硫酸根溶液溶濾作用下復(fù)合黃土滲透特性研究

摘 要：【目的】研究降水和地表徑流中離子與土體接觸后發(fā)生的物化反應(yīng)對土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，進而探究其對路基承載能力的影響。【方法】以鄭州某地黃土、再生混凝土骨料和硫酸根溶液為試驗材料，利用三軸試驗儀對不同摻量復(fù)合黃土試樣在不同硫酸根離子濃度條件下開展固結(jié)、滲透、排水剪切和電鏡掃描試驗。【結(jié)果】摻入再生混凝土骨料后，試樣的滲透系數(shù)增加了3.95～4.32倍；隨著溶液濃度的提高，滲透系數(shù)下降到原來的34.3%～38%。【結(jié)論】摻入再生混凝土骨料后，路基滲透系數(shù)增大，承載能力顯著提升；溶液濃度的提高會導(dǎo)致滲透系數(shù)降低，進而降低路基承載能力。

關(guān)鍵詞：滲透系數(shù)；再生混凝土骨料；硫酸根離子濃度；孔隙率

中圖分類號：TU45 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）21-0062-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.013

Study on Permeability Characteristics of Composite Loess Under Soluble Filtration of Sulfate Solution

ZHANG Hengchang XING Tianyou ZHAO Xuanbo YU Haiyang FAN Yongqi

PAN Jiahui

（Henan University of Engineering， Zhengzhou 451191， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the influence of the physical and chemical reaction between ions and soil in precipitation and surface runoff on the physical and mechanical properties of soil， so as to explore its influence on the bearing capacity of roadbed. [Methods] In this study， loess， reclaimed concrete aggregate and sulfate solution in Zhengzhou were taken as test materials， and the three-axis tester was used to carry out consolidation， infiltration， drainage shear and EM scanning tests for different mixed composite loess samples under different sulfate ion concentration conditions.[Findings] After adding recycled concrete aggregate， the permeability coefficient of the sample increased by 3.95 ～4.32 times; with the increase of solution concentration， the permeability coefficient decreased to 34.3%～38%.[Conclusions] After the incorporation of recycled concrete aggregate， the subgrade permeability coefficient increases and the bearing capacity increases significantly; the increase of solution concentration will lead to the decrease of the permeability coefficient， thus reducing the bearing capacity of the subgrade.

Keywords： permeability coefficient; recycled concrete aggregate; sulfate ion concentration; porosity

0 引言

根據(jù)王凱等［1］的研究發(fā)現(xiàn)黃土地區(qū)路基經(jīng)常出現(xiàn)不均勻沉陷、裂縫等病害，黃土不適宜直接作為鋪設(shè)路基的材料，目前在道路建設(shè)中多采用添加其他成分的方式改良黃土的工程特性以用于路基鋪設(shè)；冀慧等［2］通過不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，研究了摻入玻璃纖維及干濕循環(huán)次數(shù)對改良黃土剪切力學(xué)特性的影響；翟聚云［3］、許鳳榮［4］等通過在膨脹土中摻入建筑垃圾進行研究發(fā)現(xiàn)，建筑垃圾的摻入使膨脹土力學(xué)特性顯著提高；劉忠玉等［5］通過在黃土中摻入不同量固化劑進行了三軸試驗研究，發(fā)現(xiàn)固化劑的加入會顯著提高土體抗剪強度。在我國交通行業(yè)不斷發(fā)展，建筑垃圾日益增多的情況下，將再生混凝土骨料與交通建設(shè)相結(jié)合，提高資源配置效率顯得尤為必要［6］。婁鵬飛［7］、李娜［8］等研究發(fā)現(xiàn)添加建筑垃圾的再生材料路基表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能和耐久性；馬金良等［9］通過研究建筑垃圾對膨脹土的改良效果發(fā)現(xiàn)建筑垃圾的摻入會提高膨脹土強度。上述研究證明了摻入再生建筑骨料的黃土路基在現(xiàn)實中的可行性。然而對摻入再生混凝土骨料的黃土滲透性和強度的研究還較少，研究摻入再生混凝土骨料黃土的滲透情況對工程實踐具有重要意義。

劉華等［10］通過研究污染黃土的滲透特性，發(fā)現(xiàn)相同固結(jié)應(yīng)力條件下，不同類型污染土的滲透系數(shù)均隨酸液濃度的增大而降低，從而證明了酸液會增強黃土的防滲及防污性能；劉華等［11］還通過研究黃土工程中孔隙水被酸堿溶液污染對土—混凝土界面剪切行為的影響發(fā)現(xiàn)，重塑污染黃土與混凝土界面的摩擦特征曲線在剪切方向均呈現(xiàn)明顯的雙曲線關(guān)系；薛志佳等［12］通過微觀測試表明，白泥能促進礦渣的水化作用，礦渣-白泥膠凝材料的主要水化產(chǎn)物為CSH等凝膠，CSH凝膠的膠結(jié)作用是固化黃土強度和耐久性提升的主要原因，而填充效果起到次要作用；陳寶等［13］通過試驗發(fā)現(xiàn)孔隙水的分布是影響黃土非飽和滲透的重要因素，賦存在較大孔隙內(nèi)的水分對滲透系數(shù)的影響居主導(dǎo)地位，而賦存在較小孔隙內(nèi)的水分對土樣滲透的影響則相對較小。當(dāng)前，降水等因素對基礎(chǔ)建設(shè)的影響較大，上述研究對自然環(huán)境模擬不夠全面，因此，研究模擬在降水和地表徑流中硫酸根溶液對復(fù)合黃土滲透特性的影響具有重要意義。

本研究通過擊實試驗、三軸試驗和電鏡掃描試驗來探究不同濃度硫酸根溶液對摻入不同量再生混凝土骨料復(fù)合土滲透特性的影響。同時，結(jié)合微觀分析的試驗數(shù)據(jù)，充分研究改良黃土的滲透特性變化，對改良黃土不良性質(zhì)，推進再生混凝土骨料重復(fù)利用具有重要意義。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料選取

該試驗用黃土取自鄭州某地，試驗土樣屬于第四紀(jì)晚更新風(fēng)積、殘積黃土。試驗用再生混凝土骨料選用廢棄混凝土進行破碎，并利用振動篩分機將破碎后再生混凝土骨料篩分為2.36～4.75 mm細(xì)組和4.75～9.50 mm粗組，根據(jù)劉華等［14］對酸堿污染黃土的研究，選定了試驗用溶液濃度分別為3 000、5 000和8 000 μg/L。試驗用黃土基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

1.2 試驗方案

本研究所采用的三軸儀器為SLB-1A型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸滲透剪切試驗儀，固結(jié)剪切及滲透試驗均在該儀器上開展。采用SLB-1A型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸滲透剪切試驗儀對上述3種試樣和純黃土試樣分別在100 kPa圍壓條件下利用不同濃度硫酸根溶液開展固結(jié)、滲透和排水剪切（CD）試驗，并在固結(jié)排水試驗后對各剪切后試樣開展電鏡掃描試驗，具體試驗分組見表2。

試樣滲透系數(shù)K的計算方式由達(dá)西定律結(jié)合本三軸試驗所得數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出。達(dá)西定律見式（1）。

[Q=Kh1-h2LA] （1）

式中：K為滲透系數(shù)，m/s，見式（2）；A為土樣橫截面積，m2；L為滲流路徑長度，m；h1[-]h2為水頭差，m；Q為單位時間滲流量，m3/s。

[K=QL（h1-h2）A] （2）

該試驗中[h1-h2=Pρg=1.020 4 m；A=πr2=1.200 724 5*10-3 m2，L=0.8 m]將一系列數(shù)值代入推導(dǎo)公式得出該試驗所用公式，即式（3）。

[K=0.000 108 82*ΔQ] （3）

1.3 試樣制備

在三軸試樣制備中，首先將試驗用黃土風(fēng)干碾碎，并過2 mm篩，然后根據(jù)試驗方案將再生混凝土骨料分別按不同比例摻量摻入黃土，以最優(yōu)含水率12%進行均勻拌和后，燜料24 h；利用靜壓制樣器（取壓實度為0.96）制成高度為80 mm，直徑為39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)三軸圓柱試樣，并利用抽氣飽和法［15］進行反壓飽和24 h。同時，為保證試驗標(biāo)準(zhǔn)化，各組三軸試驗時間均采用時間因子（當(dāng)前試驗時間與總試驗時間之比）表示。

為了保證真實具體地觀測破壞后黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在試樣制備過程中應(yīng)盡可能減少對土樣的擾動。在剪切后試樣中心位置取樣，并切削成20 mm×10 mm×10 mm的粗坯，為了避免水分影響真空度和電子束的穩(wěn)定性，采用風(fēng)干法使粗坯達(dá)到自然脫水狀態(tài)。利用電子顯微鏡對不同類型土樣進行掃描，對同一類型土樣選取2個樣本，并截取3～4個觀測面，根據(jù)肖文斌等［16］的研究發(fā)現(xiàn)放大足夠倍數(shù)時掃描電鏡視野內(nèi)能夠觀察到土顆粒的局部支撐結(jié)構(gòu)和顆粒孔隙之間的聯(lián)結(jié)方式，有助于準(zhǔn)確觀察土體微觀結(jié)構(gòu)，故選擇觀測效果較好的區(qū)域獲取放大1 500倍的微觀照片。將試樣裁切得盡量規(guī)整，選取有代表性的樣品，使用導(dǎo)電膠將試樣黏結(jié)在承臺上，在樣品表面噴涂金粉確保樣品具有良好的導(dǎo)電性，將電子束能引入樣品并導(dǎo)出多余電荷，避免荷電效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 在相同濃度溶液情況下，不同再生混凝土骨料摻量對復(fù)合黃土滲透系數(shù)的影響

在相同溶液濃度情況下，不同再生混凝土骨料摻量對復(fù)合黃土滲透系數(shù)影響的變化規(guī)律曲線如圖1所示。由圖1可知，摻入再生混凝土骨料后復(fù)合黃土的滲透系數(shù)變化范圍為1.51×10-5～3.68×10-5 m/s，隨著復(fù)合黃土中4.75～9.50 mm大顆粒再生混凝土骨料摻量的增加，復(fù)合黃土滲透系數(shù)呈明顯增大的趨勢。如在硫酸根溶液濃度為3 000 μg/L時，摻入5%的2.35～4.75 mm和10%的4.75～9.5 mm粒徑的混凝土顆粒，其滲透系數(shù)變化范圍為6.5×10-6～1.92×10-5 m/s；摻入7.5%的2.35～4.75 mm和7.5%的4.75～9.5 mm粒徑的混凝土顆粒，其滲透系數(shù)變化范圍為1.51×10-6～3.6×10-5 m/s；摻入10%的2.35～4.75 mm和5%的4.75～9.5 mm粒徑的混凝土顆粒，其滲透系數(shù)變化范圍為1.8×10-5～3.68×10-5 m/s；而在純黃土中，其滲透系數(shù)變化范圍為5×10-6～8.56×10-6 m/s。整體而言，滲透系數(shù)最高增大3.94倍。這是因為隨著大顆粒再生混凝土骨料的摻入，復(fù)合黃土試樣內(nèi)土體顆粒間重新排列，再生混凝土顆粒承擔(dān)的骨架作用明顯使土顆粒間孔隙增大、滲流通道增多，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)增大，最終提高復(fù)合黃土試樣的滲透能力。

2.2 在相同再生混凝土骨料摻量情況下，不同濃度溶液對復(fù)合黃土滲透系數(shù)的影響

在相同再生混凝土骨料摻入量情況下，不同濃度硫酸根溶液對復(fù)合黃土滲透系數(shù)影響的變化規(guī)律曲線如圖2所示。由圖2可知，在摻入再生混凝土骨料顆粒粒徑比例相同的情況下，隨著硫酸根溶液濃度的增加，復(fù)合黃土滲透系數(shù)具有明顯減小的趨勢。在再生混凝土骨料摻入量均為5%的2.35～4.75 mm和10%的4.75～9.5 mm粒徑，硫酸根溶液濃度為3 000 μg/L時，其滲透系數(shù)變化范圍為6.5×10-6～1.92×10-5m/s；硫酸根溶液濃度為5 000 μg/L時，其滲透系數(shù)變化范圍為3.6×10-6～9.4×10-6 m/s；硫酸根溶液濃度為8 000 μg/L條件時，其滲透系數(shù)變化范圍為1.6×10-6～5.2×10-5 m/s，滲透系數(shù)最低結(jié)果下降到原來的38.7%。這是因為隨著硫酸根溶液濃度的不斷增加，復(fù)合黃土試樣內(nèi)土體顆粒及其他物質(zhì)與硫酸根溶液反應(yīng)加劇，使土顆粒間孔隙被堵塞，滲流路徑減少，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)整體下降，最終導(dǎo)致復(fù)合黃土試樣的滲透能力降低。

2.3 掃描電鏡試驗

本研究將通過掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的照片導(dǎo)入顆粒（孔隙）與裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)（PCAS）進行顆粒、孔隙和裂隙圖像的自動識別、幾何定量和統(tǒng)計分析。將分析數(shù)據(jù)進行分類匯總，分別對比在相同溶液濃度情況下，不同再生混凝土骨料摻量復(fù)合黃土的微觀圖像和相同再生混凝土骨料摻入量情況下，不同濃度硫酸根溶液復(fù)合黃土的微觀圖像。

試樣的SEM微觀分析圖像如圖3所示。針對分析結(jié)果，對孔隙率進行單獨整理并繪制出圖4，由圖可知，在相同溶液濃度條件下，隨著試樣中4.75～9.5 mm粒徑再生混凝土骨料的增加，試樣的孔隙率呈明顯增大趨勢，整體平均增大17.9%；隨著溶液濃度的不斷增加，復(fù)合黃土試樣的孔隙率明顯下降，整體平均下降20.1%。孔隙率的改變會直接影響復(fù)合黃土試樣的滲流路徑，孔隙率的增加會導(dǎo)致復(fù)合黃土試樣滲流路徑的增多，進而提高復(fù)合黃土試樣的滲透系數(shù)；孔隙率的降低會導(dǎo)致復(fù)合黃土試樣滲流路徑被堵塞，導(dǎo)致復(fù)合黃土試樣的滲透系數(shù)下降。

3 結(jié)論

本研究通過對不同摻量復(fù)合黃土試樣在不同硫酸根離子濃度條件下進行固結(jié)、滲透、排水剪切和電鏡掃描試驗，分析得出以下結(jié)論。

①在相同硫酸根溶液濃度情況下，再生混凝土骨料的摻入會增大復(fù)合黃土的滲透系數(shù)，且隨著大顆粒混凝土摻入量的增多，滲透系數(shù)增大更為明顯，試樣的滲透系數(shù)結(jié)果可以增加3.95～5.12倍。

②對于相同配比的復(fù)合黃土在不同濃度硫酸根溶液滲透情況下，其滲透系數(shù)不同，隨著硫酸根溶液濃度增大，復(fù)合黃土的滲透系數(shù)有所下降，滲透系數(shù)下降到原來的34.3%～38.0%。

③再生混凝土骨料的摻入會改變復(fù)合黃土的孔隙率，從而導(dǎo)致復(fù)合黃土的滲透系數(shù)增大，而硫酸根溶液會與復(fù)合黃土中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，進而導(dǎo)致黃土的內(nèi)部孔隙率降低，造成復(fù)合黃土的滲透系數(shù)減小，且隨著硫酸根溶液濃度的增大，復(fù)合黃土的滲透系數(shù)下降更為明顯。

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