碱性材料与红土坝料的互损劣化试验.pdf

第 34 卷 第 1 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.1 2012 年 .1 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Jan. 2012 碱性材料与红土坝料的互损劣化试验 杨华舒 1，魏 海1，杨宇璐2，李晋豫1，殷小林1 1. 昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650051；2. 南昌大学科学技术学院，江西 南昌 330029 摘 要水泥、石灰等碱性物质被大量用于加固土工结构，然而碱性材料已经给红土造成了长期的侵蚀。基于材料互 损的化学分析，设计了红土坝料的加速劣化浸泡，对比试验了水工指标，分析了渗水的离子浓度变化。检测证实碱 性物质降低了倍半氧化物的聚合力、消耗了红土的黏结成分、劣化了结构材料的颗粒级配。揭示了碱性加固材料与酸 性坝土的相互作用及接触带互损渗漏机制，提出材料互损是导致土坝重要指标逐渐劣化、细观渗流通道增加扩大、加 固效益太低的重要原因之一。 关键词岩土工程；化学反应物；红土；碱性材料；材料互损 中图分类号TU441 文献标识码A 文章编号1000–4548201201–0189–04 作者简介杨华舒1958– ，男，重庆人，教授，主要从事大坝的病险机理研究。E-mail yhs005914。 Deterioration reaction between alkali materials and laterite dams YANG Hua-shu1, WEI Hai1, YANG Yu-lu2, LI Jin-yu1, YIN Xiao-lin1 1. Kunming University of Science and Technology, Kunming 650051, China; 2. College of Science and Technology in Nanchang University, Nanchang 330029, China Abstract Alkali substances, such as cement and lime, have been largely used to reinforce soil structure. But the laterite has been chronically eroded by alkali materials. Based on the chemical analysis of mutual deterioration of the materials, accelerated life dip in calcium hydroxide is designed for the laterite. The hydraulic factors are compared and the ion concentrations of seepage are tested. The test results show that the alkali substances reduce the cohesion of sesquioxides, depletes the clay particles of the laterite, and leads to poor-gradation of soil. Mutual deterioration of alkali reinforcement materials and acidic laterite is released. The leakage mechanism of contact zone is found for the acid and alkali materials. It is helpful for the strengthening of laterite dams. Key words geotechnical engineering; reaction product; laterite; alkali material; interaction 0 引 言 国际大坝委员会（ICOLD）对世全界的溃坝灾难 进行了统计分析，认为渗流异常是土石坝的最主要病 害、是溃塌灾难的主要诱因。沿用至今的内部防渗体 加固技术，主要包括水泥–黏土灌浆、高压旋喷、混 凝土防渗墙等，而坝坡防滑加筋则大多混合石灰、水 泥等碱性材料。多年的工程实践证明，实施于红土类 大坝的上述加固或加筋措施，返修周期较短、长期效 益普遍较低。以云南大姚县龙林水库[1]为例2001 年 5 月大坝防渗加固完毕、当年汛期渗流检验合格；2003 年 7 月地震后随即发现比灌浆前更大的渗漏，并出现 流土险情，经安全鉴定为三类险坝。二百余万元的国 债资金只“加固”了这个小（一）型水库大坝 2 a，使 灌溉用水的成本评价剧增到无法接受的 3139 元/m3。 实验已经证明，弱酸性水比碱性水的去硅作用强 得多，故碱性材料将明显抑制坝土的后续红化；红土 坝料呈现弱酸性， 而上述加固或加筋材料则呈强碱性， 酸碱材料接合部的缓慢化学反应终将导致材料由表至 内逐渐发生质变。因此，从化学视角研究红土坝料与 碱性加固材料的相互作用、探析支撑水工指标的有效 成分变异渗出趋势，对于明确加固加筋后土坝的细观 渗流通道演变机制、对于防范渗透破坏和土坝溃塌灾 难都具有重要意义。 1 酸碱材料的互损机制 库水、 筑坝主料、 加固材料是大坝演变的三要素， 它们之间的相互化学作用和物理效应决定了大坝的寿 命。为了弄清筑坝红土与碱性加固加筋材料的相互破 ─────── 基金项目国家自然科学基金资助项目（50869003，51069003） ；云南 应用基础研究基金（2010ZC048） ；昆明理工大学精品课程项目 （10968137） 收稿日期2010–12–10 190 岩 土 工 程 学 报 2012 年 坏机理，必须讨论这 3 者的化学性质以及反应生成物 的水工指标。 1.1 水土化学环境与胶结效应 由于集中排放的生活污水、工业污水中含有较多 的钾（K） 、钠（Na） 、钙（Ca2） 、镁Mg2等碱金 属离子， 因此在城市附近的水域多呈碱性， 且与季节、 水温、水深关系较为明显，汛期、降温、深水层等条 件均可使 pH 值下降。但病险较为严重、亟待除险加 固的土石坝水库大多位于边远山区，这些地区的污染 物相对少而分散。红土区域内的径流水都呈弱酸性； 土坝由酸性红土填筑； 水库底部淤积的腐植土呈酸性， 发酵生成的有机酸、硫化氢等均酸性较强。在多个地 域的库水中均明显检出 32 4433 POSOClONO  ，，，等酸 根离子，红土山区水库的水质呈弱酸性、底层水的酸 性较高，且 pH 值仍在缓慢下降，如表 1 所示。 表 1 红土山区库水的酸度 Table 1 Water acidities of reservoirs in laterite mountainous areas 水库 名称 库水主要 酸根 检测间 隔/a 首次检 测pH值 再次检测 pH 值 冶矿基水库 2 4 SO  18 6.88 6.57 乍利坡水库 3 4 PO  16 6.77 6.48 王幺水库 3 4 PO  16 6.75 6.56 田龙覃水库 3 ClO 16 6.85 6.50 龙林水库 3 ClO 15 6.64 6.55 团坝水库 3 4 PO  13 6.84 6.53 红土的形成以去硅、富铁、铝化过程为基础，并 在南方漫长的湿热地质年代中混合了较多的生物腐殖 质。腐殖质是红土中结构复杂的高分子混合物，具有 明显的胶体性质，其长期演变产生的硫化氢及多种有 机酸是红土酸性化的重要原因之一。筑坝红土的全剖 面呈酸性，pH 为 5.0～5.5。 红土中的硅，主要以在成土过程中尚没有完全分 解为二氧化硅的硅酸根离子、各级硅酸氢根离子和二 氧化硅的形式共同存在。其中的无定形二氧化硅长期 演变而成的水合物即硅酸， H4SiO4 溶液能沉淀出具有 显著凝结功能的硅溶胶 mSiO2nH2O。无定形二氧 化硅易溶于碱，碱中可溶性硅酸可达 50～80[2]。 红土中比重较大的铝主要以两性氧化物 Al2O3的方式 存在，能与碱缓慢反应生成偏铝酸盐。坝基和坝体红 土中起着重要作用的的黏粒， 主要由高岭石、 伊利石、 蒙脱石等矿物构成。黏粒在常温下呈弱酸性（pH＝ 5.8～6.2） 、具有聚团效应，高温下则呈较强碱性、趋 于离散效应。 红土中水介质的 pH 值是促使黏土矿物与游离氧 化铁等倍半氧化物之间产生吸附作用的主要原因，一 般为 6～7。 胶体化学认为 当某种物质所处的介质 pH 值小于它的等电 pH 值时，该物质表面将带正电；当介 质 pH 值大于它的等电 pH 值时， 该物质表面带负电[3]。 黏土矿物的等电 pH 值为 2～5，小于红土中水介质的 pH 值； 而倍半氧化物的等电 pH 值为 7～8， 大于红土 中水介质的 pH 值。所以，土中的游离氧化铁、氧化 铝等表面带正电，黏土矿物表面带负电，静电引力的 作用促使它们相互吸引而紧密结合，这就是红土具有 水稳胶结效果的又一重要原因。 1.2 碱性材料与红土坝料互损 用于土坝的碱性加固原料种类较多，限于篇幅在 此仅讨论使用较多、具有典型意义的水泥和石灰。这 两种材料在水化后都生成大量的氢氧化钙，Ca 是比 Na 更活跃的碱金属， 因此 CaOH2比烧碱的碱性还要 强烈。化学分析表明氢氧化钙与酸性红土坝料的长期 缓慢互损主要体现在以下 4 个方面 （1）消耗土中的凝胶物质 二氧化硅是红土的主要成分。 根据地球化学理论， 无定形二氧化硅经过长期的地质年代后，部分转化为 硅溶胶mSiO2nH2O，成为红土工程强度（尤其是凝 聚力 C）的主要来源之一[4-5]。氢氧化钙能与无定形二 氧化硅、 硅溶胶中的 SiO2缓慢反应生成硅酸钙粉质沉 淀，并被压力渗水带出，从而使得两种材料结合部的 黏结性逐渐劣化SiO2＋CaOH2 CaSiO3＋H2O。 （2）生成可溶物和非黏性粉末 红土中含量较大的氧化铝属于两性氧化物，是红 土摩擦角的主要来源之一，CaOH2能与其生成溶于 水的偏铝酸钙Al2O3CaOH2＝Ca AlO22H2O； 此外，黏粒中的二氧化钛也能与强碱反应，生成的钛 酸钙微溶于水 TiO2＋CaOH2 CaTiO3＋H2O。 在库 水的压力下，偏铝酸钙和钛酸钙未及溶解的细微粉末 也逐渐被渗水从黏粒和坝土中带出，致使黏粒结构劣 化、坝土强度降低，并缓慢增大两种材料结合部的间 隙、形成细观渗水通道。 （3）局部增大红土中水介质的 pH 值 CaOH2属于强碱，虽然溶解度较低，但对其附 近水体 pH 值的增大作用也是显著的。在长期压力的 作用下，碱性水逐渐与红土颗粒中的水介质融和并增 大其 pH 值。 当水介质的 pH 值超过倍半氧化物的等电 pH 值后，红土中的游离氧化铁、氧化铝等均带负电， 从而与黏粒矿物同电性相排斥。这一结果必然导致碱 性加固材料附近红土的诸多工程指标劣化。 （4）酸性水土也侵蚀加固材料 在长期的有压多酸环境中，碱性加固加筋材料形 成的氢氧化钙、以及已经固化的碳酸钙、铝酸钙等终 将缓慢转变成易溶于水的氯酸钙 CaClO32、次氯酸钙 第 1 期 杨华舒，等. 碱性材料与红土坝料的互损劣化试验 191 表 2 红土坝料浸泡后的主要水工指标 Table 2 Main hydraulic factors of laterite after immersion 浸泡液中 CaOH2/gL -1 终期渗透系数 K/cms -1 0.2～0.3 压缩 /MPa -1 终 期 渗 余 土样比重 直剪内摩擦 角/ 直剪黏聚 力 c/kPa 塑性 指数IP 液性指 数 IL 渗蚀粉土 含量/ 黏粒含 量/ 0 2.1610 -5 0.18 2.65 47.3 37.3 21.9 0.39 1.8 51.0 10 9.1810 -5 0.26 2.63 47.2 30.2 20.3 0.47 3.9 44.0 30 2.5610 -4 0.31 2.60 47.0 23.9 18.9 0.52 5.6 39.0 60 5.1810 -4 0.35 2.57 46.6 21.8 17.8 0.55 6.8 35.0 90 7.7310 -4 0.37 2.55 46.0 20.4 16.6 0.57 7.2 33.0 130 9.0610 -4 0.39 2.54 45.8 19.3 15.8 0.58 7.3 33.0 CaClO2、 硝酸钙 CaNO32， 以及微溶于水或粉末状的 磷酸钙 Ca3PO42、硫酸鈣 CaSO4、亚硫酸鈣 CaSO3等 混合物，并在渗透压力的长期作用下被缓慢带出，致 使细观渗流通道逐渐增多，最终引发渗透破坏。 2 材料互损的试验 为了验证上述化学分析的正确性，设计了土工试 验、以对比红土坝料在劣化前后的主要工程指标；测 试了与土体的水工指标密切相关的特征离子变化、以 确认化学反应的生成物。弱酸性水土与碱性加固材料 之间的化学反应，需要若干年才能明显检出其产物。 为此依据寿命加速实验原理，分别用蒸馏水，以及浓 度为 10，30，60，90，130 g/L 的过饱和碱液浸泡红 土，采取“以浓度换时间”的手段进行试验。 2.1 主要水工指标的试验对比 碱性加固材料主要通过 CaOH2等强碱对筑坝红 土产生缓慢的长期劣化效应。鉴于江河湖库水中的硅、 铝已经饱和[6]，采用蒸馏水、以及蒸馏水的氢氧化钙过 饱和乳浊液，恒温浸泡红土坝料后进行试验对比。 多天重复试验的有效均值如表 2 所示。表中沿用 了常规界定①渗蚀粉土红土坝料中粒径为 0.05～ 0.005 mm、且塑性指数 IP≤10 容易被渗水带出部分； ②黏粒粒径＜0.005 mm 的红土细颗粒。 随着参加化学反应的 CaOH2增加，表 2 反映出 明显的规律 （1） 筑坝红土的渗透系数、 压缩系数、 液性指数、 渗蚀粉土含量随之增大，这证明酸碱反应导致了土中 的孔隙增加、含水率增大，土体软化、容易渗出的细 颗粒增多、细观渗流通道增多增大。 （2）随着浸泡液中 CaOH2增加、化学反应更加 充分而降低的渗余土样比重，内摩擦角，黏聚力 c， 塑性指数，黏粒含量等，表明了土体的细颗粒流失、 出现了细观架空、可塑性和承载能力下降、容许渗透 比降减少。 （3） 在渗流过程中出现的、 较多 CaOH2浸泡土 样的相对渗速先慢后快的现象，从工程侧面证实了碱 性材料使得筑坝红土中的细小粉土增多、被渗水带出 而逐渐形成细观管涌的事实。 上述试验与化学分析的结果一致。 2.2 渗出液的离子浓度对比 将前述试验中分别收集并编号的全程渗水按相关 测试规程处理后，定量检测其中铁、铝、钛的离子浓 度。 由于土样的浸泡液和渗透试验均以蒸馏水为基液， 故渗水中的硅酸根浓度也可定量检测。金属离子的测 试主仪器型号为 FIA-33M，硅酸根浓度采用硅钼黄法 检测。结果列于表 3。 表 3 土样渗出全液中的离子浓度 Table 3 Ion concentrations of all seepage in soil samples 浸土乳液 中 CaOH2 含量/gL -1 渗透全液 中 Fe 浓度 /mgL -1 渗透全液 中 Al 浓度 /mgL -1 渗透全液 中Ti浓度 /mgL -1 渗出液中 2 3 SiO  浓度 /mgL -1 0 49.3 63.9 1.1 5.6 10 48.9 110.5 2.1 17.3 30 49.1 126.9 2.6 25.6 60 49.6 151.6 3.3 33.3 90 48.4 218.6 4.3 36.9 130 49.4 339.6 5.6 39.3 分析表 3，可获如下结果 （1） 铁的氧化物不与碱性物质反应， 故渗出液中 铁离子的含量基本无变化。 （2） 红土中的 Al2O3与 CaOH2反应生成可溶于 水的 Ca AlO22 ，渗出液中检出的铝离子浓度与参与 反应的氢氧化钙量的关系密切、且检出量较大。黏粒 因较细而比表面积较大，作为其主要成分的氧化铝更 易参加化学反应，因此黏粒被劣化的比重显然较大、 黏粒解构较多。这意味着与碱性材料相接触的红土坝 料将缓慢出现沙质粉土化。 （3） 渗液中钛离子的测试浓度检出量不大但规律 明显，证明 CaOH2与 TiO2也发生了反应，但生成的 钛酸盐较少且溶解度很低。钛酸钙沉淀属于非黏性粉 末， 极易被渗水带出， 从而使坝土的密实度逐渐下降。 （4）硅酸钙在水中的溶解度很低。但表中 2 3 SiO  192 岩 土 工 程 学 报 2012 年 浓度检出的趋势表明，硅藻土、硅溶胶等非晶类 SiO2 已经与 CaOH2发生了反应，生成的硅酸钙粉质沉淀 被渗水带出，从而导致红土坝料的工程强度降低，并 在接触部位与碱性材料发生离析。 离子浓度测试与前述化学分析的结果一致。 3 研究结论 筑坝红土属于酸性物质。碱性加固或加筋材料必 然在与红土的接合邻域上形成碱性环境，从细至大、 从外至内逐渐侵蚀红土颗粒；相应的，已经凝结的碱 性物质也逐渐被酸性水土所消耗。 （1）碱性物质增大了红土中水介质的 pH 值， 致使邻域内的游离氧化铁、 氧化铝等均带负电，从而 与黏粒矿物同电性相斥，导致红土的工程强度下降。 （2） 碱性物质与筑坝红土的化学反应， 消耗了硅 溶胶、氧化铝等有效黏结成分，反应的生成物或溶于 水中、或沉淀为粉末，均逐渐被压力渗水带出土坝而 形成细观渗漏通道。 （3） 黏粒是红土水工指标中最主要的支撑物质。 坝料中黏粒的含量大（20％～65％） ，颗粒细（小于 5 μm） ，显酸性（等电 pH 值 2～5） ；黏粒的比表面 积大，其中两性氧化物（Al2O3等）含量大。因此， 黏粒较易与碱性物质发生化学反应而解构，压力和渗 流的联合作用使得土颗粒的包裹层、 胶结物缓慢溶蚀， 颗粒间的填充物逐渐渗出，致使堤坝的渗漏加剧。 （4） 红土高原山区水库的库水大多呈弱酸性， 且 酸性随水深逐渐增强。加固材料已经固化的碱性有效 成分也将遭受有压多酸水土环境的侵蚀，缓慢反应的 生成物溶于水或沉淀为粉末，逐渐被压力渗水带出堤 坝。 经寿命加速浸泡后的土工试验及离子检测均证 明碱性材料与红土坝料之间的缓慢长期互损是明显 的。化学反应消耗了红土借以维持水工指标的有效成 分、生成物被渗水带出，堤坝的孔隙逐渐增多增大、 逐年劣化了筑坝红土及红土坝基；化学反应还使得两 种材料结合部的亲和性逐渐劣化、缓慢增大了间隙、 形成细观渗水通道，最终引发渗透破坏。 此外，水泥相对于红土的脆性较大、适应变形的 能力差，传统灌浆形成的帷幕较薄较脆，因此稍强的 地震即会导致帷幕断裂。这对于颗粒级配和强度都已 经被碱筋料劣化的堤坝，无异于雪上加霜。 参考文献 [1] 杨华舒, 符必昌, 赵 固. 龙林水库大坝安全评价报告[R]. 昆明 云南省水利厅, 2003. YANG Hua-shu, FU Bi-chang, ZHAO Gu, et al. Dam safety uation for Longlin reservoir[R]. Kunming Yunnan Provincial Department of Water Conservancy, 2003. in Chinese [2] 吴 艳, 翟玉春, 牟文宁. 粉煤灰提铝渣中二氧化硅在高 浓度碱液中的溶解行为[J]. 中国有色金属学报, 2008, 18增刊 1 408–411. WU Yan, DI Yu-chun, MU Wen-ning. Dissolving behavior of SiO2 in residue of fly ash detached A12O3 in highly concentrated alkali solution[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18S1 408–411. in Chinese [3] 周训华, 廖义玲. 红黏土颗粒之间结构连结的胶体化学特 征[J]. 贵州工业大学学报（自然科学版）, 2004, 331 26 –29. ZHOU Xun-hua, LIAO Yi-ling. Collochemistry character of the structure connection among red clay mineral grain[J]. Journal of Guizhou University of Technology Natural Science Edition, 2004, 331 26–29. in Chinese [4] 赵伦山, 张本仁. 地球化学[M]. 北京 地质出版社, 1988. ZHAO Lun-shan, ZHANG Ben-ren. Geochemistry[M]. Beijing Geology Publishing Company, 1988. in Chinese [5] SAYAO A, MAIA P, NUNES A. Considerations on the shear strength behavior of weathered rockfill[C]// Proceedings of the International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Boston ISSMGE, 2005. [6] 符必昌, 黄 英. 试论碳酸盐岩上覆红土的形成模式及演 化趋势[J]. 地质科学, 2003, 381 128–136. FU Bi-chang HUANG Ying. An approach to ing and evolution of laterite overlying carbonate rocks[J]. Chinese Journal of Geology, 2003, 381 128–136. in Chinese