不同分散劑對黃土顆粒分析試驗結果的影響

李亞軍，張蕊，徐鐵錚，李睿豪

（1.陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院,陜西 咸陽 721000；2.西安科技大學化學與化工學院,陜西臨潼 710600）

0 前言

土的顆粒大小和各種粒組所占的比例與土的物理力學等工程性質有著一定關系,根據土的顆粒組成,可以大致判定土的透水性、可塑性、收縮、膨脹等性質。土體中粘粒含量的多少更密切影響著其工程特性,隨著粘粒含量的增加,土體的透水性下降,在含水率發生變化時容易發生較大的脹縮。《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》（SL 251-2015）中明確規定均質土壩土料粘粒含量宜為10%～30%,防滲體土料粘粒含量宜為15%～40%[1]。因此,準確測定土體顆粒的組成具有重要的研究意義和實用價值。

測定土體顆粒級配采用篩析法、密度計法、移液管法或聯合法,由于黃土的顆粒主要以粉粒為主,所以一般采用適用于粒徑小于0.075 mm的密度計法或移液管法,在試驗室內多采用密度計法。密度計法是依據斯托克斯（Stokes）原理,即采用密度計測量顆粒在土水懸液中顆粒的沉降速度來反映顆粒粒度的分布。黃土中由于富含有碳酸鹽膠結物而具有獨特的團聚體結構,為了使土顆粒在土水懸液中充分分散,需要對土粒進行分散處理。目前,我國多采用半分散法,該方法是用煮沸加化學分散劑來進行顆粒分散,這樣既能將土粒分散,又不破壞土的原級顆粒及其聚合體[2-4]。近些年來對于紅粘土分散劑的研究較多[5-7],黃土分散劑的相關研究較少。本文采用六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、草酸鈉、氫氧化鈉、氨水等作為分散劑,研究不同分散劑種類對黃土顆粒分析試驗結果的影響,從而確定適宜于黃土顆粒分析的分散劑。

1 試驗材料與研究方法

1.1 土樣及分散劑

（1）土樣

本試驗采用陜西省境內的在建和已建成土壩水庫所用土料,共20 個水庫的22 組土樣。

土樣物理化學性質指標及定名見表 1。

表1 土樣物理化學性質指標及定名

從表1可以看出,22個土樣的顆粒相對密度在2.70～2.72之間,液限在25.0%～44.1%之間,塑限在12.8%～20.9%之間,塑性指數在10.5～23.3之間,pH位于7.41～8.31之間,土壤酸堿度屬中性偏弱堿性；電導率71.9 μS/cm～327 μS/cm 之間,鹽分含量＜1000 μS/cm,不用洗鹽。按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）,供試土樣均屬于低液限粘土（CL）。

（2）分散劑

分散劑種類很多,根據土工試驗方法標準（GB/T 50123-2019）[8]、公路土工試驗規程（JTG E40-2007）[9]本次試驗選用5種常用分散劑。分散劑分別是4%六偏磷酸鈉（Na6P6O18）、4%焦磷酸鈉（ Na4P4O7）、3.4%草酸鈉（Na2C2O4）、4%氫氧化鈉（NaOH）、25%氨水（NH4OH）。

1.2 研究方法

采用《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）規定的步驟進行[8]。所有試驗采用同一支甲種土壤密度計,開始前一次性加入10 mL分散劑,攪拌均勻,1 min往復30次,所有過程盡量一致。試驗平行2 次,取平均值作為試驗結果。為使試驗結果具有可比性,采用《分散性土研究》[10]一書介紹方法,研究了土樣在不加分散劑不煮沸的條件下的顆粒級配情況,作為對照試驗。

2 結果分析與討論

2.1 試驗結果

土樣不同分散劑下粘粒含量試驗結果見表 2,土樣不同分散劑粘粒含量與粘粒含量均值差統計表見表3。

表2 土樣不同分散劑下粘粒含量試驗結果

表3 土樣不同分散劑粘粒含量與粘粒含量均值差統計表

2.2 結果分析

（1）對于不加分散劑而言,測得土樣的粘粒含量很低,與加了分散劑的平均值相比,僅為14.4%～49.2%。如不加分散劑不煮沸的2 號、6 號土樣粘粒含量分別為2.4%、6.5%,加入不同分散劑后土壤粘粒含量有明顯的增加,分別達到14.8%～18.0%、9.8%～16.6%,是不加分散劑不煮沸的粘粒含量的2倍、7倍。說明本次選用的分散劑對黃土的分散均有較好效果,將大部分可以分散的團粒結構分散成單粒,從而使粉粒和砂粒含量減少,粘粒增加。

（2）5種分散劑對土壤粘粒含量試驗結果有明顯差異,其中分散效果4%焦磷酸鈉＞4% 六偏磷酸鈉＞3.4%草酸鈉＞4%氫氧化鈉＞25%氨水。這說明不同分散劑對土壤的分散效果不同；而就每組土樣而言,其差別大小也有所不同,說明粘粒含量測定過程中除了分散劑對測定結果有影響外,土壤中的原級顆粒和團粒結構不同也影響分散效果。

（3）從分散效果來講,4%焦磷酸鈉、4%六偏磷酸鈉分散效果最好,3.4%草酸鈉次之,25%氨水分散效果最差。從穩定性效果來講,4%六偏磷酸鈉、3.4%草酸鈉標準差較小穩定性好,25%氨水、4%焦磷酸鈉、4%氫氧化鈉標準差較大,分別是4%六偏磷酸鈉的1.5、1.7、2.0倍,穩定性較差。

（4）土體的液限與土的顆粒級配、土粒的礦物成分、比表面積、表面電荷等因素有關,一般而言,土體中粘粒含量越大,液限越高。以粘粒含量、液限分別為橫坐標、縱坐標做粘粒含量與液限之間關系圖,并擬合公式,求出相關系數（見表4）。從表4中可以看出,4%氫氧化鈉、3.4%草酸鈉的相關系數比較高,均高于粘粒平均值的相關系數；而4%六偏磷酸鈉、4%焦磷酸鈉、25%氨水的比較低,均低于粘粒平均值的相關系數,說明4%氫氧化鈉、3.4%草酸鈉測定的粘粒含量與液限之間測相關性較高。

表4 土樣不同分散劑粘粒含量與液限之間相關系數

綜上所述,本試驗5 種分散劑中,從分散效果來看優選焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉,從分散劑表現的穩定性來看優選六偏磷酸鈉和草酸鈉,從土的物理指標相關關系來看,選擇氫氧化鈉、草酸鈉。但是由于氫氧化鈉溶液與空氣中的二氧化碳發生反應,會影響土水懸液中分散劑的濃度與分散效果。經過綜合考慮,在測定黃土的顆粒分析試驗中,建議分散劑首選六偏磷酸鈉。

3 結語

分散劑的選擇時應考慮分散劑的種類,以既能達到將土粒分散,又不破壞土的原級顆粒,同時還要防止分散劑本身是否與土壤中的鹽分或空氣中的二氧化碳發生化學反應。通過對本次試驗的分析統計,由于六偏磷酸鈉不僅分散效果好,而且穩定性很強,建議黃土顆粒分析試驗中分散劑選用六偏磷酸鈉。