劉 莉, 顏榮濤, 牛富俊, 顏夢秋, 徐玉博

(1.桂林理工大學 廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林 541004; 2. 河海大學 土木與交通學院， 南京 210024；3.華南理工大學 a.亞熱帶建筑國家重點實驗室; b.土木與交通學院華南巖土工程研究院, 廣州 510640)

0 引 言

紅黏土是碳酸鹽巖在濕熱環(huán)境下經(jīng)物理化學風化作用而形成的高塑性黏土, 屬于一種特殊土[1]。在紅黏土表面存在大量的游離氧化鐵, 對土顆粒間存在明顯的膠結作用, 因此導致紅黏土具有一些特殊的物理力學特性， 如高孔隙比、高含水率、高強度、低壓縮性、 高收縮性等[2-4]。

為了揭示游離氧化鐵對紅黏土土體物理力學特性的影響規(guī)律及機制, 前人早在20世紀八九十年代就開始了相關研究[5-8]。近年來, 張先偉等[9]采用選擇性化學溶解法去除氧化鐵膠體, 探討了氧化鐵膠體的界面活性、膠結特性和黏土礦物的相互作用機制； 牛庚等[10]研究了去氧化鐵前后紅黏土原狀樣全吸力范圍土水特征曲線, 并結合壓汞試驗從微觀角度解釋去鐵前后紅黏土持水特性， 結果表明, 低吸力范圍內紅黏土原狀樣持水曲線較去氧化鐵樣下降明顯, 而高吸力范圍去氧化鐵前后紅黏土持水特性和收縮性差距不大。這些研究有效地證明了氧化鐵的存在對紅黏土物理指標和持水性有明顯的影響。

紅黏土具有較高的強度特性與明顯的收縮特性。在強度方面, 孫德安等[11]通過試驗發(fā)現(xiàn)， 非飽和紅黏土抗剪強度隨吸力增加均先增大后減小, 并結合壓汞試驗從微細觀孔隙分布角度解釋了孔隙水毛細效應對非飽和紅黏土強度特性的影響機制； 羅文俊等[12]對不同含水率下紅黏土進行直剪試驗， 結果顯示隨著含水率增大, 紅黏土抗剪強度和黏聚力均減少, 內摩擦角在一定范圍內波動， 紅黏土的失水收縮特性較為明顯, 這一特性會導致紅黏土路基、地基發(fā)生開裂現(xiàn)象； 談云志等[13]開展了壓實紅黏土收縮試驗, 并對收縮曲線進行了具體的描述, 從孔隙結構層面分析了紅黏土的收縮特性；張宏等[14]研究了紅黏土不同擊實次數(shù)下的收縮特性及裂縫開展情況, 結果表明， 在最大干密度情況下隨擊實次數(shù)增加, 紅黏土線縮率增大。在持水性方面, 常紅帥等[15]利用壓力板儀、濾紙法測定桂林、柳州兩種紅黏土, 發(fā)現(xiàn)在相同含水率時, 桂林紅黏土具有更好的持水特性； 孫德安等[16]測定不同干密度下全吸力范圍桂林紅黏土土-水特征曲線。

根據(jù)以上分析, 學者針對紅黏土的基本力學特性及游離氧化鐵的力學影響機制進行了不少研究工作, 并取了顯著的研究成果, 但為了全面理解游離氧化鐵對紅黏土物理力學特性的影響機理, 仍需要大量的試驗數(shù)據(jù)。本文通過試驗分析了游離氧化鐵去除前后(以下簡稱“未去鐵紅黏土”和“去鐵紅黏土”)紅黏土的持水特性、 非飽和土抗剪強度以及失水收縮特性， 其中持水性與抗剪強度試驗結果相結合可獲得土體的非飽和強度已被證實[17-22]。試驗中, 紅黏土持水性采用濾紙法測定、 強度特性通過直接剪切試驗測定、 失水收縮特性采用收縮儀法測試， 基于試驗結果, 對游離氧化鐵對紅黏土力學特性的影響規(guī)律和機理進行了討論。

1 試驗介紹

1.1 土樣情況

試驗用紅黏土取自廣西師范大學雁山校區(qū), 呈棕紅色。土體在自然風干后, 用木槌粉碎后過2 mm篩備用。根據(jù)《土工試驗方法標準》[23]測得試樣土體的基本物理性質指標見表1。

表1 紅黏土基本物理性質

土體液塑限采用液塑限聯(lián)合測試儀測得, 液限為72.47%(入錐深度為17 mm), 塑限為38.1%, 塑限指數(shù)為34.37。最大干密度和最優(yōu)含水量通過擊實試驗得到, 測試最大干密度為1.58 g/cm3, 最優(yōu)含水量為26%。通過顆分試驗測得: 砂粒(0.075～2 mm)含量為17.7%, 粉粒(0.005～0.075 mm)含量為31.1%, 黏粒(小于0.005 mm)含量為51.2%。

本試驗主要關注紅黏土去除游離氧化鐵前后持水性、強度和收縮性的變化情況, 不考慮游離氧化鐵含量對紅黏土物理力學特性的影響規(guī)律。另外, 由于試驗條件限制, 未測試紅黏土游離氧化鐵的含量。

1.2 去氧化鐵方法

目前去除紅黏土中游離氧化鐵的方法大多采用還原-絡合方法, 其實質是一種去除土中游離氧化鐵的“選擇溶解”法, 通常有淋濾和浸泡兩種方式。用于去除游離氧化鐵的溶液有兩種： 一種是由0.1 mol/L NaCl、 0.05 mol/L Na2CO3和0.05 mol/L EDTA-連二亞硫酸鈉3種溶液配制而成的混合溶液; 另一種主要采用檸檬酸鈉、碳酸氫鈉和連二亞硫酸鈉3種溶液配置的混合液(稱為DCB法)。第一種用于去除游離氧化鐵的混合液中EDTA(乙二胺四乙酸)較難溶于水, 且操作方法較復雜, 因此本試驗采用第二種混合溶液, 即DCB法。采用由檸檬酸鈉、碳酸氫鈉和連二亞硫酸鈉3種溶液配置的混合液不僅能去除紅黏土中游離氧化鐵, 而且還不影響其他形態(tài)的鐵(無定形氧化鐵、絡合態(tài)鐵等), 游離氧化鐵去除率達到92%以上[8], 可以滿足試驗要求。

游離氧化鐵去除的具體過程[24]: 1)對紅黏土進行風干處理, 過2 mm篩后備用; 2)取250 g紅黏土置于1 000 mL燒杯中, 加入0.3 mol/L檸檬酸鈉溶液500 mL, 10 mol/L碳酸氫鈉溶液62.5 mL; 3)水浴加熱至80 ℃, 加固體連二亞硫酸鈉20 g, 持續(xù)攪拌20 min使混合溶液反應充分; 4)停止加熱, 冷卻至室溫(圖1), 靜置1個月使其充分反應, 而后用蒸餾水對土樣進行多次洗滌, 并采用離心機分離出上層溶液, 如此反復至上清液無黑褐色出現(xiàn), 認為游離氧化鐵充分去除。之后, 自然風干土樣, 并用木槌粉碎后密封袋封裝備用。

圖1 去游離氧化鐵浸泡液

1.3 持水性測試

紅黏土的持水性通過土-水特性曲線來表征,常用的測試方法有壓力板儀、濾紙法和鹽溶液法。濾紙法測試分為接觸法和非接觸法, 接觸法測試孔隙水基質吸力, 而非接觸法測試孔隙水總吸力。滲透吸力為總吸力與基質吸力之差。

壓制去鐵和未去鐵紅黏土環(huán)刀試樣, 控制干密度為1.47 g/cm3， 初始含水率分別為3%、 6%、 9%、 12%、 15%、 18%、 21%、 24%、 27%和30%。本文采用濾紙法, 所用濾紙有定性濾紙和定量濾紙兩種： 定性濾紙在試驗中保護定量濾紙免受土體污染, 定量濾紙用來測試基質吸力和總吸力。試驗用Whatman No.42號定量濾紙, 其含水率與總吸力和基質吸力的關系可以根據(jù)Leong等[25]給出的雙線性率定曲線方程計算:

總吸力為

lgψ=2.909-0.022 9wf(wf≥26),

(1)

lgψ=5.31-0.087 9wf(wf<26);

(2)

基質吸力為

lgψ=2.909-0.022 9wf(wf≥47),

(3)

lgψ=4.945-0.067 3wf(26≤wf<47),

(4)

lgψ=5.31-0.087 9wf(wf<26),

(5)

式中:ψ為總吸力或基質吸力, kPa;wf為平衡后濾紙含水率,%。

濾紙法測試持水性的具體過程具體為: 1)在塑料盒底部放入2張定性濾紙, 再在其間放一張定量濾紙(定量濾紙A，用于測試孔隙水基質吸力 ); 2)在濾紙上放置土樣并與濾紙充分接觸, 之后于試樣上方放置隔網(wǎng)片、一張定量濾紙(定量濾紙B， 用于測試孔隙水總吸力); 3)保證塑料盒的密封性, 并置于恒溫恒濕箱中, 靜置兩周后, 認為土樣-濾紙達到平衡狀態(tài)[16]。平衡后, 用鑷子夾取定量濾紙, 稱量定量濾紙A和B的質量, 計算兩定量濾紙的含水率。需說明的是, 定量濾紙的稱量過程要求在30 s內完成, 以防止濾紙與空氣接觸影響精確度； 定量濾紙稱量天平精度為0.001 g。根據(jù)定量濾紙A和B的含水率, 計算出基質吸力和總吸力。與吸力相對應的土樣含水率可以通過烘干法測得。

1.4 直剪強度試驗

采用直剪試驗測定紅黏土強度, 直剪模式為快剪試驗， 所用儀器為ZJ型應變控制式直剪儀。去鐵紅黏土和未去鐵紅黏土試樣的控制初始含水率分別為10%、 15%、 20%、 25%、 30%, 干密度控制為1.47 g/cm3壓制環(huán)刀試樣， 試驗施加豎向應力為50、100、200和400 kPa, 剪切速率為0.8 mm/min。

1.5 收縮試驗

對游離氧化鐵去除前后的紅黏土試樣進行收縮試驗研究其收縮特性。采用去鐵紅黏土和未去鐵紅黏土壓制兩種環(huán)刀試樣, 抽真空飽和后利用收縮儀進行收縮試驗, 在25 ℃恒溫恒濕箱通過控制濕度進行脫水， 測試了干密度為1.27、1.47 g/cm3的未去鐵試樣和去鐵試樣的收縮特性。 采用游標卡尺分別測定試樣4個不同位置的直徑和高度, 取平均值作為最終的直徑和高度。

2 結果分析與討論

2.1 持水性特征

圖3給出了去鐵紅黏土試樣和未去鐵紅黏土試樣的土-水特性曲線, 包括總吸力和基質吸力隨含水率的變化關系。從測試結果看, 去鐵紅黏土試樣含水率從30.5%脫濕到2.5%, 其總吸力變化范圍為17.0～110.0 MPa, 基質吸力的測試范圍為1.6～62.0 MPa。無論是未去鐵紅黏土試樣還是去鐵紅黏土試樣， 其總吸力和基質吸力都隨含水量變化曲線基本重合, 這說明該紅黏土試件中含鹽量很少, 滲透吸力影響很小, 可以忽略。

圖2 濾紙法試驗過程

圖3 去鐵前后紅黏土的持水曲線

對比未去鐵與去鐵紅黏土試樣的土-水特性曲線發(fā)現(xiàn), 在相同的含水量情況下, 去鐵紅黏土的基質吸力和總吸力整體高于未去鐵紅黏土的基質吸力和總吸力。這種差異應該是由于氧化鐵去除過程也減小了紅黏土顆粒表面鐵離子, 增大了紅黏土顆粒對水的表面吸附性, 導致紅黏土的持水能力增強。

牛庚等[10]采用除氧化鐵前后的原狀紅黏土進行試驗, 研究表明， 在低吸力范圍內(0～1 MPa)氧化鐵對紅黏土持水特性有明顯的影響, 消除氧化鐵有助于提高試樣的持水性； 在高吸力范圍內(9～367 MPa), 氧化鐵對持水特性影響不大。這與本試驗的測試結果有所不同, 這可能歸結于牛庚等所采用的試樣為原狀土試樣, 而本試驗采用的為重塑土試樣, 二者具有不同的內部結構。對于原狀土試樣, 其內部結構性占主要影響因素, 除鐵后使土體的結構易于收縮, 其收縮特性的改變影響了持水特性; 而本次試驗所采用的為重塑土樣, 除鐵后影響了土壤顆粒表面的吸附性, 增強了土體顆粒對水的吸附能力, 從而增強了持水能力。

2.2 抗剪強度

圖4給了未去鐵紅黏土試樣和去鐵紅黏土試樣的抗剪強度特性。隨著豎向壓力的增大, 土樣孔隙比減小, 土顆粒接觸點增多, 土體強度呈現(xiàn)正比例上升趨勢； 另外, 在較低的含水率情況下試樣對應的強度線要高于高含水率情況, 這主要是由于土顆粒間孔隙水的基質吸力影響效果。

圖4 去鐵前后不同含水率紅黏土的抗剪強度

為了進一步分析試樣的強度影響機制, 根據(jù)Fredund等[26]提出的非飽和土抗剪強度公式進行分析:

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(6)

圖5給出了去鐵紅黏土與未去鐵紅黏土試樣的表觀黏聚力和有效內摩擦角隨含水率的變化關系。 隨著含水率的增大, 無論是否去除了游離氧化鐵, 紅黏土試樣的表觀黏聚力都表現(xiàn)出線性減小的趨勢, 這是由于顆粒間基質吸力隨著含水率的增加逐漸減小, 土顆粒抵抗相互滑移、旋轉的能力降低, 宏觀表現(xiàn)為表觀黏聚力的降低。同時, 在同樣的含水率情況下, 未去鐵紅黏土試樣的表觀黏聚力要高于去鐵紅黏土試樣, 這主要是由于游離氧化鐵具有膠結作用, 能提高顆粒間的黏聚力, 去除游離氧化鐵后表觀黏聚力自然會降低(圖5a)。去鐵與未去鐵紅黏土有效內摩擦角并不是一個常數(shù), 當含水率在10%～20.5%內, 有效內摩擦角變化不大, 而當含水率大于20.5%以后, 有效內摩擦角呈迅速下降的趨勢。這主要是由于低含水量情況下(10%～20.5%), 孔隙水主要以強結合水為主, 被強結合水包裹的土顆粒間的相互摩擦系數(shù)較高； 隨著含水量增加, 結合水含量增多, 于土顆粒表面的賦存會起到潤滑土顆粒的作用, 會顯著降低有效內摩擦角。去鐵與未去鐵紅黏土試樣的有效內摩擦角在含水率低于26%時并無明顯區(qū)別, 表現(xiàn)為表觀黏聚力對基質吸力或含水率的變化較有效內摩擦角更加敏感(圖5b)。

圖5 抗剪強度參數(shù)隨含水率的變化

根據(jù)Fredund 等[26]的非飽和土抗剪強度理論, 表觀黏聚力由有效黏聚力c′和基質吸力強度貢獻(ua-uw)tanφb控制。為了進一步分析基質吸力對表觀黏聚力的影響, 圖6給出了表觀黏聚力隨基質吸力的變化關系。隨著基質吸力的增加, 表觀黏聚力呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。非飽和土基質吸力由兩部分組成: 毛細吸力和吸附吸力。 毛細吸力主要在低基質吸力情況下存在, 對應于毛細水作用; 而物理吸附吸力主要在高基質吸力情況下存在, 對應于結合水。試樣在高含水率時, 對應基質吸力較小, 毛細吸力為主要部分, 毛細吸力吸引土顆粒， 增加土顆粒的抗剪能力, 提高了表觀黏聚力; 而在低含水率情況時, 對應基質吸力較大, 物理吸附應力占主要部分, 土顆粒間的物理化學力對顆粒相互作用來提高表觀黏聚力。此外, 未去鐵紅黏土表觀黏聚力高于去鐵紅黏土， 主要是由于游離氧化鐵的膠結作用, 游離氧化鐵膠結于土顆粒接觸面或填充土顆?？紫? 來提高紅黏土的有效黏聚力。

圖6 表觀黏聚力與吸力的關系

2.3 收縮特性

圖7給出了游離氧化鐵去除與未去除紅黏土試樣的失水收縮曲線。隨著含水率的降低, 試樣表現(xiàn)出收縮趨勢, 線縮率逐漸增大, 最后趨于恒定。根據(jù)線縮率隨含水率的變化特性, 收縮曲線可以分3個階段[13]: Ⅰ正常收縮、Ⅱ殘余收縮和Ⅲ零收縮階段。在正常收縮段內, 線縮率與含水率大致呈線性關系, 隨著含水率的不斷減小, 土樣中的孔隙水不斷排出, 基質吸力不斷增大, 導致土樣孔隙率減小, 發(fā)生收縮變化。當含水率減小到一定程度時, 土體顆粒開始接觸緊密, 顆粒間滑移、翻轉的能力降低, 含水率的減小及基質吸力增大所引起的土體的收縮量越來越小, 收縮過程進入殘余收縮階段。當含水率進一步減小, 基質吸力增加到一定程度時, 顆粒間更難于相互滑移、翻轉, 土顆粒骨架基本趨于穩(wěn)定, 脫水過程難以克服土顆粒之間的抗剪強度使土體發(fā)生收縮變形, 試樣進入零收縮階段。去鐵紅黏土試樣的收縮曲線要高于未去鐵紅黏土試樣。

圖7 去鐵前后不同干密度紅黏土收縮曲線

線縮率δsi為某時刻高度變化量與初始高度的比值

(7)

式中:zi為任意時刻試樣百分表讀數(shù);z0為試樣初始百分表讀數(shù);h0為試樣初始高度。表2給出了收縮試驗的相關特征值, 包括最大線縮率、初始含水率和縮限。去鐵紅黏土的最大線縮率要大于未去鐵紅黏土, 說明去鐵紅黏土試樣的失水收縮特性要強于未去鐵紅黏土, 這主要是由于游離氧化鐵能膠結土顆粒, 使土體整體性增強, 提升了抵抗失水收縮變形的能力。另外, 無論對于去鐵紅黏土試樣還是未去鐵紅黏土試樣, 高干密度試樣的最大線縮率要小于低干密度試樣。這主要是由于高干密度情況的土顆粒接觸密實, 顆粒間抵抗相互滑移、翻轉能力相對較強, 剛度相對大, 失水收縮能力較弱。

表2 收縮特征值

3 紅黏土中游離氧化鐵作用機制分析

根據(jù)以上試驗分析可知, 游離氧化鐵的存在會降低紅黏土的持水性, 增加土體抗剪強度, 降低土體的失水收縮特性, 這些影響主要是由于紅黏土中游離氧化鐵與土顆粒的相互作用引起的。土體是由大小不等的顆粒單元集聚而成, 碳酸鹽巖風化過程中, 除了硅鋁富集外, 還有鐵的富集生成氧化鐵, 這些鐵大多數(shù)來源于針鐵礦、赤鐵礦等造巖礦物。紅黏土中游離氧化鐵的顆粒極細, 容易與水反應生成氫氧化鐵膠體, 填充在黏土礦物絮凝結構的孔隙中[27]。最初的游離氧化鐵為無定形的溶膠態(tài), 具有較高的活性, 易隨環(huán)境變化而變化。在脫水老化結晶過程中嵌在黏土礦物孔隙間, 產(chǎn)生鍵合作用, 增加游離氧化鐵與黏土礦物間的膠結力(膠結本質是高嶺土與針鐵礦之間生成了氫鍵[28]), 使游離氧化鐵與黏土礦物形成穩(wěn)定的團聚體, 并且游離氧化鐵有一定量的正電荷， 也抵消了黏土礦物的部分負電荷, 最終導致黏粒熱力電位及動力電位降低、擴散層變薄, 進一步增強了黏土礦物自身的凝聚[29]。

研究顯示， 游離氧化鐵以3種形式作用于土顆粒中[30]: 1)以包膜的物理覆蓋形式把土顆粒包裹起來(簡稱包層形式)， 主要依靠分子引力、靜電引力等吸附作用力的形式膠結連結, 形成一個類似單粒的較大集粒凝塊體; 2)位于多個顆粒的交接部位, 以橋的形式把顆粒連結在一起, 形成集粒的形式為絮凝體、疊聚體和團粒體, 簡稱橋形式; 3)以單獨顆粒的形式充填在孔隙中, 只能起單獨的骨架作用。3種形式中以包層形式影響最大, 它形成凝塊結構, 是一種最強的結構連結方式。不同的賦存特征(如類型和粘結部位), 對土壤性質有不同影響。橋形式賦存能使黏土礦物晶片鏈接更為緊密, 包層形式賦存能使黏土聚集體整體性更強, 單個結晶粒子能填充于顆?？紫吨g。游離氧化鐵3種作用形式對紅黏土力學特性的影響是通過對其微觀結構的影響來實現(xiàn)的, 在宏觀上表現(xiàn)為提高土體結構性的膠結作用。

本試驗中紅黏土去除游離氧化鐵后, 膠結作用被破壞, 絮凝結構變得分散, 表現(xiàn)為黏土的物理力學特性隨之發(fā)生變化。因此, 去鐵后紅黏土表現(xiàn)出相對較低的抗剪強度和較高的收縮特性。此外, 在未去鐵紅黏土中, 三價鐵離子吸附于土顆粒表面, 降低了土體表面凈負電荷, 減小了紅黏土顆粒表面吸附性, 降低了持水性， 而去鐵后土體的持水性有所提升。

4 結 論

(1)由于游離氧化鐵去除減小了紅黏土顆粒表面鐵離子, 增大了紅黏土顆粒對水的表面吸附性, 導致去鐵后紅黏土的基質吸力和總吸力整體高于未除鐵紅黏土的基質吸力和總吸力。

(2)含水量的增加會導致基質吸力(包括毛細效應和物理吸附效應)的降低, 引起紅黏土(包括去鐵和未去鐵情況)強度降低; 游離氧化鐵去除會減小土顆粒間膠結效應, 導致了紅黏土的強度降低, 主要表現(xiàn)為有效黏聚力的降低。

(3)去除游離氧化鐵后紅黏土線縮率明顯增大, 并且干密度越小, 失水收縮能力越強, 主要是游離氧化鐵能膠結土顆粒, 使土體整體性增強, 提升了抵抗失水收縮變形的能力。

(4)游離氧化鐵以橋、包層或單個粒子形式作用于紅黏土中, 增強紅黏土結構性的膠結作用, 使紅黏土持水性降低、 抗剪強度提高、 收縮性減小。