碳酸鈉污染粘性土可塑性演化機理研究

張久旭 黃俊杰 胡志林 王勇

摘要：通過室內浸泡試驗，制備了不同污染濃度的碳酸鈉污染粘性土，并通過液塑限聯合測定儀測試了粘性土的液限、塑限、塑性指數，探討了粘性土可塑性隨碳酸鈉濃度的變化規律與機理。研究表明：隨著碳酸鈉濃度的增大，粘性土的液限、塑限總體上呈增大趨勢，且增大的趨勢隨著碳酸鈉濃度的增加逐漸減弱，碳酸鈉污染粘性土的塑性指數總體上也呈增大趨勢。主要原因是：隨著溶液的堿性增強，粘性土顆粒表面的負電荷對溶液中Na+的吸附強度提高，雙電層厚度增大，導致粘性土的可塑性增強。

關鍵詞：碳酸鈉污染粘性土；可塑性；演化機理；雙電層

中圖分類號：P642.5文獻標識碼：A

1 緒論

隨著國家建設的發展，環境污染問題日益嚴重，污染物質在土體中長期遷移，對地質環境產生惡劣影響。[1]因此，研究污染土物理力學性質對于揭示污染土腐蝕機理、控制污染物遷移、保護地質環境具有理論和現實意義。本論文通過室內浸泡試驗，制備了不同污染濃度的碳酸鈉污染粘性土，并通過液塑限聯合測定儀測試了粘性土的液限、塑限、塑性指數等參數，探討了粘性土可塑性隨碳酸鈉濃度的變化規律與機理。

2 碳酸鈉污染粘性土可塑性實驗研究

2.1 碳酸鈉污染粘性土的制備

室內試驗采用粘性土作為土源，取自遼寧工程技術大學北校區周邊，取土過程遵循數量上能夠滿足室內試驗的需求、雜質含量較少的原則。對土樣進行烘干處理，再通過碾壓等手段將其磨碎，并選用1mm的篩子篩選無雜質粘性土樣，作為浸泡試驗的土源。人工配制0.02mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、015mol/L、0.2mol/L、0.25mol/L、0.3mol/L和0.4mol/L的碳酸鈉溶液，作為浸泡試驗的污染源。以去離子水為空白，對粘性土實施室內浸泡試驗，浸泡時間為7天，制備不同濃度的碳酸鈉污染粘性土。

2.2 碳酸鈉污染粘性土可塑性的測試

可塑性是粘性土最基本的水理性質，主要指標為液限、塑限和塑性指數。粘性土液限、塑限的測試方法主要有錐式液限儀法、戳條法和液塑限聯合測定儀法。[2]本研究采用液塑限聯合測定儀測試了不同濃度碳酸鈉污染粘性土的液限、塑限、塑性指數，結果如下表所示。2.3 碳酸鈉污染粘性土可塑性變化與分析

研究表明：① 液限變化規律：隨著碳酸鈉濃度的增大，粘性土的液限總體上呈增大趨勢，且增大的趨勢隨著碳酸鈉濃度的增加逐漸減弱，碳酸鈉濃度0.25mol/L處出現誤差點；② 塑限變化規律：碳酸鈉污染粘性土的塑限總體上呈逐漸增大趨勢，且增大的趨勢隨著碳酸鈉濃度的增加逐漸減弱，碳酸鈉濃度0.15mol/L處出現誤差點；③ 塑性指數變化規律：碳酸鈉污染粘性土的塑性指數總體上也呈增大趨勢，碳酸鈉濃度020mol/L、0.25mol/L處出現明顯誤差點，為液、塑限測定誤差所致。

3 碳酸鈉污染粘性土可塑性演化機理研究

本研究從粘性土顆粒結構和礦物及化學成分的角度綜合分析碳酸鈉污染粘性土可塑性的演化機理。粘性土顆粒表面結合水膜可以用“雙電層”理論來闡釋，其對粘性土物理力學性質產生重要的影響。

碳酸鈉污染粘性土物理力學性質的變化是由于不同污染濃度的溶液改變了粘性土的礦物成分及離子吸附與交換容量，影響粘性土顆粒表面雙電層的厚度，導致了粘性土可塑性的變化。具體表現為：① 碳酸鈉在水溶液中發生水解反應使溶液呈堿性；② 粘性土顆粒表面帶凈負電荷，對Na+產生吸附作用；③ 隨著碳酸鈉濃度的增大，消耗掉水解離出來的一部分H+，使得水中H+濃度減小，水的解離程度增大，OH濃度增大，進一步增加粘性土顆粒表面負電荷的數量，增強對Na+的吸附作用；④ 粘土礦物基本結構鋁氧八面體中的AlOH鍵是兩性的，在堿性環境中電離出H+，使粘土礦物表面帶負電荷，進一步增強對Na+的吸附作用；⑤ 游離氧化物中SiO2與Al2O3等在堿性環境中發生反應生成軟塑的偏硅酸鹽與偏鋁酸鹽。

綜上所述，隨著CO32濃度的增大，溶液的堿性增強，粘性土顆粒表面的負電荷對溶液中Na+和Ca2+的吸附強度提高，雙電層厚度增大，又有軟塑物質生成，導致粘性土的液、塑限及塑性指數均增大，可塑性逐漸增強。

4 結論

隨著碳酸鈉濃度的增大，粘性土的液限、塑限總體上呈增大趨勢，且增大的趨勢隨著碳酸鈉濃度的增加逐漸減弱，碳酸鈉污染粘性土的塑性指數總體上也呈增大趨勢。隨著碳酸鈉濃度的提高，溶液的堿性增強，粘性土顆粒表面的負電荷對溶液中Na+的吸附強度提高，雙電層厚度增大，是導致粘性土可塑性增強的主要原因。

參考文獻：

[1]張芹，張啟航，張煜東，等.污染土的研究現狀及其治理[J].土工基礎，2015，29（06）：8385.

[2]牛凱，沈旭.不同規范下液塑限測定方法的結果差異分析[J].中外公路，2017，37（03）：242243.

項目：本論文是在遼寧省教育廳青年項目（LJ2017QL029）和遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目（201710147000284）的資助下完成的，特此感謝