云南红土铁离子迁移的试验研究

刘 鹏 ，黄 英 ，金克盛，张祖莲，符必昌

（昆明理工大学，云南昆明 6 50500）

0 引言

作为云南广泛分布的红土资源，以其物理性质差，力学性质较好［1］的优势大量应用于云南的各种基础设施建设，对于云南地区经济的发展起着重要作用。长期以来，大量的实际工程和科学研究［2-3］为有效利用红土积累了丰富的工程经验和研究成果，但由于红土的特殊性，红土地区仍不时发生地质灾害［4］，造成严重损失。因而对于红土地区地质灾害发生机制的研究将有助于地质灾害的有效防治。研究表明，红土的特殊性关键在于红土中的氧化铁特别是游离氧化铁。王继庄［5］、孔令伟［6-7］、马琳［8］等分别研究了红土中游离氧化铁对红土的工程性质及胶结作用的影响，表明红土中氧化铁尤其是游离氧化铁的存在，对于红土的颗粒胶结起着至关重要的作用，对于红土的工程性质影响很大，而代志宏［9］的研究表明了自然状态下土体中的铁离子发生迁移的问题。

对于高温、潮湿、多雨的云南红土，在水环境条件下特别是渗流条件下，对红土的特殊性起关键作用的铁氧化物的迁移问题缺少研究，而红土中铁氧化物的迁移直接影响到红土结构的稳定性。由于自然水环境条件下红土中的铁氧化物迁移缓慢，短时间难以观测到显著变化。因此，为模拟红土中铁氧化物的迁移过程，本文针对云南典型红土，人工制备含铁红土试样，采用浸泡试验的方法，测试分析不同影响因素下水溶液中三价铁离子的浓度变化，为深入研究红土中铁离子的迁移特性和迁移机理奠定基础。

1 试验方案

1.1 试验土料及试剂

试验土料选用昆明世博生态城典型红土，其基本特性见表1，试剂选取实验室常用的六水合硫酸铁溶液。将试剂按一定浓度稀释后加入红土中，人工制备含铁红土试样，通过浸泡试验测试水溶液中三价铁离子的浓度，研究水环境条件下红土中的铁离子的迁移变化特性。

表1 红土样的基本特性Table 1 Properties of the laterite

1.2 试验方案

水环境条件下铁离子的浓度变化取决于含铁红土样的内在特性和外在因素的影响。红土样的内在特性主要包括自身的密实程度、含水率以及红土中铁离子的浓度等，外在因素主要指环境温度以及浸泡时间的影响，其内外因共同作用的结果决定了红土中铁离子的迁移过程，引起水溶液中铁离子浓度的变化。因此，为了对比分析不同因素对红土中铁离子迁移过程的影响，本试验考虑击实功、含水率、温度和浸泡时间四个影响因素，研究红土样中的铁离子迁移到水溶液中的浓度。

具体试验方案如下：

（1）含水率（22.6％）和温度（22.5℃）不变，击实功按10击、15击、20击、25击和30击的击数变化；

（2）击实功（15击）和温度（22.5℃）不变，含水率按23.7％、25.9％、26.4％、28.5％、32.0％变化；

（3）击实功（15击）和含水率（22.6％）不变，温度按7.5℃、12.5℃、22.5℃、32.5℃、40.0℃、50.0℃变化。

这样，根据试验方案制备好含铁红土试样，进行浸泡试验，即可提取含铁离子的水溶液样，测试水溶液中铁离子的浓度，分析水溶液中铁离子浓度的变化特性。

2 水溶液中铁离子浓度的测定

2.1 含铁离子水溶液的提取

水溶液中铁离子浓度的测定首先需要制备含铁离子的水溶液样。试样的制备包括击实、切取、浸泡、提取水溶液几个环节。按照拟定的试验方案，根据各含水率大小，将浓度为2％的六水合硫酸铁溶液稀释后加入红土中，按照击实试验方法制备含铁红土样，再用压缩环刀切取浸泡试样（15个），包裹好纱布后放入盛有400mL自来水的烧杯中（400mL自来水刚好淹没包裹样）进行浸泡，并放入恒温水箱，控制温度和浸泡时间，每隔1h，提取烧杯中的水溶液样，并将包裹样重新放入盛有400mL自来水的烧杯中，按照浸泡时间，继续提取水溶液样。本次浸泡试验持续3h，共提取水溶液样45个。

2.2 铁离子浓度的测定方法

铁离子浓度的测定方法主要有邻菲罗啉分光光度法、原子吸收分光光度法、二氮杂菲分光光度法等［10］几种。由于原子吸收分光光度法需要较昂贵的仪器——原子吸收分光光度计，二氮杂菲分光光度法要求的实验药剂和实验条件比较苛刻，所以本试验采用邻菲罗啉分光光度法测定溶液中铁离子的浓度，其分光光度计见图1。

图1 分光光度计Fig.1 The spectrophotometer

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式中：CFe——铁离子的浓度（mg·L-1）；

m——根据标准曲线计算出的水样中铁的含量（mg）；

V——取样体积（L）。

这样，提取出含铁水溶液后，就可以根据邻菲罗啉分光光度法测试水溶液中铁离子的浓度。

2.3 铁离子浓度的测试结果

根据试验方案，将不同击实功、不同含水率、不同温度以及不同浸泡时间下制备好的水溶液按照测定方法测试出水溶液中三价铁离子Fe3+的浓度，测试结果见表2，铁离子浓度的单位为mg·L-1。

表2 不同影响因素下水溶液中铁离子的浓度Table 2 The concentration of Fe3+in water

表2中，浸泡时间0～1h、1～2h、2～3h分别代表总观测时段内的每一时间间隔，对应的浓度分别为每种情况下每一时间间隔新增加的铁离子浓度；铁离子的总浓度即为各个观测时段浓度之和。

3 试验结果分析

3.1 击实功对铁离子浓度的影响

根据表2，可以得到在含水率和温度不变时，水溶液中铁离子的总浓度随击实功和浸泡时间的变化情况（图2），其浓度变化程度可以根据浓度曲线的斜率来分析（表3）。

图2 不同击实功不同浸泡时间水溶液中铁离子的浓度Fig.2 The concetration of Fe3+changes with compactions and immersing history

（2）图2a表明，就总的浸泡时间而言，不管击实功的大小如何，在同一击实功下，水溶液中铁离子的总浓度都随浸泡时间的延长而增大，如10击时，当浸泡时间由 1h增加到 3h，铁离子的总浓度由1.068 mg·L-1提高到2.797 mg·L-1；图 2b表明，在相同浸泡时间下，水溶液中铁离子的总浓度随击数的增大而逐渐减小，如浸泡时间2h，当击数由10击增大到30击，铁离子的总浓度由1.972 mg·L-1减小到1.839 mg·L-1。说明浸泡时间越长或击实功越低，迁移到水溶液中的铁离子越多。这是由于密实程度越低的红土能够提供更为通畅的迁移通道导致铁离子更易迁移的缘故。

（3）不同击实功下，图2a的几条曲线基本叠加在一起，表明击实功的变化对水溶液中铁离子浓度的影响很小，如浸泡时间3h，当击数从10击提高到30击，水溶液中铁离子的总浓度仅从2.797 mg·L-1减小到2.638 mg·L-1，变化很小。说明希望通过提高击实功来降低红土中铁离子的迁移，效果不显著。

（4）铁离子浓度随击实功的变化曲线基本都呈线性关系（表3），图2a中，当击数由10击提高到30击时，曲线的斜率总体上由0.930减小到0.877，说明击数越高，铁离子浓度随时间提高越小；图2b中，当浸泡时间由1h增加到3h。其斜率由-0.009增大到-0.004。说明浸泡时间越长，铁离子浓度随击数的提高越少。

表3 不同影响因素下各浓度变化曲线的斜率Table 3 The slope rates of concentration curves of Fe3+

3.2 含水率对铁离子浓度的影响

根据表2，图3给出了在击实功和温度不变时，水溶液中铁离子的总浓度随含水率和浸泡时间的变化情况，浓度变化曲线的斜率见表3。

（1）表2表明，就每一个浸泡时间而言，在相同浸泡时间，随着含水率的增大，水溶液中铁离子的浓度逐渐增大，如0～1h时间，当含水率由23.7％提高到32.0％时，铁离子的浓度由1.025 mg·L-1增大到1.354 mg·L-1；在相同含水率下，随浸泡时间的延长，水溶液中铁离子的浓度逐渐减小。显然，0～1h的浓度（1.025-1.354 mg·L-1）大于1～2h的浓度（0.885-1.125 mg·L-1），1～2h的浓度大于2～3h的浓度（0.821-0.912 mg·L-1）。说明土体的含水越少或浸泡时间越往后，迁移到水溶液中的铁离子越少。

图3 不同含水率不同浸泡时间水溶液中铁离子的浓度Fig.3 The concetration of Fe3+changes with water content and immersing history

（2）图3a表明，就总的浸泡时间而言，不管含水率的大小如何，在同一含水率下，水溶液中铁离子的总浓度都随浸泡时间的延长而增大，如含水率为23.7％时，当浸泡时间由1h增加到3h，铁离子的总浓度由1.025 mg·L-1提高到2.731 mg·L-1；图3b表明，同一浸泡时间，水溶液中铁离子的总浓度随含水率的增大也逐渐增大，如浸泡时间2h，当含水率由23.7％提高到32.0％，铁离子的总浓度由1.91mg·L-1增大到2.479 mg·L-1。说明浸泡时间越长或含水越高，迁移到水溶液中的铁离子越多。这是由于含水越高的红土颗粒对铁离子的吸附能力越弱导致铁离子更易发生迁移的缘故。

（3）铁离子浓度随含水率的变化曲线基本都呈线性关系，表3表明，图3a中，当含水率由23.7％提高到32.0％时，曲线的斜率由0.908增大到1.130，说明含水率越高，铁离子浓度随时间提高越大；图3b中，当浸泡时间由1h增加到3h，斜率由0.041增大到0.082。说明浸泡时间越长，铁离子浓度随含水率的提高越大。

（4）由于图3a的曲线比图2a分散，表明含水率的变化对水溶液中铁离子浓度的影响较击实功大，相应地，含水率对红土样中铁离子迁移能力的影响也较击实功大。说明降低含水可以控制红土中铁离子的迁移。

3.3 温度对铁离子浓度的影响

根据表2，图4给出了在击实功和含水率不变时，水溶液中铁离子的总浓度随温度和浸泡时间的变化情况，浓度变化曲线的斜率见表3。

图4 不同温度不同浸泡时间水溶液中铁离子的浓度Fig.4 The concetration of Fe3+changes with temperature and immersing history

（1）表2表明，就每一个浸泡时间而言，在相同浸泡时间，随着温度的升高，水溶液中铁离子的浓度逐渐增大，如0～1h时间，当温度由7.5℃提高到50.0℃时，铁离子的浓度由0.452mg·L-1增大到1.257mg·L-1；在相同温度下，随浸泡时间的延长，水溶液中铁离子的浓度逐渐减小。很明显，0～1h的浓度（0.452-1.257 mg·L-1）大于1～2h的浓度（0.254-1.112 mg·L-1），1～2h的浓度大于2～3h的浓度（0.087-0.985 mg·L-1）。说明土体的温度越低或浸泡时间越往后，迁移到水溶液中的铁离子越少。

（2）图4a表明，就总的浸泡时间而言，不管温度的大小如何，在同一温度下，水溶液中铁离子的总浓度都随浸泡时间的延长而增大，如温度为22.5℃时，当浸泡时间由1h增加到3h，铁离子的总浓度由1.003 mg·L-1提高到2.690mg·L-1；图4b 表明，同一浸泡时间，水溶液中铁离子的总浓度随温度的升高逐渐增大，如浸泡时间2h，当温度由7.5℃提高到50.0℃，铁离子的总浓度由0.706mg·L-1增大到2.369mg·L-1。说明浸泡时间越长或温度越高，迁移到水溶液中的铁离子越多。这是由于温度越高的红土其离子运动越快的缘故。

（3）表3表明，图4a中，各种温度下，铁离子浓度随时间的变化曲线基本都呈线性关系，当温度为7.5℃和12.5℃时，曲线比较平缓，斜率仅为0.263和0.573；当温度由22.5℃提高到50.0℃时，曲线的斜率则由0.895增大到1.117，说明温度较低时，铁离子浓度随时间增长缓慢，温度越高，浓度提高越大；图4b中，铁离子浓度随温度的变化趋势以22.5℃为界可以看成两部分线性变化，22.5℃以下曲线较陡，22.5℃以上曲线变平缓，浸泡时间1h线的斜率由0.035减小为0.010，2h线的斜率由0.075减小为0.018，3h线的斜率由0.122减小为0.024。说明浸泡时间越长，铁离子浓度增加越多。但由于温度较低时的曲线斜率大于温度较高时的曲线斜率，说明温度较低时，铁离子浓度随温度的升高增加较快；温度较高时，铁离子浓度随温度的升高增加变缓。这是由于红土样的密度大于水溶液的密度，导致温度变化过程中达到温度平衡时温度的流动方向不同引起的。

（4）由于图4a的曲线相比图2a、图3a更为分散，表明温度的变化对水溶液中铁离子浓度的影响较击实功和含水率都大，相应地，温度对红土样中铁离子迁移能力的影响也较击实功和含水率显著。说明降低温度可以有效控制红土中铁离子的迁移。

浸泡试验结果表明，含铁红土样经过浸泡后，引起水溶液中铁离子的浓度增大，说明红土样中的铁离子发生了迁移，其迁移过程同样受到击实功、含水率、温度以及浸泡时间的影响，水溶液中铁离子的浓度变化特性间接反映了红土中铁离子的迁移特性以及迁移能力。很显然，水溶液中铁离子的浓度越高，反映出红土样中铁离子的迁移能力越强。因此，以红土迁移到水溶液中的铁离子变化为基础，就可以深入研究水环境条件下红土中铁离子的迁移特性和迁移机理，为揭示红土地区地质灾害的发生发展机制提供科学依据。

4 结论

通过人工制备含铁红土样的浸泡试验，开展了不同影响因素下红土中铁离子的迁移试验研究，得到如下结论：

（1）在水环境条件下，红土中铁离子的迁移引起水溶液中铁离子的浓度变化可以间接反映红土中铁离子迁移过程的快慢；

（2）不同影响因素下，水溶液中铁离子的总浓度随浸泡时间的延长、击实功的减小、含水率的提高和温度的升高呈线性增大；

（3）不同影响因素下铁离子浓度变化曲线的斜率大小反映了各个因素的影响程度。水溶液中铁离子的浓度变化随击实功的减小、含水率的提高和温度的升高呈线性减小；

（4）就考虑的几种影响因素而言，水溶液中的铁离子浓度受温度影响最大，击实功影响最小，含水率影响居中。据此，可以有针对性地提出控制红土中铁离子迁移的措施；

（5）水溶液中铁离子的浓度变化可以为深入研究水环境条件下红土中铁离子的迁移特性和迁移机理奠定基础，为揭示红土地区地质灾害的发生发展机制提供科学依据。

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