pH值对湿陷性黄土物理力学性能及微观结构的影响.pdf
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1、文章编号:1007-2993(2024)02-0233-05pH 值对湿陷性黄土物理力学性能值对湿陷性黄土物理力学性能及微观结构的影响及微观结构的影响郝俊峰1冯飞鸿1王涛1谷孟辉2(1.中铁七局集团第三工程有限公司,陕西西安710032;2.华北水利水电大学,河南郑州450045)【摘要】酸碱污染严重影响岩土工程长期稳定性。利用无侧限抗压强度、湿陷性试验、抗剪强度试验,研究不同 pH 值对黄土物理力学性能的影响,并采用 XRD、SEM 进一步探究不同 pH 值对黄土的影响机理。试验结果表明,与对照组相比(pH=7),pH 值降低导致矿物成分衍射峰强度明显下降,且 pH=3 与 pH=5 中孔与
2、大孔分别占比 93.3%、89.9%,进而使无侧限抗压强度、湿陷性、抗剪强度下降。随 pH 值增加,在碱性环境中会生成大量胶凝物质,矿物成分衍射峰强度提高,与 pH=7 相比,pH=9 与pH=11 微孔与小孔分别增加 25.0%、59.96%,使黄土物理力学性能得到提升。酸污染会降低黄土物理力学性能,而碱污染可提高黄土物理力学性能,可为黄土地区酸碱污染防治提供参考依据。【关键词】pH 值;黄土;无侧限抗压强度;湿陷系数;抗剪强度;XRD;SEM【中图分类号】TU411 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.017Effect of pH o
3、n Physical and Mechanical Properties and Microstructure ofCollapsible LoessHao Junfeng1Feng Feihong1Wang Tao1Gu Menghui2(1.The Third Engineering Co.,Ltd of China Railway Seventh Group,Xian 710032,Shaanxi,China;2.North China University of Wa-ter Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,Henan,Chi
4、na)【Abstract】Acid-base pollution seriously affects the long-term stability of geotechnical engineering.Unconfined compressivestrength,collapsibility test,and shear strength test were used to study the effect of different pH values on the physical and mechanicalproperties of loess.XRD and SEM were us
5、ed to further explore the mechanism of the effect of different pH values on loess.The testresults showed that compared with the control group(pH=7),the decrease in pH led to a significant decrease in the intensity of the dif-fraction peaks of the mineral components,and the proportion of medium and l
6、arge pores in pH=3 and pH=5 was 93.3%and 89.9%re-spectively,which in turn led to a decrease in the unconfined compressive strength,collapsibility,and shear strength.With the increaseof pH,a large amount of gelling material is generated in the alkaline environment and the intensity of the diffraction
7、 peak of mineralcomposition increases.Compared with pH=7,the micropores and small pores of pH=9 and pH=11 increase by 25.0%and 59.96%re-spectively,which improves the physical and mechanical properties of the loess.Acid pollution will reduce the physical and mechanicalproperties of loess,but alkali p
8、ollution can improve the physical and mechanical properties of loess,which can provide a referencebasis for the prevention and control of acid and alkali pollution in loess areas.【Key words】pH;loess;unconfined compressive strength;coefficient of collapsibility;shear strength;XRD;SEM 0 引言我国“一带一路”倡议和“
9、西部大开发”战略的不断向前推进,高速铁路、渠坝、机场等基础设施建设项目在西北黄土高原地区相继落户。但由于天然黄土具有疏松多孔、纵向节理发育、颗粒胶结弱、孔隙率大、水敏性强、压缩性大和承载能力低等不良性质1,易导致黄土受水浸润及外力荷载作用下发生显著的体积变化和强度损失,经常引起地基不均匀沉降、边坡失稳等重大工程问题,严重制约基础建设的使用寿命和服务性能2-3。目前针对湿陷性黄土相关研究 作者简介:郝俊峰,男,1977 年生,汉族,陕西咸阳人,大学本科,高级工程师,研究方向为土木工程施工与管理。E-mail:tougao_ 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4
10、月Geotechnical Engineering TechniqueApr,2024主要从矿物组成、孔隙率、孔径分布、天然含水量、基质吸力、气候条件等进一步探究影响湿陷性黄土的内在机理4-9。研究表明,导致黄土产生不良特性的主要原因是颗粒胶结弱、土骨架强度低等。但目前较少研究不同 pH 值对湿陷性黄土的影响。随着城市化和工业化进程的加快,工厂产生的酸性或碱性废水、人为污染物、石油泄漏等都有可能对湿陷性黄土造成一定影响,特别是矿石冶炼厂、燃煤发电厂等废弃物是黄土酸碱度增加的主要来源,会进一步改变土内部结构及物理力学性质。已有研究表明,不同酸碱度(pH)会对土微观结构及物理力学性能有一定影响。潘
11、泰等10研究不同 pH 值对红黏土抗剪强度的影响,结果表明强酸或强碱会导致抗剪强度、内摩擦角等参数下降,且强碱会进一步破坏红黏土颗粒连接。Hideo11探究不同 pH 值对日本 Maji 土的硬化机理的影响,结果表明,强碱会提高土的无侧限抗压强度。Altin 等12通过配置不同 pH 值的黏土,进一步研究 pH 值对孔结构的影响,结果表明 pH 值达到9 时孔面积及孔径达到最大。上述研究表明,不同 pH 值对土的微观结构及物理力学性能有一定影响,强酸或强碱会影响颗粒间胶结(取决于土的矿物成分)13,影响土的物理力学性能,而黄土不良特性主要原因是颗粒间胶结弱所引起的。因此,研究不同 pH 值对黄
12、土物理力学性能的影响具有实际意义。为进一步研究不同 pH 值对黄土内部结构及物理力学性能的影响,本研究通过配置不同pH 值的黄土,利用无侧限抗压强度、湿陷性试验、抗剪强度探究 pH 值对黄土物理力学性能的影响,并结合 XRD、SEM 研究不同 pH 值对黄土矿物成分衍射峰强度及内部结构的影响。研究结果可为酸碱污染地区黄土物理力学性能研究和工程建设提供参考。1 试验 1.1 试验材料本研究所使用的黄土来源于陕西省榆林市,土体呈黄褐色,取土深度为 2 m,伴随少量草根。按照 土工试验方法标准(GB/T 501232019)14对黄土基本物理指标检测,并利用 XRD 测试黄土化学成分,结果如表 1、
13、表 2 所示。表 1 黄土的基本物性指标干密度/(gcm3)天然含水量/%土粒比重液限/%塑限/%塑性指数湿陷系数1.274.72.5323.19.413.70.152 盐酸溶液选自湖北鸿鑫瑞宇精细化工有限公司,浓度为 0.1 mol/L。氢氧化钠选自沧州琳达化工产品有限公司,无色透明晶体,密度为 2130 kg/m3,分子量为 40。表 2 黄土的化学成分化学成分SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOK2ONa2O含量/%50.4211.2910.344.652.312.191.46 1.2 试样制备将盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)制备成不同pH 值(pH=3、5、9、11)的缓冲溶
14、液,选用 pH=7 的蒸馏水(室温 25)为对照组。将试验所用黄土粉碎后,在 105 条件下烘干 8 h,使用配置好的不同 pH 缓冲溶液以喷洒法均匀浸润黄土,搅拌均匀后,并使用保鲜膜密封 24 h,保证缓冲溶液均匀分布在土体各部。密封后按照最大干密度(1.84 g/cm3)制备用于无侧限抗压强度等试验的重塑黄土,并置于恒温恒湿条件下养护 7 d、14 d 后进行相关测试。1.3 试验方法使用 SLB-1 型三轴剪切试验仪进行无侧限抗压强度试验,升降速率为 1 mm/min。湿陷性试验使用WG(GDG)高压固结仪。抗剪强度试验使用 ZJ 型应变控制式直剪仪,在 100 kPa、200 kPa、
15、300 kPa、400 kPa 垂直压力下进行直剪试验,剪切速率为0.8 mm/min。使用 D8 DISCOVER 型 XRD 对养护周期 14 d的黄土进行扫描,仪器配备垂直测角仪,2 角度范围在110168区间,角度精度 0.0001,测角仪200 mm。微观测试使用美国 MLA-650 扫描电镜(最大电压为 30kV,最大放大倍数为 30 万次,最大分辨率为5 nm)对养护周期 14 d 的黄土进行扫描,使用开源图像分析工具 ImageJ 对获得的 SEM 图像进行预处理和分析,采用二进制(黑色为 0,白色为 1)来区分孔隙和土颗粒,并利用 ImageJ 软件分析黄土颗粒孔隙直径变化。
16、2 结果与讨论 2.1 无侧限抗压强度图 1 为不同养护周期及 pH 值条件下的重塑黄土无侧限抗压强度变化曲线。无论养护周期为 7 d还是 14 d,随着 pH 值的不断增加,黄土无侧限抗压强度也随之提高,相同 pH 值下,养护周期 14 d 较7 d 黄土无侧限抗压强度提高的更多。与对照组相比(pH=7),不同养护周期下 pH7 时,黄土无侧限抗234岩土工程技术2024 年第 2 期压强度下降幅度较大,主要原因为 pH7 时,碱性环境下黄土无侧限抗压强度呈上升趋势,但上升幅度较小,一方面由于 NaOH 会与黄土中的 Ca2+进行离子交换生成 Ca(OH)2,并与空气中 CO2接触后形成 C
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