。然后按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50123-2019)制取三軸試驗(yàn)試樣，并且每個(gè)濃度制取三組樣，用于平行試驗(yàn)。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50123-2019)進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)。三軸壓縮試驗(yàn)完成后，取圍壓100 kPa條件下剪切破壞的1個(gè)試樣，風(fēng)干、碾碎并過0.075 mm篩分成兩份，分別進(jìn)行X射線衍射(XRD)試驗(yàn)以及X射線熒光光譜分析(XRF)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 紅黏土的抗剪強(qiáng)度

根據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的計(jì)算方法得到軸向應(yīng)變(ε1)與偏應(yīng)力(q)的關(guān)系如圖1所示。

(a)100 kPa

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

圖2 抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

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

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

(1)

2.2 黏土礦物的異變現(xiàn)象

為了進(jìn)一步闡釋鉻鋅復(fù)合侵蝕對(duì)紅黏土力學(xué)強(qiáng)度的影響機(jī)理，本文運(yùn)用XRF試驗(yàn)以及XRD試驗(yàn)對(duì)紅黏土進(jìn)行了礦物分析，試驗(yàn)結(jié)果如表2與圖3所示。

表2 各組紅黏土主要化學(xué)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(chǎn)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(yīng)，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(qiáng)度明顯降低，可見高嶺石與針鐵礦受到鉻鋅復(fù)合侵蝕的影響更大。

由表2可知，隨著鉻鋅復(fù)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(xué)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(xué)反應(yīng)。引入鮑格法，根據(jù)礦物和氧化物的相對(duì)分子質(zhì)量計(jì)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(duì)分子質(zhì)量分別為258、89、60、102、160。以素土為例，計(jì)算過程如下：

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

計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)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(fù)合侵蝕作用下紅黏土的礦物成分定量分析。同理計(jì)算其他侵蝕濃度下的礦物成分含量，得到結(jié)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(fù)合侵蝕作用下，紅黏土中的黏土礦物以及膠結(jié)物與鉻鋅復(fù)合污染液中的離子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致黏土礦物和膠結(jié)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(fù)合污染液中的離子發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)見式(2)。

3 結(jié)語

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

(2)紅黏土抗剪強(qiáng)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(yīng)，導(dǎo)致溶液呈酸性，當(dāng)土中摻入污染液時(shí)，膠結(jié)物以及黏土礦物溶蝕，土體結(jié)構(gòu)破壞，因此抗剪強(qiáng)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。