富里酸對紅黏土液塑限的影響及其微觀機制

蔣為平，何木

（廣西壯族自治區桂林水文工程地質勘察院有限公司，廣西桂林 541002）

1 引言

紅黏土是碳酸鹽巖在濕熱氣候條件下經歷了一定紅土化作用而成的一種富含鐵、鋁氧化物膠結的黏性土[1-2]，在我國的廣西、貴州等地有著廣泛的分布，一般具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特點[3]。液塑限是黏性土重要物理性質指標，國內外許多學者對黏性土的液塑性進行了廣泛研究。

腐殖質是動植物殘體經微生物分解、轉化而形成的一種多呈棕黑色、親水、無定形、酸性的有機物質，廣泛分布于土壤中，主要成分為腐殖酸和富里酸。根據溶解性差異，腐殖質分為腐殖酸、富里酸和胡敏酸3 類。這些物質是一類有機高分子物質，具有弱酸性。學者對腐殖質對泥炭土強度、紅黏土水泥土、泥炭土強度的影響進行了研究。關于腐殖質對黏性土物理性質的影響研究鮮見報道，本文取富里酸粉末與紅黏土質量比不同的樣品分別和蒸餾水進行混合并浸泡，并對浸泡試樣進行液塑限試驗和礦物成分分析試驗，探討富里酸對桂林紅黏土液塑限的影響規律。

2 試驗方案

2.1 原材料

試驗所用紅黏土取自廣西桂林雁山鎮某工地，取樣深度為1～3m，土樣呈紅褐色，為硬塑～可塑狀態。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》，試驗室內測得原狀紅黏土天然含水率25%～31%，天然密度1.71 g/cm3，土樣顆粒相對密度2.71，液限51.2%，塑限22.7%，比表面積75.1 m2/g。采用篩分法和密度計法測得土樣經風干粉碎后土顆粒級配曲線，試驗結果如圖1 所示。

圖1 紅黏土顆粒分布曲線圖

由圖1 可知，d50=0.34 mm（d50為在粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質量的50%的粒徑），d90=1.8 mm（d90為在粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質量的90%的粒徑）。土樣礦物成分經X 射線衍射儀（X' Pert PRO Powder,PANalytical,Netherlands）測試結果如圖2 所示（θ 為衍射角）。

圖2 紅黏土XRD譜圖

從圖2 可知，紅黏土試樣的主要礦物成分以石英為主，黏土礦物主要為高嶺石、三水鋁石和伊利石。

試驗所用富里酸購自上海笛柏化學品技術有限公司，樣品為棕褐色粉末。試驗所用水均采用實驗室室內燒制的蒸餾水，經測試燒制的蒸餾水pH 為6.2～6.5。

2.2 試樣制備

前人研究表明，桂林紅黏土有機質含量為0%～8%。試驗方案設定富里酸粉末與紅黏土質量比（m富/m紅）分別為0%、2%、4%和6%。將現場取的紅黏土試樣經室內風干，捶碎過5 mm土壤篩，測定風干土樣含水率。分別稱量12 份風干紅黏土試樣，每份紅黏土質量800 g，按照前面設定的富里酸粉末與干紅黏土質量比，每個質量比分別稱量3 份質量相同的富里酸粉末，即共稱量12 份。然后將富里酸與風干紅黏土試樣充分混合后裝進玻璃杯，按2 倍紅黏土天然液限稱取蒸餾水，添加到混合物中并充分攪拌均勻，用保鮮薄膜封蓋玻璃杯口?；旌衔锝輹r間分別設定為7 d、14 d 和21 d，浸泡期間不定時攪拌混合物，以使紅黏土與富里酸溶液充分反應。達到浸泡時間設定點，將混合物取出，室內風干、捶碎，過0.5 mm 土壤篩。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》，稱量過0.5 mm 風干粉碎紅黏土試樣200 g，分成3 份，分別裝進3 個盛土皿中。按照含水率25%、30%和40%分別添加不同質量的蒸餾水，調成均勻土膏，放入密封的保濕缸保濕24 h，以備液塑限試驗用。

2.3 試驗過程

按照GB/T 50123—2019，液塑限測定試驗選用GYS-2 型液塑限測定儀進行。試驗過程如下：（1）將配備好的土樣用調土刀充分調拌均勻后，密實地填入盛樣杯中；（2）通過不斷壓實使土樣中的空氣逸出；（3）利用刮土刀將盛樣杯口土樣刮平，并將盛樣杯放在液塑限測定儀底座上；（4）取出測試用的圓錐體，安裝到液塑限測定儀上，并沿圓錐體錐尖表面涂上薄層凡士林，調節盛樣臺底座升降按鈕，使圓錐體尖剛好接觸土體表面；（5）開啟啟動按鈕，經5 s 后測定圓錐體下沉深度，取下盛樣杯，小心挖去錐尖附近處凡士林，取圓錐體附近土樣測定土體的含水率，并對部分取出的試樣采用液氮凍干法進行冷凍干燥，為礦物成分測試和掃描電鏡測試制樣。

3 試驗結果

根據試驗中測得的圓錐體入土深度和土樣含水率，以含水率為橫坐標，圓錐體入土深度為縱坐標，在雙對數坐標軸下繪制兩者關系曲線，得到土樣的液塑限指標值。富里酸含量和浸泡時間對土體液塑限影響如下。

3.1 富里酸含量對紅黏土液塑限影響

不同浸泡時間下，富里酸溶液對紅黏土液、塑限的影響曲線如圖3 所示。

圖3 富里酸含量對紅黏土液、塑限影響

由圖3 可知，不同浸泡時間下，不同含量的富里酸溶液均使紅黏土液、塑限均隨富里酸粉末與紅黏土質量比的增加而減小。當m富/m紅=6%時，浸泡14 d 后，液限降低最大，降幅約26.9%，富里酸溶液使紅黏土塑限隨m富/m紅增大先減小，后增大；當m富/m紅=4%時，浸泡14 d 和21 d 后，分別降低20.2%和28.8%，后逐漸增大；當m富/m紅=2%時，浸泡7 d 后，降幅約25.1%，然后塑限隨富里酸含量增大而增大。

3.2 浸泡時間對紅黏土液塑限影響

浸泡時間對紅黏土液、塑限影響規律如圖4 所示。

圖4 浸泡時間對紅黏土液、塑限影響

由圖4 可知，當m富/m紅=2%、4%和6%，浸泡14 d 時，液限降幅分別為22%、24.2%和28.1%；然后液限隨浸泡時間增加而增加。當m富/m紅=2%、6%時，塑限分別增加20%和9.7%，然后隨浸泡時間增加而減小。當m富/m紅=4%時，塑限隨浸泡時間增加而降低。

4 機理分析

土體液、塑限主要與黏土礦物成分和含量有關。黏土礦物一般粒徑小，比表面積大，土顆粒帶電荷多，易在土粒表面形成較厚的水膜，提高土體的液限、塑限。富里酸是有機酸高分子混合物，含有羧基、羥基等官能團，其水溶液呈弱酸性，能夠與土體中礦物發生化學反應。通過對浸泡前后紅黏土試樣進行X 射線衍射測試分析，所得衍射圖譜如圖5 所示。

由圖5 可知，原紅黏土主要礦物成分為石英、高嶺石、伊利石、三水鋁礦等。經過不同質量比的富里酸溶液浸泡后，高嶺石、伊利石、三水鋁石礦物衍射峰明顯減弱，表明這些礦物的含量減少。土樣液、塑限主要與這些黏土礦物含量有關，因此，液、塑限減小。當m富/m紅=4%時，高嶺石、伊利石和三水鋁石譜峰的譜線比m富/m紅=2%時弱，比m富/m紅=6%時強。因此，m富/m紅一定時，液限隨浸泡時間增加先減小后增加。

通過觀察土體經不同富里酸含量（0%、2%、4%和6%）浸泡14 d 后的掃描電鏡圖片可知，在沒有添加富里酸情況下，紅黏土試樣土顆粒多呈片狀結構，顆粒形狀清晰可見。土樣經不同含量富里酸浸泡后，其土顆粒骨架形貌變得比較模糊多樣化，土顆粒之間的接觸方式多為邊—面或面—面接觸形式，土體孔隙增多。這主要是由于土體中的高嶺石、伊利石、三水鋁石礦物等礦物被富里酸溶液溶解所致。這些礦物能夠吸水，提高土體的液限，因此，土體的液限降低。已有研究表明，富里酸在土顆粒表面的吸附隨pH 降低而增大。因此，介質pH 越低，富里酸對土體的吸附量越大，土體中的可溶礦物就會發生溶解，從而其液限降低，塑限升高；隨著浸泡時間的增加，多余的富里酸溶液會通過吸附作用吸附在土體骨架上和充填于空隙中，而富里酸溶液具有膠體特性，會吸附水，從而導致土體的液限升高。

5 結語

桂林紅黏土主要礦物成分為石英、高嶺石、伊利石、三水鋁石等。富里酸是一種有機酸，能夠溶解土體礦物，從而影響土體的液塑限。浸泡時間一定時，土體液限隨富里酸與紅黏土質量比（m富/m紅）增大而減??；塑限隨富里酸與紅黏土質量比先減小后增大。當富里酸與紅黏土質量比（m富/m紅）一定時，土體液限隨浸泡時間增加而減小后增大；塑限先增大后減小。