学术前沿 | Soil and Tillage Research 完整黄土在酸碱溶液作用下的微观结构特征及其宏观力学性能

学术   2024-10-27 08:01   陕西  

当暴露于化学品中时,黄土的微观结构演变和对宏机械性能的影响被认为对受污染的土地复垦至关重要。在本研究中,使用扫描电子显微镜、X 射线衍射和能量色散光谱分析研究了暴露于乙酸或硫酸钠的黄土标本的微观结构特征。此外,它们的宏机械性能是通过直接剪切试验确定的。醋酸环境下颗粒间水泥的腐蚀和盐水条件下盐诱导的溶胀在微观结构劣化中起着重要作用。湿润黄土的内聚力和摩擦角分别约为 16 kPa 和 19°,而受醋酸污染的黄土的内聚角和摩擦角分别降低到 10 kPa 和 15°。对于受硫酸钠污染的黄土,它们分别进一步降低到 10 kPa 和 13° 以下。宏力学性能与微观结构恶化具有良好的对应性。
图 2.剪切应力与相对水平位移的关系:(a) 天然黄土和 (b) 湿润黄土。
图 3.CH 污染黄土的剪切应力与相对水平位移的关系3COOH:(a) 0.1 mol/L,(b) 0.5 mol/L,(c) 1.0 mol/L 和 (d) 2.0 mol/L。
图 4.Na 污染黄土的剪切应力与相对水平位移的关系2所以4:(a) 0.1 mol/L, (b) 0.5 mol/L, (c) 1.0 mol/L, 和 (d) 2.0 mol/L。
图 5.(a) 天然黄土、湿黄土和受污染黄土的剪切强度包络线 (CH3COOH 浓度=0.1、0.5、1.0 和 2.0 mol/L)和 (b) 天然、湿润和污染黄土的剪切强度包络线比较 (Na2所以4浓度=0.1、0.5、1.0 和 2.0 mol/L)。
图 6.内聚力和摩擦角随不同污染物浓度的变化。
图 7.典型黄土微观结构的示意图和相关的 SEM 图像。
图 8.扫描电子显微镜图像:(a) 天然黄土,(b) 未受污染的黄土;(c) 被 CH 污染的黄土3COOH (0.1 mol/L), (d) 被 CH 污染的黄土3COOH (2.0 mol/L),(e) 被 Na 污染的黄土2所以4(0.1 mol/L) 和 (f) 受 Na 污染的黄土2所以4(2.0 mol/L)。
图 9.孔隙分布:(a) 被 CH 污染的黄土3COOH 和 (b) 被 Na 污染的黄土2所以4.
图 10.孔隙的方向性:(a) 天然黄土,(b) 未受污染的黄土,(c) 受 CH 污染的黄土3COOH (0.1 mol/L), (d) 黄土被 Na 污染2所以4(0.1 mol/L),(e) 被 CH 污染的黄土3COOH (2.0 mol/L) 和 (f) 被 Na 污染的黄土2所以4(2.0 mol/L)。
图 11.使用分形维数 D 和概率熵 H 表示孔的形状特征m.
图 12.使用圆度指数表示孔的形状特征。
图 13.天然黄土和受污染黄土的 X 射线衍射光谱(左侧:原始数据;右侧:放大)。
图 14.天然黄土和受污染黄土的化学成分:(a) 0.1 mol/L 和 (b) 2.0 mol/L。
图 15.暴露于不同条件下的化学反应示意图:(a) 润湿,(b) 乙酸和 (c) 硫酸钠。

结论

分析了化学污染黄土的微观结构特征。它们与宏机械性能的对应关系已建立。根据结果和讨论,可以得出以下一些主要结论。

  • (1)

    天然黄土在垂直方向上显示出明显的孔隙方向性。与天然黄土相比,湿润的黄土显示出任意的孔隙方向性。润湿的作用引起粘土的溶胀和分散,然后使电双电层增厚。结果,吸力减少,使黄土的微观结构特性和宏力学性能恶化。

  • (2)

    黄土在酸性条件下的剪切强度降低。氢离子对水泥的腐蚀被认为是导致水泥微观结构特性恶化的主要原因。因此,XRD 衍射峰与天然黄土的衍射峰不同。在水泥上形成小孔,导致更高的分形维数。

  • (3)

    盐水条件下的黄土孔隙在水平方向上显示出明显的方向性,这很可能是由于盐引起的膨胀现象。盐诱导的溶胀导致孔隙的分形维数变高。此外,它控制着孔结构状态。这揭示了在盐水条件下导致剪切强度降低的机制。XRD 衍射峰提供了有关硫酸钙增强胶结的证明。

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