酸性物质对黄土压缩变形特性的影响

摘要

目前有关酸污染土壤的研究理论表明，酸可以改变土壤的物理性质，进而影响土壤的工程力学性质。然而，黄土最重要的力学特性之一的压缩性可能会受到酸性物质的影响。为了研究酸对黄土压缩特性的影响，本研究利用单轴压缩机研究了不同酸浓度和不同酸浸泡时间下黄土压缩特性的变化，试图从酸蚀黄土微观孔隙变化来预测宏观压缩性变化的原因。试验结果表明，在相同的浸泡时间下，盐酸浓度从0 mol/L增加到3.0 mol/L，压缩系数增大C_C压缩屈服应力增加43.20 ~ 87.5%σ_个人电脑减少51.36 - -60.86%;在盐酸浓度相同的情况下，浸泡时间从1天增加到12天，压缩系数增大C_C压缩屈服应力增加119.05 ~ 197.46%σ_个人电脑减少10.67 - -22.02%。将3.0 mol/L盐酸浸泡12天的黄土与原始黄土的显微图像进行比较。原始黄土的微孔、小孔、中孔和大孔占比分别为20.90%、79.10%、0%和0%。酸蚀黄土的微孔、小孔、中孔和大孔占比分别为6.24%、37.21%、1.14%和55.40%。酸蚀黄土压缩性能的提高是酸浓度与浸泡时间耦合作用的结果，宏观压缩性能的变化可能与酸蚀后微观大孔隙面积的增加有关。研究结果可为酸性污染土壤的力学性质研究提供参考。

1.介绍

黄土沉积物是风成堆积的产物，主要由细沙和粘土组成，富含碳酸钙[1]．黄土分布在亚洲、欧洲、南美洲和北美部分地区[2-5.]．它的面积有63.1万公里²中国黄土覆盖的土壤，以及疏松多孔黄土、垂直节理发育、水敏感性等特性使黄土工程研究变得复杂[6.]．同时，这些地区容易发生滑坡等一系列黄土自然灾害和次生灾害[7.-11]．黄土的性质表现出在外部力量的影响下,其中主要包括黄土的压缩和剪切强度,也就是说,黄土的变形和强度特征,是黄土的工程性质的一个重要组成部分,是稳定和相关工程建筑的安全使用。

黄土的压缩性是指其在压力作用下压缩变形体积减小的能力，这主要是由于外压作用下孔隙中的水和气体的挤压作用。黄土中的固体颗粒相互靠近，颗粒间的孔隙逐渐减小。

黄土的压缩性试验通常采用室内单轴压缩机进行。黄土的孔隙比之间的参数关系和压力是用来转换和描述黄土的压缩,从黄土和黄土CCC绘制在压缩试验(有条件现金转移支付),其中CCC通常有两个截然不同的地区,可以用两条直线近似(12那13]，一个是膨胀曲线（S1），另一个是处于处女压缩线（VCL）。两条曲线的交叉点，即CCC和S1称为压缩屈服应力，这也称为自然结构壤土的先前固结压力，其中SL表征了壤土的弹性和VCL表征壤土的可塑性[14那15]，通过计算VCL的斜率，可以得到压缩指数C_C，是等体积黄土可压缩性的重要指标。压缩指数越高，土壤的压缩性越强[16-19]．黄土土壤的可压缩水平由其自身的性质确定，包括其粒度组成，矿物成分，结构构型，含水量和密度。此外，它还受外部环境因素的管辖，例如外压力，加压率，动态载荷作用，酸性和碱性物质，以及温度。

随着城市化和产业化的增加，工厂企业生产的酸性和碱性废水改变了土壤的物理和力学性能[20.-22]．工业废水渗入土壤，造成严重污染。这种污染涉及土壤和污染物之间复杂的化学反应，从而改变不同环境下土壤的性质。在这些问题中，酸性污染导致了许多问题，如土壤的结构方面，膨胀的板和基础[23那24]．这些酸性污染物可能来自金属浸出、石油提炼、造纸工业和染料工厂。化学污染物渗入地下，可能导致地基变形，酸与黄土中的碳酸盐物质发生剧烈反应，产生盐、二氧化碳和水。黄土的化学性质主要由碳酸盐物质决定，酸性物质进入黄土后，黄土的物理力学性质会发生变化[25那26]．

在此研究中，我们研究了不同浓度的盐酸和不同浸没时间的酸在压缩室内黄土的压缩特性。此外，我们还利用扫描电镜研究了酸对黄土孔径的影响。

2.材料和方法

2.1。样品制备

黄土材料取自陕西省西安市临潼县某边坡趾部。这些样品呈黄褐色，垂直节理丰富，天然含水量低，均匀性好，压实程度高。黄土的基本物性试验结果见表1．根据GB/T 50123标准计算的土壤比重、自然密度、含水量分别为2.68、16.5 kN/m^3.，分别为17.6%。液体极限和塑料极限分别测定为ω_L.=31。3.% andω_P.分别= 19.4%。天然原状黄土样品均采用现场标准环形切割器制作，要求直径79.8 mm，高度20mm。对于野外环境下制备的原状黄土环刀样品，用保鲜膜封好，放入密封盒中，妥善保存，运到实验室。

在黄土样品上进行了以下测试：从取样部位取出的未受干扰的黄土环刀样品浸入盐酸溶液中，并模拟正常实验室条件下的酸污染的腐蚀样品。在酸溶液中浸泡之前，将样品包裹并编号。图中示出了样本设计和物理绘图的示意图1．在试样上下两侧分别粘贴具有中等渗透性的滤纸，并添加两块渗透性的石头。样品最外面用耐腐蚀的聚丙烯布包裹，用橡皮筋扎紧。目的是使浸渍过程中酸能均匀渗透到土样中，使土壤颗粒不会崩解流失。

处理后的样品是由等量蒸馏水和盐酸溶液组成的浸泡溶液，浓度为0.1、0.5、1、2和3 mol/L。浸泡时间分别为1、3、6、9、12天，共30个样品，如图所示1．用于制备盐酸浸渍溶液的容器是500mL的玻璃烧杯，并且对应于每个浓度的浸渍溶液的体积为200mL。

2．2．约束压缩试验(CCT)

本研究采用西安科技大学的单杠杆三缸高压里程表进行测试。所有机械试验的试验程序均遵循这些标准[27-29]．

采用快速压缩法对酸蚀样品进行压缩试验。然后，在CCT之前对他们进行称重。垂直压力正常,σ，分别施加50、100、200、300和400 kPa。每个应力施加60分钟，在每个加载间隔结束时读取位移(精度±0.01 mm)(无恢复)。压缩稳定性的标准是试样在2小时内的垂直位移小于0.002 mm。

当CCT完成时，将样品在105℃下在烘箱中干燥至少48小时，再次称重以确定水含量和堆积密度。从记录的位移，D.，孔隙比，E.，计算为 在哪里ρ_S.是粒子密度，ρ_D.是初始容重，和H_0.为黄土的初始高度。

由CCC表示的土壤的压缩行为在半对数图中表达，即作为应用应力对数之间的关系，σ，孔隙比，E.．当用E.−日志σ图，压实特性具有两个不同的区域，可以用两条线近似：膨胀（或再压缩）线（SL）和VCL。该近似表示弹性塑料模型。SL和VCL之间的交叉点被称为预压缩压力，σ_个人电脑．压缩曲线包含三个重要的土壤压缩特性:膨胀或再压缩指数、C^S.，压缩指数，C^C，预压应力，σ^个人电脑,在那里C^S.等于SL和C^C等于VCL的斜率。土壤压缩试验数据(σ那E.)安装在冈珀茨[30.格雷戈里等人提出的等式。[26]采用非线性最小二乘拟合: 在哪里一种那B.那C,ξ是可调参数，log是以10为底的对数函数。

预先压缩应力,σ_个人电脑，为压缩曲线最大曲率处的应力。注意，这将导致略低的值σ_个人电脑与使用Casagrande [31)方法。曲率函数,κ，由Gregory等人给出。[26]： 其中，方程的一阶导数和二阶导数(2)给出如下:

的最大κ和相应的σ(例如,σ在最大κ=σ_个人电脑)，然后用数值确定。

2．3．扫描电镜测试

为了研究黄土微观孔对酸的腐蚀特性，制备含有未受干扰黄土的样品和由3mol / L强盐酸12天腐蚀的另一种样品。将这些样品置于干燥烘箱中（将温度设定为105℃;时间为8小时），干燥完成。用刀子将样品仔细切割成直径为2cm的圆柱形样品，高度为2cm。为了增加样品的硬度并获得更好的扫描结果，将固化剂缓慢滴入样品中以固化并硬化样品。固化剂由环氧树脂，丙酮，乙二胺和邻苯二甲酸组成。在丁酯溶液（100：200：6：2）中，完全固化剂穿透样品，使其在室温下自然干燥48小时，以完全固化样品。抛光机用于研磨和抛光待扫描的表面。为了提高样品土的电导率，实施了铂（Pt）的离子溅射。图像集合是使用美国飞行公司制造的量码Feg扫描电子显微镜系统进行的。此后，使用公开的软件程序，即粒子（孔）和裂缝分析系统（PCA）进行图像处理[32那33]．

3.结果与讨论

3．1．约束压缩曲线(CCC)

酸蚀黄土受酸浓度和浸泡时间的影响;转换后的孔隙度E.和垂直载荷σ确定。进一步，半对数坐标曲线E.−日志σ，曲线为酸蚀黄土的CCC(图2)．

酸浸时间为1天(图2(一个))，即初始孔隙比E._0.不同酸浓度下样品的初始孔比不同，说明随着酸浓度的增加(0-3.0 mol/L)，初始孔比不同E._0.样品的增加，CCC的位置也表现出一定的规律性;酸浓度越高，CCC的位置越高。随着浸入时间的增加，对每种酸浓度的样品的CCC之间的距离也变宽。图中曲线之间的间距2 (e)明显比图中宽2 (b)．在相同的酸浓度下，随着浸泡时间的延长和曲线位置的升高，样品的CCC值逐渐增大，如图所示3.(f) -3.(j)。

3．2.压缩指数C_C

压缩指数的值C_C可以从CCC中的VCL斜率计算。我们认为样品CCC具有12天的浸泡时间和3 mol / L的酸浓度，为计算压缩指数的示例C_C值，如图所示3.．我们计算了斜率D.的VCL为−0.423，并考虑斜率的绝对值D.获取压缩索引的值C_C的样本。根据这种方法，得到压缩指数C_C值和压缩索引C_C依次计算依次计算剩余的样品组（盐酸浓度为0.1,0.5,1.0,2.0和3.0mol / L，浸渍时间为1,3,6,9和12天）。这些值列于表中2．

从表中可以看出2在酸溶液中浸泡1天的样品，随着酸溶液浓度从0.1 mol/L增加到3.0 mol/L，压缩指数下降C_C值从0.118增加到0.210;增加了，就是ΔC_C，为0.092，增幅为177.97%。对于浸渍12天的酸溶液，随着酸浓度从0.1 mol/L增加到3.0 mol/L，压缩指数下降C_C价值从0.351增加到0.460;增加，即ΔC_C，为0.109，增幅为131.05%。另一方面，将浓度为0.1 mol/L的样品浸泡在酸性溶液中，随着浸泡时间从1天增加到12天，压缩指数的值C_C从0.118增加到0.351;Δ的增加C_C为0.233，增幅为297.46%。最后，将样品在3.0 mol/L的酸浓度下浸泡。随着浸泡浓度从1天增加到12天，压缩指数的值C_C从0.210增加到0.460，增加了ΔC_C为0.250，增幅为219.05%。结果表明，随着浸渍时间的增加和酸浓度的增加，压缩指数下降C_C其中黄土逐渐增多。该值的增加可归因于酸浓度和浸泡时间的耦合。

为了表征酸浓度和浸泡时间对黄土试样压缩指数变化的影响，采用压缩指数C_C表中列出的值2线性拟合得到图中所示的结果4.，拟合方程见表3.．横轴为酸浓度，纵轴为压缩指数C_C．从图中可以看出，试样压缩指数之间的线性关系C_C与酸浓度呈正相关。酸浓度在0.1、0.5、1.0、2.0、3.0 mol/L范围内逐渐增大，相应的压缩指数值(C_C)亦呈正相关。方程的范围拟合R.²在0.811 - 0.952之间。横轴是浸入天数t，纵轴为压缩指数C_C．数据点的线性拟合结果如图所示5.．压缩指数之间的线性关系C_C样品的含量与浸泡时间呈显著正相关。拟合方程见表3.．浸泡时间从1、3、6、9、12天开始逐渐增加，相应的压缩指数值(C_C)也在积极关系中增加，而R.²拟合方程的范围为0.652 ~ 0.858。

3.3。压缩屈服应力σ_个人电脑

压屈服应力的值σ_个人电脑通常由膨胀线（SL）和CCC的交叉确定。如图所示6.，初始固结应力值P._C原状黄土的数值与此时相似。为了确定压缩屈服应力，首先确定水平渐近线和SL的角平分线;VCL和这个角平分线的交点是问：的横坐标问：是期望的压缩屈服应力的值。的值对应于这个拐点acid-corroded黄土被认为是一个转折点土样的弹性塑性,也被认为是土壤的失败点压缩结构,具有重要意义,acid-corroded黄土的压缩特性的研究。由于采用SL和CCC切线交点法来确定压屈服应力的方法在切线的选择上具有主观性，故选择两者之间线段的近似值是主观性的，因此仍存在一定的误差。本研究拟采用数学非线性拟合方法，其中方程参数(2)确定;然后，一阶导数和二阶导数(方程(3.） 和 （4.)，并结合曲率计算公式，得到压缩屈服应力值(5.))。

压缩屈服应力的值可以用表中所列的表达式计算4.．压屈服应力的取值范围为48.733 ~ 128.529 kPa。数据绘制为压缩屈服应力、浸泡时间和酸浓度的函数。如图所示7.，曲线的形状相似，但也有差异。压缩屈服应力值随酸浓度的增加而减小，随浸泡时间的增加曲线逐渐呈现减小趋势，说明试样的压缩屈服应力值由大到小。压缩屈服应力值随浸液时间和酸浓度的增加而减小。酸浓度越高，压缩黄土试件进行结构破坏所需的应力值越低，且酸浸泡时间的增加有助于减小这种效应。

3．4．SEM测试结果

原状黄土样品和强酸腐蚀样品(盐酸浓度3 mol/L，浸泡12天)在500倍扫描电镜下的图像如图所示8.和9.．如图所示8.，原状黄土中分布着大量石英颗粒。粒子以不规则多边形形式存在;颗粒表面相对平坦光滑，颗粒之间有不同大小的天然孔隙。酸腐蚀后的黄土样品(图9.），从图中有很大的腐蚀孔隙是显而易见的，并且存在一些散热孔。与未受干扰的黄土相比，孔隙数量显着增加。石英粒子表面有许多腐蚀孔和腐蚀坑;颗粒的尺寸很小，表面粗糙。

为了研究酸性物质对黄土孔隙特征的影响，在SEM测试后，利用PCAS图像处理软件对黄土样品的孔隙特征进行分析。导入样品的孔隙图像(图10（a）不受干扰的黄土和图10(d)酸蚀黄土)，对样品的孔隙图像进行二值化处理。白色区域代表孔隙，黑色区域代表颗粒。下面的正文描述了计算方法[34那35]．

至于岩石和土壤群体的微孔分类，学者采用了不同的分类标准。[36那37采用雷学者的分类方法对酸蚀黄土的孔隙进行了统计分类[38]．

根据半径和微孔度将土壤的孔分为以下四种类型（0 μm <R.≤1μM)，小气孔(1μm <R.≤4μM)，中等孔隙(4μm <R.≤16μM)，毛孔大(R.> 16μ米)。11提供原始壤土和酸蚀壤土不同尺寸孔隙数和面积比的分布关系，分别对应于直线和直方图。从孔隙数分布线形图上可以看出，酸蚀壤土的孔隙度曲线在原始壤土的上方，在微孔隙度(0-1)范围内μ米);酸蚀刻壤土的微孔的数量为149，原始壤土的微孔的数量为39，在小孔（1-4）的范围内，酸蚀刻黄土中的小孔隙的数量为307，原始黄土的小毛孔数量为49，中孔范围内的中孔数（4-16 μm），酸蚀刻黄土中的中孔数为1，原始黄土中的中孔数为0，大孔隙的大孔隙数量（> 16 μM)时，酸蚀黄土中大孔隙数为3，原始黄土中大孔隙数为0。从图中可以看出，酸溶液腐蚀后黄土试样中的孔隙数量显著增加;特别是微孔和小孔的数量增加较多(0-4μ米);酸性侵蚀的黄土中也存在3个较大孔径的孔隙，说明酸性物质与土壤之间存在相互作用;进一步，这也表明了化学腐蚀反应，使小的可溶性物质从黄土体中流出，从而形成大量的小孔隙。而且，这些小孔隙不仅存在，而且在颗粒之间形成了许多小孔隙。当颗粒表面产生越来越多的小孔时，在酸性溶液和自身重力的作用下，小孔间的孔壁逐渐消失;这就导致了小孔隙向大孔隙的转化，导致了小孔隙的明显溶解。

从各孔径孔径面积的直方图可以看出，原始黄土孔隙主要分布在微孔和小孔孔径范围内。此时，微孔隙面积占原始黄土孔隙总面积的20.90%;小孔隙面积占原始黄土孔隙总面积的79.10%。此外，酸蚀黄土孔隙分布在微孔、小孔、中孔和大孔中，其中小孔面积占37.21%，中孔面积占1.14%，大孔面积占55.41%。对于每一个孔径，孔面积比数据反映了孔隙小的原始黄土样品所占面积最大，而酸蚀黄土大孔隙面积所占面积最多，说明在酸性物质的作用下，大孔隙所占孔隙面积逐渐增大。酸性物质与黄土体发生反应，使原有的小孔隙逐渐扩大为大孔隙。在不同竖向荷载作用下，孔隙多的酸蚀黄土被压缩，大孔隙被压缩破坏，小孔隙逐渐收缩。

在这项研究中，我们研究了酸浓度和浸入时间对黄土的可压缩性的影响，酸可能影响黄土的机械性能。在0-3摩尔/升盐酸的范围内选择六个浓度，浸入时间为1至12天，并在1,3,6,9和12天中取出标本，以便被限制压缩测试。与原始黄土相比，酸蚀刻黄土的可压缩性增强，增强幅度与浸渍时间和酸浓度有关。

酸蚀黄土的宏观压缩力学性能可能与微观孔隙数和面积的变化有关，结果符合理想的期望。试验结果表明，在相同的浸泡时间下，盐酸浓度从0 mol/L增加到3.0 mol/L，压缩系数增大C_C压缩屈服应力增加43.20 ~ 87.5%σ_个人电脑减少51.36 - -60.86%;在盐酸浓度相同的情况下，浸泡时间从1天增加到12天，压缩系数增大C_C压缩屈服应力增加119.05 ~ 197.46%σ_个人电脑减少10.67 - -22.02%。将3.0 mol/L盐酸浸泡12天的黄土与原始黄土的显微图像进行比较。原始黄土的微孔、小孔、中孔和大孔占比分别为20.90%、79.10%、0%和0%。酸蚀黄土的面积比例分别为6.24%、37.21%、1.14%和55.40%。酸蚀黄土压缩性能的提高是酸浓度与浸泡时间耦合作用的结果，宏观压缩性能的变化可能与酸蚀后微观大孔隙面积的增加有关。

黄土中含有大量的盐和碳酸钙，当酸进入黄土中，就会与这些物质发生化学反应。酸浓度越大，浸渍时间越长，化学反应越充分，黄土中的盐类和碳酸钙溶解越多，黄土孔隙逐渐变大。在本研究中，土的压缩性在外荷载作用下增强，其增强程度可能与酸腐蚀程度有关。本研究仅通过微观扫描电子显微镜(SEM)来研究宏观压缩性的增强，下一步是研究酸对黄土化学成分的影响。研究结果可为酸性污染地区地基土的力学特性研究和工程施工提供参考，具有重要的理论和工程意义。

4.结论

通过模拟acid-contaminated黄土标本在室内试验、压缩试验的acid-contaminated标本进行调查的特征压缩曲线和压缩指数、压缩屈服应力,和其他指标的黄土的压缩特征两个因素的影响下,即酸浓度和酸浸泡时间的变化。此外，还获得了酸污染黄土和原始黄土样品的扫描电镜图像。从试验结果和数据分析结果可以得出以下结论:（1）初始孔隙率值E._0.酸腐蚀黄土的初始孔隙率随酸浓度的增加而增大，且酸浸泡时间越长，初始孔隙率越大E._0.．酸蚀刻黄土的CCC曲线具有相似的形态，酸浓度越大，浸渍时间越长，CCC的位置越高。（2）抗压指数C_C与酸浓度呈正相关。抗压指数C_C浸泡时间从1、3、6、9、12 d开始增加，与浸泡时间呈正相关。酸腐蚀黄土的压缩屈服应力随着酸浓度的增加和浸泡时间的延长而逐渐减小。酸蚀黄土压缩性能的增强是酸浓度增加与浸泡时间增加耦合作用的结果。(3）与原始黄土相比，酸蚀刻黄土的微孔数量和小孔隙增加，并且粒子之间不仅存在颗粒之间的孔，而且在颗粒表面上具有凹坑，甚至小孔，以及大侵蚀洞。这些孔和孔的外观可能与酸性侵蚀黄土压缩系数的增加和压缩屈服应力的降低有关，这可能是酸性侵蚀黄土压缩性增加的主要原因。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

该工作受到中国国家自然科学基金的财务支持（授予41602305和41572287）以及陕西省自然科学基础研究计划（2020JQ-745）。作者提供了他们的感激之情，并向为此工作做出贡献的同事。

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