Pb2+污染对红黏土变形特性影响分析

肖桂元，刘 闯，刘 冲，朱杰茹 ,张达锦

(桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院; b. 广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004)

随着现代化建设的进程不断加快，工业、信息产业等发展迅速，但同时也给环境带来一系列问题，其中重金属污染是主要的土壤污染类型之一[1]。而Pb2+污染来源广泛，如矿物开采、工业生产、汽车尾气以及农业施肥撒药等[2]。由于重金属不易被土壤降解且对土壤的污染具有隐蔽性、累积性和不可逆性等特点[3]。Pb2+在土壤中的迁移会引起黏土材料微观孔隙结构发生改变[4]和扩散层厚度的变化，从而影响其变形特性。

对于污染黏土，国内外学者展开了大量的研究并取得了一定的研究成果。张志红等[5]从渗透和微观的方向出发研究得到，重金属Cu2+改变了黏土的内部微观结构，从而影响黏土孔隙的多少和大小，造成宏观上渗透系数的改变。NIKKHAH NASAB等[6]从Pb2+污染膨润土的研究中得出，膨润土是由于絮凝结构和氢离子取代钠离子而提高剪切强度的，而氢离子则随着双电层厚度的减小而增加。但由于高岭石颗粒的断裂和重新排列，使其强度随Pb2+浓度的增加而降低，各试样的压缩指数和电阻率都降低。文献[7-9]等研究发现，随着Cu2+浓度的增加，红黏土的孔隙分布曲线呈双峰分布，并且“峰宽”越宽表明孔隙越来越大，“峰”向右移表明孔隙越来越多,且电阻率愈低抗剪强度降低，孔隙率越大。NGUYEN等[10]使用蒸馏水、合成场地水和浓度为15、30 g/L的氯化钠溶液作为孔隙水，研究对处理放射性废物的潜在地质地层的影响发现：高浓度盐溶液的渗透导致土壤压缩(渗透固结)，而蒸馏水的渗透导致土壤膨胀(渗透膨胀)，这也符合扩散双电层理论。肖桂元等[11]通过研究Cu2+污染红黏土，发现CuSO4溶液中的离子会破坏红黏土中的硅氧键，出现膨胀率降低的现象。陆海军等[4]测试了Pb2+污染下黏土的无侧限抗压强度随着浓度的增大抗剪强度降低，孔隙比变大。AKINWUNMI等[12]使用不同浓度的NaCl和CaCl2盐溶液分别对钠蒙脱石和钙蒙脱石的溶胀力的影响进行研究时发现：在中高干密度下，离子浓度对钠基蒙脱土的影响最为显著。在中低干密度下，钠蒙脱石的溶胀压力大于钙蒙脱石；
然而，在高干密度和离子浓度下，钙蒙脱石表现出较高的溶胀压力。LAIRD等[13]研究发现，由于层电荷影响准晶的尺寸和稳定性，层电荷可能间接影响双电层溶胀和体积膨胀。DU等[14]用扩散双电层理论与分子动力学相结合的方法，提出了一种新的计算膨胀土膨胀压力的模型。BHARAT等[15]提出了一种基于Gouy-Chapman扩散双电层方法，建立孔隙比与膨胀压力理论关系的新方法。崔德山等[16]在加入ISS之后研究发现，ISS中的离子会置换出土颗粒上的阳离子，使得弱结合水膜减薄，Zate电位值下降。

已有的研究大多是关于扩散双电层与微观结构对膨胀土或红黏土的强度影响并建立了模型等，但很少有对红黏土扩散层与变形这两者之间建立联系的研究。本文主要从扩散层的角度出发，找出其与红黏土孔隙比之间的联系，从而研究红黏土的变形特征。

1.1 试验材料

所采用的红黏土均取自广西桂林市临桂区某基坑工地，取土深度为6～8 m，未受到Pb2+的污染。土体基本物理性质如表1所示。

表1 临桂某工地红黏土基本指标Tab.1 Basic indexes of red clay in a construction site in Lingui

试验中所用的Pb2+溶液是由Pb(NO3)2作为固体溶质和蒸馏水配制成，浓度分别为0、0.01、0.05、0.10 mol/L，配制方法如下：将每500 mL的溶液所需的固体Pb(NO3)2,加入到200 mL的蒸馏水的烧杯中溶解，再将此高浓度的溶液转移到500 mL的量筒内，并将烧杯用蒸馏水清洗，清洗液倒入量筒内，最后加蒸馏水至量筒500 mL位置,配制成溶液。因为本次试验中所使用的红黏土最优含水率为26.5%，所以在制样过程中,为便于计算且使土达到较好的含水率范围，将含水率设置为25%。通过计算，得出达到目标含水率所需用的溶液质量后，使用喷壶均匀地喷洒至土中，搅拌均匀且无大的结块并密封，静置1 d使溶液能够更加均匀地渗入土中,并复测含水率是否达到目标值，含水率达到目标值后密封静置3 d使Pb2+能够与红黏土充分发生反应。

1.2 试验方法

相对密度试验：将配制好的土烘干碾碎至5 mm以下，按照《土工试验方法标准(GB/T 50123—2019)》进行试验。在沙浴前，将注入比重瓶中液面的高度进行标注，在沙浴结束且试样冷却至室温后,先注入蒸馏水至沙浴前所标注的位置，以降低试验误差，随后再使用各浓度Pb2+溶液将密度瓶注满、称重。

固结试验：使用气压式固结仪做标准固结试验，压力等级为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200 kPa。根据规范土样，沉降稳定时可施加下一级荷载，稳定标准规定为每级压力下固结24 h或试样变形每小时不大于0.01 m。本试验采用的是每级压力下固结24 h的标准。

双电层试验：试验所用的仪器型号为JS94H-2型Zate电泳仪。称量各浓度下的红黏土各5 g，经洗滤后加入100 mL的烧杯中，随后加入去离子水配成悬浮液，取悬浮液0.5 mL注入电泳杯，开始试验。

2.1 Pb2+浓度对红黏土相对密度的影响

根据对未受污染的红黏土与受Pb2+污染后的红黏土相对密度试验数据，绘制出相对密度变化趋势图，如图1所示。

图1 Pb2+浓度与红黏土相对密度的关系Fig. 1 Relationship between Pb2+ concentration and specific gravity of red clay

Pb2+污染后，红黏土的相对密度随着Pb2+浓度的增大而增大，在相对密度试验的计算中，最终计算的是土体颗粒质量与土最终排水质量的比值，用此比值与沙浴过程中使用的中性溶液的相对密度乘积，得到试验对象的相对密度，而本次试验中液体相对密度变化不大，于是相对密度越大排水量就越少，因此在质量相同的情况下干土土体的体积就越小。这是由于黏土颗粒中的胶结物质有所损失，造成土颗粒变的分散、原先封闭的孔隙联通，使得水能够进入孔隙中经煮沸后排出空气，而由于土变得分散时较小的土颗粒土会进入到土中较大的孔隙中，因此排开水的体积变小，相对密度变大，其反映的则是土颗粒中孔隙变多、变大。

根据所测得数据运用公式(1)、(2)可得出孔隙比和孔隙率：

(1)

(2)

式中：e0为孔隙比，ρw为水的密度，Gs为相对密度，ρd为实际压实度下的干密度，n为孔隙率。从图2可以看出,随着Pb2+溶液浓度的升高,孔隙比与孔隙率随之升高。这是由于Pb2+的加入使得土中的胶结物被侵蚀、溶解，进而导致土中孔隙变大、变多，或因为红黏土双电层变薄，土颗粒之间距离较原状土变大，有效孔隙增加，故红黏土的孔隙比随着Pb2+溶液浓度的升高而升高。

图2 Pb2+浓度与红黏土孔隙比、孔隙率关系Fig. 2 Relationship between Pb2+ concentration and void ratio， porosity of red clay

2.2 铅污染红黏土的固结特征

未污染红黏土与Pb2+污染黏土在不同固结压力下孔隙比的变化如图3所示。

图3 不同压力下各浓度孔隙比变化规律Fig. 3 Variation of void ratio of different concentrations under different pressures

与未污染红黏土相比较，在400 kPa压力之前，经过Pb2+污染的红黏土孔隙比随着压力的增大,曲线斜率比未受污染的土要大；
400 kPa之后4条曲线几乎呈平行的状态；
这是由于Pb2+的加入减弱了红黏土中的胶结物的胶结能力，使得土骨架变得分散,更容易重新排列，从而表现出沉降更大，孔隙比减小得更快；
而在400 kPa之后，由于红黏土颗粒部分已经重新分布，红黏土孔隙大量减少，所以孔隙比的降低趋势逐渐平缓。

红黏土压缩系数的变化会受到孔隙比的影响，孔隙比越小，表明土体越密实就越难以压缩，相应的压缩系数就越小。如图4所示，随着压力的增加，压缩系数呈现先增大后减小的规律(其中0、0.01 mol/L在25 kPa可能是由于仪器设备的原因数据有所偏离)。随着Pb2+浓度的增加，初始压缩系数逐渐增加，且各浓度的压缩系数随着压力的增加均呈现先增大后减小的变化规律，并在400 kPa之后趋势相同。这是由于压力的增加，红黏土的土骨架在不断地被破坏并重新排列，随后被压实到一定程度之后，土颗粒形成新的结构，新的结构不会有大的错动和排列，而是不断地排水释放孔压从而被压缩。因此压缩系数会出现先上升后下降的规律。

图4 各浓度下压缩系数随压力变化规律Fig. 4 Variation of compressibility with pressure at different concentrations

压缩系数在0 mol/L和0.01 mol/L浓度下均在100 kPa达到最大，而0.05 mol/L在50 kPa增加到最大，0.01 mol/L在25 kPa时增加至最大值。这是由于Pb2+的存在减弱了红黏土的胶结作用，所以Pb2+在低浓度时红黏土的重新排列会比高浓度所用的压力要大。

如图5所示，在12.5 kPa压力时，0 mol/L和0.01 mol/L浓度下红黏土的压缩模量具有较大值，这是由于此时红黏土颗粒骨架还未受到完全破坏，具有一定抵抗变形的能力，而0.05 mol/L和0.10 mol/L浓度下红黏土的压缩模量较小，这是由于Pb2+的入侵降低了红黏土的胶结能力，使得土颗粒骨架更容易发生错动变形，从而失去了一部分抵抗变形的能力，且压缩模量在50 kPa下0 mol/L与0.05 mol/L的差值达67.2%。在100 kPa压力后，土样被压缩到一定程度后，土颗粒骨架结构重新排列变得更加紧密，抵抗变形能力增加，压缩模量开始迅速增大。

图5 不同压力下各浓度压缩模量变化Fig. 5 Change of compression modulus of different concentrations under different pressures

2.3 Pb2+污染红黏土后的双电层

扩散双电层分为两层：靠近土颗粒较为紧密的一层称为Stern(吸附层)，在岩土工程领域中又被称为强结合水层；
外围较为松散自由的一层称为扩散层，在岩土工程领域中又被称为弱结合水层[17]。Stern和扩散层的分界面称为滑动面。自滑动面到水溶液离子浓度均匀处电位差称为电动电位ζ,所以扩散层厚度与电动电位成正比。

根据Gouy-Chapman单一平面双电层理论，可推导出扩散层厚度的关系式如下[18]:

(3)

式中：e为电荷，NA为阿伏伽德罗常数，zi、ci为第i种双电层离子价态与浓度，R为Boltzmann常数，T为温度，ε为电动电位值，1/k为扩散层厚度。

Pb2+在渗透压力和离子交换的作用下，进入扩散层或极少数进入Stern层，这使得靠近黏土颗粒区域的离子浓度与价态较原来有所增加，而扩散层厚度与离子浓度与价态成反比，所以扩散层变薄。

图6是电位值随Pb2+浓度的变化曲线，从图6中可以看出,随着Pb2+浓度的增加,电位值逐渐减小且在浓度高时趋于平缓，电位值最后变化不大。而电位值与扩散层厚度成正比，所以扩散层的厚度也逐渐变薄，这与式(3)相吻合。

在同一压实度下，扩散层厚度减小，相应的红黏土中的孔隙尺寸增大。这是因为Pb2+污染物与土颗粒发生物理化学反应，导致土中的矿物组成和胶结特性发生改变，使得土颗粒之间黏结性变差、松散，在压力的作用下排列组合易发生变化，进而使得红黏土的压缩系数和压缩模量发生改变。

图6 Zate电位值变化图Fig. 6 Chart of Zate potential change

通过基本土工试验,确定了未污染红黏土的基本物理指标，包括在Pb2+各浓度下污染后红黏土的相对密度与压缩系数、压缩模量。采用Zate电位试验测出电位值后，运用Couy-Chapman扩散双电层理论得到Pb2+污染红黏土后扩散双电层厚度。基于以上试验研究得出结论如下：

(1)与未污染土相比,Pb2+污染后的红黏土被侵蚀后土颗粒变得松散，因为在煮沸的过程中土颗粒之间相互填充孔隙，因此相对密度随着浓度的增加而变大，而在相同压实度下孔隙比和孔隙率也会相应增大，与固结试验结果相吻合。

(2)随着Pb2+浓度逐渐增加,红黏土的压缩系数增大，压缩模量减小，在低压力下未污染的红黏土具有一定抵抗变形的能力，而受Pb2+污染后的红黏土在低压力时的压缩模量较小，并且在50 kPa下0.05 mol/L Pb2+污染下红黏土压缩模量减少最多达到67.2%。这均是由于Pb2+的侵入使得红黏土中的部分胶结物受到破坏，导致土的原本结构受到影响，减弱了红黏土抵抗变形的能力。

(3)在红黏土颗粒的扩散层内,由于Pb2+的入侵改变了红黏土颗粒扩散层内的价态和浓度，使得电位值随着Pb2+浓度的增加逐渐降低，而扩散层厚度与电位值成正比,与离子价态和浓度成反比，因此扩散层厚度在降低。宏观则表现为孔隙率变大，最终导致压缩模量变小。

(4)由于Pb2+的入侵红黏土的胶结特性受到不良影响，土颗粒相对于未受污染的土变得松散，并且扩散层变薄增加了颗粒之间的孔隙大小，因此黏土在受压时更容易被压缩，在工程上会产生不均匀沉降,影响建筑物的可靠性，从而造成经济损失。