桂林地区广泛分布的红黏土是由碳酸盐岩类岩石，包括玄武岩、花岗岩等，在湿热气候下经风化后残积、坡积形成的褐红色、棕红色或黄褐色黏土^[1]，具有孔隙大，含水量高，液塑限高等特点，且结构性强，存在上硬下软的成层分布特征^[2]。

近年来，在项目建设过程中遇到的红黏土，其天然地基以及人工地基处理中屡次发生问题。问题主要集中在两个方面：一是天然地基表现出承载力较好，但局部变形较大，特别是在建筑物修建好以后有持续的沉降变形，导致墙体开裂；另外，由地基处理加固的红黏土复合地基，其加强体的强度呈现出不同程度的降低，而且在同一个建筑场地加强体强度降低的幅度也大不相同，导致复合地基的承载力远远达不到设计要求。由此耗费了大量的人力物力，不仅遭受了严重的经济损失，而且拖延了工期，造成了不良的社会影响^[3-6]。欧美等许多国家自20世纪70年代就已开始对土体污染进行研究和保护，主要侧重于对废弃物填埋场及污染土处理等方面的研究，并逐渐把电渗法和动电技术引入到污染土处理研究领域^[7-9]。国内学者从20世纪80年代中期开展了一系列研究。刘汉龙等^[10-11]、朱春鹏等^[12-13]在室内模拟自然条件下的酸碱污染土，通过酸碱污染土与未污染土对比后发现：污染后土体有机质含量减少，液塑限增大，孔隙比增大，压缩性增强，抗剪强度降低，工程性质恶化，随着酸碱浓度增加，土体性质变化越剧烈。顾展飞等^[14]以桂林红黏土为研究对象，对浸泡于不同浓度的HCl、NaOH、Fe(NO₃)₃和Al(NO₃)₃溶液中的试样进行固结实验；谌文武等^[15]通过无侧限抗压强度试验，研究了不同龄期条件下，不同SH固含量固化酸碱污染黄土的抗压强度特征，并对影响土体强度变化及SH加固效果的微观机制进行了分析；高彦斌等^[16]通过室内试验，研究了硫酸、盐酸和氢氧化钠污染重塑粉质黏土的现象、孔隙水离子成分以及土的塑性、压缩性和强度的变化规律。做了相关研究的学者还有孙重初^[17]、佰桐震等^[18]、Huang等^[19]、Mashalah等^[20]、Bell^[21]等。研究表明，酸、碱溶液使天然土的物理力学性质发生改变，但对于不同地区、不同土质，各种指标随着酸、碱浓度和养护时间的变化趋势也不同，即使在工程分类中属同类土亦如此。基于此，笔者围绕桂林岩溶区污染红黏土工程地质性质变化规律这一课题，选取具有代表性的桂林雁山地区红黏土作为试验土样，分别以盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)为污染源，人工制备酸、碱污染红黏土土样，对酸碱污染红黏土的力学性质开展试验研究。希望通过对酸碱污染红黏土力学性质的研究以及对力学性质弱化机理的分析对桂林地区的发展建设提供一些参考。

1 试验方案 1.1 试验材料的选取

1) 盐酸(HCl)：桂林地区地下水呈弱酸性^[22]。酸性试剂最常见的有盐酸和硫酸两种，为了更好地模拟自然条件下酸性溶液对桂林红黏土力学性质的影响，根据前人的研究^{[11-15, 18]}，试验选用初始浓度为36.5%的浓盐酸作为原材料。结合桂林地区的实际情况，选择配制质量分数为0(Y)、1%(a)、4%(b)、8%(c)的酸污染液。

2) 氢氧化钠(NaOH)：桂林地区碱污染红黏土的污染物成分极其复杂，主要来自农田药物喷洒、化肥使用、农蓄及生活污水等，如：化肥(尿素、铵态氮肥)、农药(钠盐制剂、钾盐制剂)和含有洗涤剂(洗衣粉、沐浴露)的生活污水，这些污染物易导致土体碱化，考虑碱化过程是指土壤吸收性复合体为钠离子饱和的过程，以及便于溶液的配制，本研究中选取常见且具有代表性的氢氧化钠(NaOH)作为污染物，含量纯度大于等于96%，其他含有杂质较多的成分为碳酸盐，含量约为1.5%。将氢氧化钠晶体配制成质量分数分别为0(Y)、4%(A)、8%(B)、12%(C)的NaOH溶液。

3) 试验土样：土样取自桂林雁山地区，取土深度1~2 m，主要由更新世残积土、残坡积土及冲洪积土组成并经后期湿热化作用改造形成的高塑性黏土，红黏土厚度为1~25 m，其下伏岩性为厚层灰岩。让土样在阳光下自然暴晒风干，风干后含水率约为2%~3%，用木槌敲碎并经过2 mm标准土壤筛过滤，放入密封塑料桶内备用。红黏土物理力学性质指标统计值如表 1所示。

1.2 试验方案

1) 固结试验分为2组：

① 相同养护时间，不同浓度HCl或NaOH污染对土的压缩模量的影响；

② 不同养护时间下同一浓度HCl或NaOH污染对土的压缩模量的影响。

2) 三轴试验(UU)分为2组：

① 相同养护时间，不同浓度HCl污染对土的抗剪强度指标的影响；

② 不同养护时间对同一浓度HCl污染土的抗剪强度指标的影响。

3) 直剪试验(快剪)分为2组：

① 相同养护时间，不同浓度NaOH污染对土的抗剪强度指标的影响；

② 不同养护时间对同一浓度NaOH污染土的抗剪强度指标的影响。

按照拟定的试验方案，参照《土工试验规程》(SL237-021-1999)操作，固结试验仪器选用南京土壤仪器厂生产的三联固结仪，先对HCl污染红黏土进行分析，再分析NaOH对红黏土的影响。由于学校实验室的局限性及养护试样的时效性，HCl、NaOH污染红黏土的抗剪强度指标分别通过三轴试验(UU)、直剪试验(快剪)获得，通过分析其抗剪强度指标变化程度的大小，分析HCl、NaOH对红黏土的腐蚀强度。三轴试验(UU)采用的是南京土壤仪器厂生产的应变控制式三轴仪，直剪试验(快剪)使用ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)。用制备好的不同酸、碱浓度，不同浸泡养护时间的红黏土试样，直接进行室内试验，同一条件下的试样都制备5个进行平行试验。获取酸、碱污染红黏土的压缩性指标与抗剪强度指标，探究不同浓度的酸、碱溶液，不同浸泡养护时间条件下红黏土力学性质的变化规律。

2 试验结果与分析 2.1 压缩模量的变化

污染红黏土的压缩特性通过标准固结试验得到。图 1为酸、碱污染红黏土的压缩模量随酸、碱浓度和养护时间的变化。η为不同浓度污染红黏土的压缩模量(b)与原状红黏土压缩模量(Y)之差占原状土压缩模量的百分比，即$\eta=\frac{b-Y}{Y} \times 100 \%$。

图 1表明，HCl污染红黏土曲线前段(HCl质量分数为0~1%)减小的程度最大，曲线后段(HCl质量分数为1%~8%)稳定减小；而NaOH污染红黏土曲线中段(NaOH质量分数为4%~8%)减小的程度最大，后段(NaOH质量分数为8%~12%)次之。可见，酸污染红黏土在酸浓度较低时反应较明显，而碱污染红黏土则在碱浓度较高时反应明显。

在养护时间相同的情况下，不同浓度酸、碱污染均使红黏土的压缩模量减小。以养护时间7 d为例，酸污染红黏土的压缩模量从HCl质量分数0处最大值3.700 MPa减小至8%处最小值1.790 MPa，减幅51.6%，且在HCl质量分数0~1%区间减幅为28.5%；同理，碱污染红黏土的压缩模量从NaOH质量分数0处最大值3.684 MPa减小至12%处最小值2.103 MPa，减幅42.9%，且在NaOH质量分数4%~8%区间减幅为31.9%。可见，HCl浸泡的土样压缩模量变化程度要显著于NaOH浸泡的土样，说明前者压缩性较高。

污染物浓度相同时，养护时间增加(7 d→14 d)使酸、碱污染红黏土的压缩模量进一步减小。如HCl质量分数为1%，养护时间为7，14 d时，酸污染红黏土的压缩模量分别为2.647，2.387 MPa，前后变化-7.0%；HCl质量分数为4%、8%，随着养护时间由7 d增至14 d，酸污染红黏土的压缩模量前后变化分别为-3.4%、-3.5%。而对于碱污染红黏土，当NaOH质量分数为4%，养护时间为7，14 d时，酸污染红黏土的压缩模量分别为3.591，3.301 MPa，前后变化-7.8%；同样，NaOH质量分数为8%、12%，随着养护时间由7 d增至14 d，碱污染红黏土的压缩模量前后变化分别为-5.4%、-13.0%。可见，随着养护时间增加，酸碱污染红黏土的压缩模量均呈现减小的趋势，HCl质量分数为1%时，酸污染红黏土的压缩模量随着养护时间的增加而减小的幅度最大，而NaOH质量分数为12%时，碱污染红黏土的压缩模量随着养护时间增加的减小幅度最大，与前面得出结论相同，HCl与红黏土在酸浓度较低时反应较明显，而NaOH与红黏土则在碱浓度较高时反应明显。

2.2 抗剪强度指标的变化

本次试验对酸污染红黏土采取三轴剪切试验，碱污染红黏土采取直剪试验以确定污染土的抗剪强度指标^[23-24]，其三轴剪切试样与直剪试样均符合常规破坏形式(详见图 2)。

酸、碱污染红黏土在不同浓度、不同养护时间的抗剪强度指标(黏聚力c、内摩擦角φ)试验结果见图 3~4。

在养护时间相同的情况下，随着HCl、NaOH浓度的增加，酸、碱污染红黏土的黏聚力逐渐减小(图 3(a)、图 4(a))，酸、碱污染红黏土的内摩擦角逐渐减小(图 3(b)、图 4(b))。黏聚力和内摩擦角的变化率η₁和η₂定义为原状土黏聚力c₀和内摩擦角φ₀分别与污染土的黏聚力c和内摩擦角φ的差除以原状土的黏聚力c₀或内摩擦角φ₀的百分比，即$\eta_{1}=\left|\frac{c_{0}-c}{c_{0}}\right| \times 100 \%$，$\eta_{2}=\left|\frac{\varphi_{0}-\varphi}{\varphi_{0}}\right| \times 100 \%$。以养护14 d为例，HCl质量分数为0浸泡的红黏土的黏聚力为16.31 kPa，随着HCl质量分数增加，黏聚力值下降，其最大值与最小值6.42 kPa分别出现在0和8%处，两者相差60.6%。同样地，随着NaOH质量分数增加，黏聚力最大值16.20 kPa和最小值6.52 kPa分别出现在0和12%处，两者相差59.8%。可见，经HCl浸泡红黏土的黏聚力减小幅度略大于NaOH浸泡土，且随着浓度增大，其变化的幅度也增大。HCl质量分数为0时，红黏土的内摩擦角为26.15°，随着HCl质量分数增加，数值稳定减少，最大峰值和最小值19.95°分别出现在0和8%处，前后变化程度为23.7%；对于NaOH浸泡的红黏土，随着NaOH质量分数增加，其内摩擦角减小的幅度不均匀，质量分数在0~4%和8%~12%污染下红黏土的内摩擦角减小的幅度大于质量分数在4%~8%区间的变化，最大值26.21°和最小值18.26°分别出现在0和12%处，前后变化幅度30.3%，与黏聚力相反，经NaOH浸泡的红黏土的内摩擦角的变化幅度大于经HCl浸泡的红黏土。

对于酸(HCl)污染红黏土，随着养护时间增加(7 d→14 d)，当HCl质量分数为1%、4%、8%时，黏聚力进一步减小的幅度分别为-5.0%、-3.7%、+0.8%，内摩擦角进一步减小的幅值分别为+0.6%、-2.5%、-3.2%。HCl质量分数为1%、4%时，黏聚力随养护时间增加而减小，但在HCl质量分数为8%时出现小幅增大的波动(6.29 kPa→6.42 kPa)；HCl质量分数为4%、8%时，对应的内摩擦角随养护时间增加而减小，但在HCl质量分数为1%时出现小幅增大的波动(24.08°→24.25°)。对于碱(NaOH)污染红黏土，随着养护时间从7 d增加到14 d，黏聚力与内摩擦角均减小，当NaOH质量分数为4%、8%、12%时，黏聚力进一步减小的幅值分别为-11.8%、-11.7%、-13.7%，内摩擦角进一步减小的幅值分别为-3.0%、-3.0%、-6.5%。由以上数据的整体变化趋势可知，随着养护时间增加，酸(HCl)污染红黏土抗剪强度指标的变化幅值均小于碱(NaOH)污染红黏土。对于酸(HCl)污染红黏土抗剪强度指标出现小幅异常的主要原因有两个方面：一是经密封放置的酸污染土样没有达到完全密封而导致溶液水分散失；其次是酸与土样作用时间过长而没有及时进行试验致使污染土样凝固硬化作用减弱。这两方面对试验结果都会有一定的影响。。

3 酸、碱污染红黏土力学效应弱化机理

桂林红黏土的主要化学成分是SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃，且含量较高，一般可达到25%~35%^[25-26]，是土中主要的胶结物质。SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃在酸碱溶液中均会发生反应。

当红黏土被酸污染后(以HCl为例)，随着酸含量增加，Fe₂O₃、Al₂O₃与酸溶液发生化学反应的机会大大增加(图 5(b))。反应如下：

$ \begin{array}{l}{\mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}+6 \mathrm{HCl} \rightarrow 2 \mathrm{FeCl}_{3}+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}}, \\ {\mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3}+6 \mathrm{HCl} \rightarrow 2 \mathrm{AlCl}_{3}+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}}。\end{array} $

新生成的FeCl₃和AlCl₃溶解于溶液中，通过扩散作用流动到土体之外。因此酸污染土中的氧化铁、氧化铝的含量远低于原状红黏土，使酸污染红黏土的固相成分减少，力学性质弱化。

同时，SiO₂与水溶液发生水解平衡，反应式如下：

$ \mathrm{SiO}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \leftrightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{SiO}_{3} \leftrightarrow \mathrm{SiO}_{3}^{2-}+2 \mathrm{H}^{+}。$

水解作用是一个双向可逆的过程，当溶液中H⁺含量较少时，化学反应式正向进行，SiO₂通过解离作用生成SiO₃^2－和H⁺；盐酸溶液加入后，随着H⁺含量的增加，反应式逆向进行，SiO₂的含量有所增加。由于游离SiO₂含量增加，原有已经聚集结块的土体进一步细碎化，团粒结构被驱散，黏粒含量增多(图 5c)，使污染红黏土的压缩性增加、力学特性进一步弱化。

另外，桂林地区红黏土是由碳酸盐岩长期风化作用所形成，其中含有大量的CaCO₃和MgCO₃，当红黏土被污染后，由于H⁺离子增加，CaCO₃和MgCO₃也会溶解在盐酸溶液中，产生Ca²⁺和Mg²⁺离子，新生成的离子又会与盐酸溶液发生离子交换反应(图 5(d))。具体反应式如下：

$ \begin{array}{c}{\mathrm{CaCO}_{3}+\mathrm{H}^{+} \rightarrow \mathrm{Ca}^{2+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-}} , \\ {\mathrm{MgCO}_{3}+\mathrm{H}^{+} \rightarrow \mathrm{Mg}^{2+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-}}, \\ {\mathrm{HCO}_{3}^{-}+\mathrm{H}^{+} \rightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\mathrm{CO}_{2}}。\end{array} $

可溶盐的溶解和离子交换反应使污染红黏土中固相物质减少，土体的密实程度和强度均下降，力学效应弱化。

在碱性溶液中(以NaOH为例)，碱与土作用的4个阶段是引起红黏土力学性质发生变化的主要原因，其相互作用引起了红黏土颗粒的变化，使红黏土原本稳定的结构状态发生改变。图 6(a)为未被污染的红黏土结构示意，由于未被污染，游离氧化物(主要为SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃)包裹在粘土矿物表面或充填在粘土矿物集合体间隙，起到结构连结作用。在前期水解作用中，NaOH溶解于水后离解为Na⁺和OH^-，Na⁺和OH^-同时侵入土体。红黏土受NaOH污染的初期(图 6(b))，随着碱溶液持续侵入，前期水解作用电离出的OH^-与红黏土中的SiO₂和Al₂O₃反应生成SiO₃^2-和AlO₂^-，SiO₃^2-和AlO₂^-与Na⁺反应生成化学性质不稳定、易溶于水的Na₂SiO₃、NaAlO₂，Na₂SiO₃、NaAlO₂在水中发生水解，原本的化学结构遭到破坏，土颗粒间原本起到胶结作用的物质被消耗，使得红黏土原本的结构发生破坏，碱溶液浓度越大造成的破坏性越大，导致土体的抗变形能力持续减弱，抗剪强度不断降低。反应式如下：

$ \begin{array}{l}{\mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3}+2 \mathrm{NaOH}==2 \mathrm{NaAlO}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+}+2 \mathrm{AlO}_{2}^{-}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}} , \\ {\mathrm{SiO}_{2}+2 \mathrm{NaOH}==\mathrm{Na}_{2} \mathrm{SiO}_{3}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+}+\mathrm{Si} \mathrm{O}_{3}^{2-}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}}。\end{array} $

图 6(c)为污染红黏土的中期胶结作用结构示意。随着碱溶液侵入土体的时间增长，红黏土和碱溶液充分反应，NaOH与红黏土中的胶结物质SiO₂和晶体物质Al₂O₃发生反应，分别形成具有黏聚性物质Na₂SiO₃和NaAlO₂，由于Na₂SiO₃化学性质不太稳定，易吸潮，易溶于水，在溶液中易与H₂O、CO₂发生反应，生成H₂SiO₃和Na₂CO₃，其中H₂SiO₃为胶体，Na₂CO₃为晶体；同理，NaAlO₂在水中发生水解，生成Al(OH)₃(絮状沉淀物)。图 6(d)为污染红黏土的后期溶解作用结构示意。新生成的胶体物质性质不稳定，极易溶于水，使土颗粒间的胶结能力变差，从而导致受到碱污染的红黏土压缩性增强。反应式如下：

$ \begin{array}{l} {\rm{N}}{{\rm{a}}_2}{\rm{Si}}{{\rm{O}}_3} + {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} + 3{{\rm{H}}_2}{\rm{O}} = = {{\rm{H}}_2}{\rm{Si}}{{\rm{O}}_3}\left( 胶体 \right) + {\rm{N}}{{\rm{a}}_2}{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}, \\ {\rm{NaAl}}{{\rm{O}}_2} + {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} = = 2{\rm{Al}}{({\rm{OH}})_3}\left( 胶体 \right) + {\rm{N}}{{\rm{a}}_2}{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}, \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{N}}{{\rm{a}}_2}{\rm{C}}{{\rm{O}}_3} \to 2{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{CO}}_3^{2 - }, \\ \;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{N}}{{\rm{a}}_2}{\rm{C}}{{\rm{O}}_3} + 2{{\rm{H}}_2}{\rm{O}} = = 2{\rm{NaOH}} + {{\rm{H}}_2}{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}, \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{Al}}{({\rm{OH}})_3}\left( 胶体 \right) + {\rm{O}}{{\rm{H}}^ - } \to {\rm{AlO}}_2^ - + 2{{\rm{H}}_2}{\rm{O。}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{{\rm{H}}_2}{\rm{Si}}{{\rm{O}}_3}\left( {\rm{胶体}} \right) = = {\rm{Si}}{{\rm{O}}_2} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \end{array} $

对比酸碱污染红黏土力学效应弱化机理：在侵蚀初期(图 5(b)、图 6(b))，酸污染土中随着HCl增加，土中Fe₂O₃、Al₂O₃被消耗，固相成分较少，而碱污染土中SiO₂、Al₂O₃与NaOH反应被消耗，胶结物减少，两者土中的氧化物在前期均被消耗；侵蚀中期(图 5(c)、图 6(c))，在酸污染土中，HCl进一步增多使SiO₂的含量有所增加，团粒结构被驱散，黏粒含量增多，在碱污染土中，由前期反应生成的Na₂SiO₃和NaAlO₂与H₂O、CO₂发生反应，生成H₂SiO₃和Al(OH)₃絮状沉淀物，前者土中氧化物SiO₂增多，土体细碎化，后者重新生成絮状沉淀物，土颗粒间胶结；在侵蚀后期(图 5(d)、图 6(d))，酸污染土中CaCO₃和MgCO₃溶解并发生离子交换作用，使土中固相物质进一步减少，而碱污染土中，新生成的絮状沉淀物溶于水被消耗，使土颗粒间的胶结能力变差，两者都会导致土体进一步细碎化，团粒结构被驱散。

4 结论

1) 红黏土在HCl和NaOH溶液中浸泡后，随着HCl和NaOH的质量分数及养护时间增加，其压缩模量、黏聚力和内摩擦角均减小。酸污染红黏土的压缩模量、黏聚力和内摩擦角在HCl质量分数为0~1%段减小的幅度最大；碱污染红黏土的压缩模量在NaOH质量分数为4%~8%段减小的幅度最大，其黏聚力与内摩擦角在NaOH质量分数为0%~4%和8%~12%段减小的幅度较明显。说明酸污染红黏土在酸浓度较低时对弱化红黏土力学性质影响大，而碱污染红黏土在碱浓度较高时对弱化红黏土力学性质影响大。

2) 比较HCl和NaOH对土样的压缩模量、黏聚力和内摩擦角的影响发现，在相同养护时间下，HCl对压缩模量和黏聚力的影响强于NaOH，内摩擦角反之。随着养护时间增加(7 d→14 d)，经HCl浸泡的红黏土黏聚力和内摩擦角的变化程度小于NaOH浸泡的红黏土，压缩模量反之。

3) 由于桂林地区原状红黏土含有氧化物、盐类及起胶结作用的矿物质，当红黏土被酸污染后，红黏土中倍半氧化物Fe₂O₃和Al₂O₃减少、SiO₂含量增加、CaCO₃和MgCO₃溶解及离子交换，都直接影响酸污染红黏土的物理力学性质，致使酸污染红黏土力学性质弱化；碱污染红黏土由于碱与土相互作用水解电离出的OH^-与红黏土中起胶结作用的矿物质(SiO₂、Al₂O₃)发生系列物理化学反应，使污染红黏土的土颗粒间的胶结物被溶解后又重新生成絮状物，导致土颗粒间的胶结力减小，土体原本稳定的结构状态发生改变，变形能力增强，抗剪强度减小。酸、碱与红黏土相互作用、矿物质溶解、离子交换、土颗粒变小以及颗粒间胶结力变差等都是导致桂林地区污染红黏土力学效应弱化的根本原因。