唐斌鵬

（廣西路建工程集團有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

黃土沉積物主要由細沙和黏土組成，富含碳酸鈣。黃土由于具有松散多孔、垂直節(jié)理發(fā)育和水敏感性等性質，導致黃土力學性能較差，會對黃土地區(qū)的建設項目施工造成一定的困擾［1］。同時，黃土地區(qū)容易出現(xiàn)一系列黃土天災和次生災害，如滑坡。黃土在外力作用下表現(xiàn)出的可壓縮性，是指其在壓力下壓縮變形并縮小體積的能力［2］，即黃土的變形和強度特性，它通常關系到建筑的穩(wěn)定性和安全性。隨著城市化和工業(yè)化程度的提高，工廠生產過程中產生的酸性和堿性廢水會改變土壤的物理和力學性質［3］，會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染。這種污染涉及土壤和污染物之間復雜的化學反應，改變了土壤在不同環(huán)境中的性質。其中，酸性污染會導致許多問題，例如會引起土壤結構變化，使建筑地基發(fā)生凸起現(xiàn)象。同時，酸性污染物主要來自金屬浸出、石油精煉、造紙工業(yè)和染料廠［4］，化學污染物滲入地下，可能導致地基變形，并且酸會與黃土中的碳酸鹽材料發(fā)生劇烈反應，產生鹽、二氧化碳和水。黃土中的碳酸鹽材料主要影響其化學性質，當酸性物質進入黃土時，黃土的壓縮變形特性會發(fā)生變化［5］。

基于此，本研究以不同鹽酸濃度和不同浸泡時間的壓縮性能為研究對象，研究不同鹽酸濃度和不同浸泡時間下黃土在壓縮室中的壓縮性能，并借助掃描電子顯微鏡研究酸性物質對黃土孔徑的影響和酸性物質對黃土壓縮性能的影響，可為黃土地區(qū)的施工提供參考。

1 材料和方法

1.1 試樣制備

黃土取自某邊坡坡腳，呈黃褐色，富含垂直節(jié)理，天然含水量低，均勻性好，壓實度高。土壤的比重、自然密度和含水量分別為2.68、16.5 kN/m3和17.6%。液體和塑性測量值為ωL= 31.3%、ωP=19.4%。所有原狀黃土試樣均采用現(xiàn)場標準環(huán)形切割機制作，直徑為79.8 mm、高度為20 mm。對于在現(xiàn)場環(huán)境中制備的原狀黃土環(huán)刀試樣，用保鮮膜密封，置于密封箱中，并運輸至實驗室。

在實驗室中對黃土試樣開展以下試驗：根據《土工試驗方法標準》（GBT 50123—2019）中的要求，將采樣點未受擾動的黃土環(huán)刀試樣浸泡在鹽酸溶液中，模擬正常實驗室條件下的酸污染侵蝕試樣。放入酸溶液中浸泡前，將試樣包裹并編號。在試樣的上下兩側分別粘貼中滲透性濾紙，并在試樣底部和上部放入透水石。試樣的最外部用耐腐蝕的聚丙烯布包裹，并用橡皮筋緊緊綁住。這樣做的目的是讓酸溶液能均勻地滲透到土壤試樣中，確保土壤顆粒不會崩解和流失。試樣浸泡溶液由等體積的蒸餾水和濃度為0.1 mol/L、0.5 mol/L、1 mol/L、2 mol/L 和3 mol/L 的鹽酸溶液組成。浸泡時間分別為1 d、3 d、6 d、9 d、12 d，共試驗30個試樣。

1.2 壓縮試驗

壓縮試驗使用單杠桿三重高壓固結儀，采用快速壓縮法對酸蝕樣品進行壓縮，并在壓縮之前對其進行稱重。依次施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa的垂直法向應力，每個應力施加60 min，在每個加載間隔結束時讀取位移（精度±0.01 mm）。壓縮穩(wěn)定性的標準是試樣在2 h內的垂直位移小于0.002 mm。

2 結果與討論

2.1 壓縮曲線（CCC）

黃土經酸溶液腐蝕后，利用固結儀進行壓縮，可進一步得到黃土e-logσ曲線，該曲線為酸蝕黃土的壓縮曲線。試驗結果如圖1（a）所示：對于1 d的酸浸時間，不同酸濃度下的樣品的初始孔隙比e不同，但隨著酸濃度的增加（0～3.0 mol/L），試樣的初始孔隙比e逐步增加，壓縮曲線的位置變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性；酸濃度越高，壓縮曲線的位置越高。隨著浸泡時間的增加，不同酸濃度的樣品壓縮曲線之間的距離也逐漸變寬。圖1（c）中的壓縮曲線之間的距離明顯大于圖1（b）中壓縮曲線之間的距離。對于相同的酸濃度，試樣的壓縮曲線位置隨著浸泡時間的增加而升高。

圖1 酸蝕黃土的壓縮曲線變化

2.2 壓縮指數Cc

壓縮指數Cc的值可以根據壓縮曲線中的斜率計算得出。以浸泡時間為12 d、酸濃度為3 mol/L為條件，計算壓縮指數Cc值。根據該方法，剩余組試樣（鹽酸濃度分別為0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.0 mol/L、2.0 mol/L 和3.0 mol/L，浸泡時間為1 d、3 d、6 d、9 d和12 d的Cc值見表1。

表1 不同酸侵蝕濃度和時間下黃土試樣壓縮指數Cc

從表1中的數據可以看出，對于在酸溶液中浸泡1 d的試樣，隨著酸溶液濃度從0.1 mol/L增至3.0 mol/L，其壓縮指數Cc值從0.118增加到0.210，ΔCc為0.092，增長率為177.97%。對于在酸溶液中浸泡12 d的試樣，隨著酸濃度從0.1 mol/L增至3.0 mol/L，其壓縮指數Cc值從0.351 增加到0.460；ΔCc為0.109，增長率為131.05%。從另一個角度來看，浸泡于酸濃度為0.1 mol/L的酸溶液中的試樣，隨著浸泡時間從1 d增加到12 d，其壓縮指數Cc值從0.118增加到0.351，ΔCc為0.233，增長率為297.46%。浸泡于酸濃度為3.0 mol/L 的酸溶液中的試樣，隨著浸泡濃度從1 d 增加到12 d，其壓縮指數Cc值從0.210增加到0.460，ΔCc為0.250，增長率為219.05%。壓縮指數的增大可歸因于酸濃度和浸泡時間耦合的結果。

為表征酸濃度和浸泡時間對黃土試樣壓縮指數變化的影響，對表1 中列出的壓縮指數Cc值進行線性擬合，壓縮指數值隨酸濃度和時間變化如圖3 所示，擬合方程見表2。從圖2 中可以看出，試樣壓縮指數Cc與酸濃度之間的線性關系呈正相關。隨著酸濃度逐漸增加，相應的試件壓縮指數值（Cc）也呈正相關增加，方程擬合R2為0.811～0.952。試樣的壓縮指數Cc與浸泡時間之間的線性關系顯示出正相關。浸泡時間逐漸增加（1 d、3 d、6 d、9 d、12 d），相應的壓縮指數值（Cc）也呈正相關增加，擬合方程的R2為0.652～0.858。

表2 壓縮指數、浸泡時間和酸濃度的線性擬合方程

圖2 壓縮指數值隨酸濃度和時間變化

圖3 壓縮屈服應力變化曲線

2.3 壓縮屈服應力σpc

壓縮屈服應力σpc通常由壓縮曲線與x 軸的交點確定，并可以進一步繪制壓縮屈服應力、浸漬時間和酸濃度曲線。如圖3 所示，不同酸浸泡時間曲線的形狀相似。試樣的壓縮屈服應力值隨著酸濃度的增大而減小，并且隨著浸泡時間的增加，曲線的位置呈非線性降低趨勢，表明試樣的壓縮屈服應力值由大變小，證明試樣的壓縮屈服應力值隨浸泡時間和酸濃度的增大而減小。酸濃度越高，破壞黃土試樣所需的應力值越低。

2.4 掃描電鏡測試結果

原狀黃土試樣和強酸腐蝕試樣（鹽酸濃度為3 mol/L，浸泡時間為12 d）的微觀示意圖如圖4和圖5所示。從圖4可以觀察到，大量石英顆粒分布在未擾動的黃土中，黃土顆粒呈不規(guī)則的多邊形，顆粒的表面相對平坦光滑，顆粒之間有不同大小的天然孔隙。黃土試樣經酸蝕后可以明顯看出（如圖5所示），土壤試樣表面存在較大的腐蝕孔隙和一些零星的小孔隙。與原狀黃土相比，孔隙數量顯著增加；石英顆粒表面有許多腐蝕孔和腐蝕坑；顆粒粒徑變小，表面變粗糙。

圖4 未受擾動的黃土的原始掃描電鏡圖像

圖5 酸蝕黃土（放大500倍）的原始掃描電鏡圖像

為研究酸性物質對黃土孔隙特性的影響，在掃描電鏡（SEM）測試后，使用PCAS 圖像處理軟件分析黃土樣品的孔隙特性。導入樣品的孔隙圖像為原狀黃土，并對樣品的孔隙進行二值化處理。

土壤孔隙根據半徑和微孔度分為以下4 種類型（0 μm〈R≤1 μm），小孔（1 μm〈R≤4 μm），中等孔隙（4 μm〈R≤16 μm）和大孔（R〉16 μm）。圖6為試樣孔隙特性變化，如圖6 所示，酸蝕壤土的曲線高于原始壤土。在微孔范圍內（0～1 μm），酸蝕壤土的微孔數量為149 個，原始壤土的微孔數為39 個。在小孔范圍內（1～4 μm），酸蝕黃土的小孔數量為307 個，原始黃土的小孔數為49 個。在中孔范圍內（4～16 μm），酸蝕黃土中的中等孔隙數量為1個，原始黃土中的中孔隙數量為0 個。大孔隙范圍內，酸蝕黃土中大孔隙數量為3 個，原始黃土中大孔隙數量為0 個?？梢姡嵛g黃土樣品中的各種孔隙的數量都比原始壤土多，特別是微孔和小孔，表明酸性物質與土壤之間存在相互作用，這也表明了酸溶液和黃土質檢發(fā)生了化學腐蝕反應，導致黃土土體內的少量可溶性物質減少，從而形成大量的小孔。當顆粒表面產生越來越多的小孔時，在酸性溶液及其自身重力的作用下，小孔之間的孔壁逐漸消失，導致小孔轉化為較大的孔。

圖6 試樣孔隙特性變化

3 討論

在本研究中，從酸可能影響黃土力學性質的角度出發(fā)，研究了酸濃度和浸泡時間對黃土壓縮性的影響。在0 ～3 mol/L范圍內選擇了6種濃度鹽酸，浸泡時間設定為1～12 d，并分別在1 d、3 d、6 d、9 d 和12 d 取出試樣進行壓縮試驗。與原始黃土相比，酸蝕黃土的壓縮性增強，增強程度與浸泡時間和酸濃度有關。

酸性溶液在黃土試樣上部富集，酸性液體不斷滲透結構表面，形成重力型滲流。滲流沿著結構表面流動，并侵蝕和運輸結構表面中的填料微粒，從而持續(xù)疏通結構表面。隨著顆粒咬合力的增強，結構面被部分穿透。此時，流動的水具有一定的強度，酸性液體具有一定的動能，開始侵蝕土壤，并逐漸侵蝕其結構表面。隨著結構表面被完全滲透，在細顆粒不斷運動的同時，結構表面中的粗粒填料也開始被侵蝕和輸送。由于結構面的自由滲流空間不斷擴大，水土作用模式已從淋濾轉變?yōu)榍治g。在酸溶液的侵蝕傳輸下，結構表面中的大量殘余松散填料被填充，結構表面?zhèn)缺谏衔磾_動的黃土土體開始暴露，酸溶液開始接觸并侵蝕它。隨著浸泡時間的增加，土壤強度逐漸降低，黃土中的大量可溶性鹽開始被水溶解，側壁孔隙進一步擴大，滲透性更強。此時，土壤結構受到嚴重破壞，導致黃土快速崩解和濕陷。同時，酸溶液的沖刷和侵蝕作用不斷地侵蝕結構表面，一小部分解體的小顆粒被夾帶并繼續(xù)向酸蝕的深度和方向移動。同時，結構面的通道在垂直和水平方向上逐漸擴展，從而形成較長的黃土裂縫。一般來說，這一階段的水土相互作用以侵蝕為主。

黃土中含有大量的鹽和碳酸鈣，當酸進入黃土時，會與這些物質發(fā)生化學反應。酸的濃度越大，浸泡時間越長，化學反應越充分，黃土中的鹽和碳酸鈣溶解得越多，黃土的孔隙逐漸變大。在本研究中，土壤壓縮性在外荷載作用下增強，增強程度可能與酸腐蝕程度有關。研究結果可為酸污染地區(qū)地基土力學性質研究和工程施工提供參考。

4 結論

通過室內試驗中對酸污染黃土試件進行壓縮試驗，探討酸濃度和浸酸時間2個因素影響下黃土壓縮曲線和壓縮指數、屈服應力等壓縮特性指標的變化，并獲得了酸污染黃土和原始黃土標本的掃描電鏡圖像。根據測試結果和數據分析結果可以得出以下結論：初始孔隙率比值e隨著酸濃度的增加而增大。酸蝕黃土的壓縮曲線具有相似的變化特性，酸濃度越大，浸泡時間越長，壓縮曲線的位置越高。壓縮指數Cc與酸濃度呈正相關。壓縮指數Cc隨浸泡時間增加呈非線性增加趨勢。

與原狀黃土相比，酸蝕黃土中的微孔和小孔隙數量增加，顆粒之間不僅存在空隙，而且顆粒表面存在凹坑甚至小孔隙，以及大侵蝕孔洞。這些孔洞的出現(xiàn)可能與酸蝕黃土壓縮指數、壓屈應力降低有關，這也是酸蝕黃土壓縮性增大的主要原因。