鹽分-礦物耦合作用下土體界限含水率研究

宋苗苗， 吉 鋒， 徐桂中， 張 丹， 曹 準(zhǔn)， 周 楊

(1. 鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210029；3. 中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000；4. 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

在沿海地區(qū)開展工程建設(shè)，通常會(huì)遇到海相沉積土和海相疏浚泥。與內(nèi)陸淡水沉積土不同，海相沉積物孔隙溶液中常含一定量的可溶鹽分。此外，近年來地下水開采、海水倒灌、降雨等自然和人工活動(dòng)也引起沿海地區(qū)土體孔隙溶液鹽分濃度的改變[1～3]。同時(shí)，孔隙溶液鹽分也是海相疏浚泥環(huán)保利用需要考慮的一個(gè)重要因素[4]。

已有研究表明，土孔隙溶液鹽分濃度的改變對(duì)土體物理性質(zhì)、壓縮性狀、強(qiáng)度性狀等都具有重要的影響[3,4～11]。He等[3]對(duì)日本有明黏土(Ariake Clay)靈敏度的研究表明，鹽分浸析引起土體靈敏度的增加，主要是土體液限降低引起重塑土不排水抗剪強(qiáng)度減小的結(jié)果。Song等[11]通過對(duì)不同孔隙溶液鹽分濃度重塑海相沉積土開展一系列的物理-化學(xué)試驗(yàn)和一維固結(jié)試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)孔隙溶液鹽分濃度改變對(duì)重塑海相土壓縮性狀的影響主要是由土體液限改變引起的，并可采用液限孔隙比進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。

實(shí)際工程中，天然沉積海相土中黏土礦物組成隨地區(qū)、氣候、物質(zhì)來源的不同而發(fā)生變化。如我國沿海地區(qū)海相沉積土中主要黏土礦物多為伊利石或伊蒙混層[10,11]，日本有明黏土的主要黏土礦物為蒙脫石[3]。需要指出的是，除孔隙溶液化學(xué)性質(zhì)外，黏土礦物組成也是影響土體界限含水率的重要因素[12]。由此可見，開展孔隙鹽分-黏土礦物耦合作用下土體界限含水率變化規(guī)律的研究具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

本文將以天然沉積海相土與膨潤土的混合土、商用高嶺土和商用膨潤土為對(duì)象，通過室內(nèi)方法改變土孔隙溶液鹽分濃度SPL，并開展液塑限試驗(yàn)和自由膨脹率δef試驗(yàn)。研究不同黏土礦物組成下土體液限wL和塑限wp隨孔隙溶液鹽分濃度的變化規(guī)律，明確了孔隙鹽分改變引起土體液限變化的機(jī)理，并引入自由膨脹率分析了孔隙鹽分對(duì)含蒙脫石黏性土液限的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣包括一種商用高嶺土、兩種商用膨潤土和五種溫州土與膨潤土的混合土。其中，商用高嶺土為徐州礦務(wù)局夾河高嶺土廠生產(chǎn)的高嶺土；商用膨潤土#1為產(chǎn)自徐州的鈣基膨潤土；商用膨潤土#2為南京湯山鎮(zhèn)生產(chǎn)的鈉基膨潤土；混合土則通過將溫州土與商用膨潤土#2按照不同的干土質(zhì)量比混合得到，混合土#1～#5中膨潤土#2含量分別為0%，25%，50%，75%，100%。

測(cè)定土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。其中，土體液限采用落錐法測(cè)定，土體塑限采用搓條法測(cè)定；根據(jù)SL237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[13]測(cè)定土體的自由膨脹率；采用密度計(jì)法測(cè)定土體顆粒粒徑分布；土孔隙溶液鹽分濃度SPL采用烘干法測(cè)定。根據(jù)試驗(yàn)土樣的液限和塑限可知，除高嶺土外，試驗(yàn)所用其他土樣均為高液限黏土。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)

采用X射線衍射法測(cè)定試驗(yàn)土樣的礦物組成，并根據(jù)各衍射峰面積對(duì)土中各黏土礦物的相對(duì)含量進(jìn)行半定量分析[14～16]，結(jié)果見表2。試驗(yàn)所用高嶺土中的主要黏土礦物基本都為高嶺石，含量高達(dá)98%。膨潤土#1和膨潤土#2中的主要黏土礦物為蒙脫石，其含量分別為99%和79.5%。此外，伊利石、高嶺石和綠泥石在膨潤土#2也有少量出現(xiàn)，其含量分別為18.0%，0.2%，2.3%。混合土#1～#4中均同時(shí)含有蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺石四種黏土礦物。根據(jù)英姿[17]的研究可知，對(duì)于膨潤土#2含量超過40%的混合土，其主要黏土礦物為蒙脫石。故混合土#3和混合土#4中的主要黏土礦物也為蒙脫石。

表2 試驗(yàn)土樣黏土礦物組成 %

1.2 試驗(yàn)方案

由于海水中主要的可溶性鹽分為NaCl，故本文將采用分析純NaCl制備不同孔隙溶液鹽分濃度的試驗(yàn)土樣。首先將試驗(yàn)所用土樣風(fēng)干，并配制不同濃度的NaCl溶液；之后取干土質(zhì)量為1 kg的風(fēng)干土樣，按照土和溶液比為1∶5加入制備的NaCl溶液，攪拌均勻并靜置一周。試驗(yàn)前，將混合物再次攪拌均勻，使用離心機(jī)對(duì)混合物進(jìn)行泥水分離，取離心后的上部清液測(cè)定土孔隙溶液鹽分濃度，脫水后的土樣則用于測(cè)定土體的液限和塑限。

已有研究表明[9,17]，孔隙溶液鹽分濃度降低對(duì)我國海相沉積土液限的影響主要發(fā)生在孔隙鹽分濃度降低到4 g/L后，且引起液限的減小幅度相對(duì)較小。另一方面，我國近海的海水鹽分濃度約為35 g/L。故對(duì)于試驗(yàn)所用混合土選取了0，35 g/L兩種鹽分濃度。試驗(yàn)所用土樣孔隙溶液鹽分濃度如表3所示。

表3 試驗(yàn)土樣孔隙溶液鹽分濃度

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

圖1為高嶺土和膨潤土液限隨孔隙溶液鹽分濃度的變化規(guī)律。由圖可知，膨潤土液限隨孔隙溶液鹽分濃度的增加均呈逐漸減小的趨勢(shì)。表現(xiàn)出和主要黏土礦物為伊利石的天然沉積海相土相反的變化規(guī)律[9,11]。此外，當(dāng)土孔隙溶液鹽分濃度由35 g/L降低到0時(shí)，膨潤土液限的增加幅度可高達(dá)1倍以上。孔隙溶液鹽分濃度改變對(duì)膨潤土液限的影響程度明顯高于天然沉積海相土。而高嶺土的液限則基本不受孔隙溶液鹽分濃度變化的影響。

圖1 高嶺土和膨潤土液限隨孔隙溶液鹽分濃度變化規(guī)律

為進(jìn)一步明確孔隙鹽分對(duì)含蒙脫石土體液限的影響，對(duì)不同孔隙鹽分濃度下土體液限和塑限隨膨潤土含量的變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，相同膨潤土#2含量下，孔隙溶液鹽分濃度增加對(duì)土體液限的影響是變化的。和膨潤土#2相比，當(dāng)土孔隙溶液鹽分濃度由0增加為35 g/L時(shí)，混合土#2(膨潤土#2含量為25%)的液限由67%增大為73%，而混合土#3(膨潤土#2含量為50%)和混合土#4(膨潤土#2含量為75%)的液限則出現(xiàn)減小，且減小幅度隨混合土中膨潤土#2含量的增加而增大。也就是說隨著土中蒙脫石含量的增加，孔隙溶液鹽分濃度和土體液限間將由正相關(guān)關(guān)系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)關(guān)系。由此可見，探討孔隙鹽分對(duì)土體液限影響時(shí)，需考慮土中黏土礦物性質(zhì)及其相對(duì)含量。此外，除膨潤土#2外，和天然沉積土類似，混合土的塑限也基本不受孔隙溶液鹽分濃度變化的影響。

圖2 黏土-膨潤土混合土界限含水率隨孔隙鹽分變化規(guī)律

孔隙溶液鹽分對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，本質(zhì)上是黏土顆粒表面所帶負(fù)電荷與孔隙溶液中陽離子相互作用的結(jié)果。為此，研究者們常采用Gouy-Chapman擴(kuò)散雙電層理論闡釋孔隙溶液化學(xué)性質(zhì)改變對(duì)土體性質(zhì)的影響[6,14,18～20]，并指出黏粒表面擴(kuò)散雙電層厚度和孔隙液中離子濃度的平方根成反比。即隨著孔隙溶液鹽分濃度的增加，黏粒表面擴(kuò)散雙電層厚度將減小，從而促進(jìn)黏土顆粒間的絮凝，宏觀表現(xiàn)為土體液限降低。結(jié)合圖1可知，擴(kuò)散雙電層理論用于闡釋孔隙鹽分對(duì)膨潤土液限的影響是適用的，這主要是由于膨潤土液限主要受擴(kuò)散雙電層厚度的影響[20]。但對(duì)于主要黏土礦物為伊利石或高嶺石的土，采用擴(kuò)散雙電層理論進(jìn)行分析的結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果間存在偏差，并不完全適用。為此，Sridharan等[20～22]提出兩種機(jī)理用于闡釋孔隙電解質(zhì)溶液對(duì)土體液限的影響：(1)孔隙電解質(zhì)溶液通過影響?zhàn)ね令w粒表面擴(kuò)散雙電層的性質(zhì)引起土體液限的改變；(2)孔隙電解質(zhì)溶液通過影響?zhàn)ね令w粒間的相互作用力使顆粒間的排列形式發(fā)生改變，進(jìn)而引起土體液限的變化。通常情況下，孔隙電解質(zhì)溶液對(duì)土體液限的影響是以某一種機(jī)理為主導(dǎo)，兩種機(jī)理共同作用的結(jié)果。

為進(jìn)一步驗(yàn)證孔隙溶液鹽分濃度對(duì)土體液限的影響是兩種機(jī)理共同作用的結(jié)果，對(duì)孔隙溶液鹽分濃度增加引起混合土液限的改變量ΔwL(ΔwL=wL35-wL0)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。其中，wL35，wL0分別為孔隙溶液鹽分濃度為35 g/L和0時(shí)土體的液限。由圖可知，隨著土中膨潤土#2含量的增加，ΔwL由2%先增加為6%再逐漸減小為-33%。當(dāng)膨潤土含量為某一臨界值時(shí)，孔隙溶液鹽分濃度增加將不引起土體液限的改變。這進(jìn)一步表明孔隙溶液鹽分濃度改變對(duì)土體液限的影響是兩種機(jī)理共同作用的結(jié)果。

圖3 孔隙鹽分濃度增加引起黏土-膨潤土混合土液限的改變量

由上述分析可知，當(dāng)土中同時(shí)含蒙脫石、伊利石和高嶺石三種黏土礦物時(shí)，土體液限隨孔隙溶液鹽分濃度的變化規(guī)律主要由土中蒙脫石含量控制。而采用X射線衍射法僅能對(duì)土中黏土礦物組成進(jìn)行半定量分析，且該試驗(yàn)操作整體比較復(fù)雜。和直接測(cè)定土中蒙脫石含量相比，土體自由膨脹率δef的測(cè)定具有簡單快速的特點(diǎn)。此外，已有研究[16,23]也表明，土體的自由膨脹率與黏粒表面擴(kuò)散雙電層的性質(zhì)和土中蒙脫石含量都密切相關(guān)。由此可推知，自由膨脹率δef也可用于預(yù)測(cè)含蒙脫石土體液限隨孔隙溶液鹽分濃度的變化規(guī)律。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[24]采用自由膨脹率對(duì)試驗(yàn)所用混合土的膨脹潛勢(shì)進(jìn)行判定，可知混合土#2為含蒙脫石的非膨脹土，混合土#3為中膨脹土，混合土#4和混合土#5為強(qiáng)膨脹土。圖4為孔隙溶液鹽分濃度增加引起混合土液限改變量ΔwL與土體自由膨脹率δef、膨潤土#2含量間的關(guān)系。對(duì)于本文試驗(yàn)所用混合土，當(dāng)土體為弱膨脹土或非膨脹土，即自由膨脹率δef<65%時(shí)，孔隙溶液鹽分濃度增加將引起土體液限的增大。由此可見，即使土中含有一定量的蒙脫石，只要土體未表現(xiàn)出膨脹性或?yàn)榈团蛎浲粒紫度芤蝴}分濃度降低將引起土體液限的減小，表現(xiàn)出和以伊利石、綠泥石為主要黏土礦物的低活性土類似的變化規(guī)律。此時(shí)，孔隙鹽分對(duì)土體液限的影響，主要受黏土顆粒間相互作用力的控制。反之，當(dāng)含蒙脫石黏土的自由膨脹率δef>65%后，孔隙鹽分將主要通過影響?zhàn)ち１砻鏀U(kuò)散雙電層的厚度影響土體液限。隨孔隙溶液鹽分濃度的增加，土體液限表現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)。綜上可知，通過測(cè)定土體自由膨脹率可明確孔隙鹽分對(duì)含蒙脫石黏性土液限的影響規(guī)律。

圖4 混合土液限改變量和自由膨脹率、膨潤土含量間關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)膨潤土液限隨孔隙溶液鹽分濃度的降低而增大，而高嶺土的液限則基本不受孔隙溶液鹽分濃度變化的影響。

(2)對(duì)于含蒙脫石黏性土，當(dāng)土中蒙脫石含量較低且自由膨脹率δef<65%時(shí)，孔隙溶液鹽分濃度增加將引起土體液限的增大；反之，當(dāng)土中蒙脫石含量較高且自由膨脹率δef>65%時(shí)，土體液限隨孔隙溶液鹽分濃度的增加而減小。土體自由膨脹率δef可用于分析孔隙鹽分對(duì)含蒙脫石土體液限的影響。

(3)對(duì)于非膨脹性土和低膨脹性土(δef<65%)，孔隙溶液鹽分主要通過影響?zhàn)ね令w粒間相互作用力，進(jìn)而引起土體液限的變化；而對(duì)于膨潤土和強(qiáng)膨脹性土(δef>65%)，孔隙溶液鹽分則主要通過改變黏粒表面擴(kuò)散雙電層性質(zhì)使土體液限發(fā)生改變。