張 芹 ，顏榮濤 ，韋昌富 , ，楊德歡 ，于明波 ，楊麗雅

（1. 桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004；3. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)步伐的不斷加快，在人民生活得以改善的同時工業(yè)化間接或直接誘發(fā)的環(huán)境巖土工程問題愈來愈嚴重，傳統(tǒng)意義上的僅用蒸餾水或自來水來進行室內(nèi)模擬試驗已經(jīng)遠遠無法取代原位條件[1]。因此，探究孔隙溶液對土體性質(zhì)變化的作用機制，不僅是出于科學(xué)研究的需求，更要用其指導(dǎo)工程實際，保護環(huán)境及保證工程建設(shè)質(zhì)量的安全性和穩(wěn)定性。

界限含水率的測定試驗既是細粒土最基本的試驗項目，亦是分析土的性質(zhì)的必測項目，它能夠反映土的干濕狀況，并與土的大多數(shù)工程性質(zhì)相聯(lián)系，如滲透性、脹縮性、抗剪強度以及土的壓縮性[2－4]，尤其是塑性指數(shù)的大小可以直接映射出細粒土具有可塑性的含水率的變化范圍，綜合反映孔隙水與土的粒度組成和礦物成份之間相互作用的特征。很多學(xué)者針對土的界限含水率與其他物理力學(xué)指標的相關(guān)關(guān)系進行了大量的研究，王建秀等[5]分析了碳酸巖分布區(qū)殘坡積黏性土液性指數(shù)與黏聚力的相關(guān)關(guān)系。朱啟銀等[6]發(fā)現(xiàn)黏土的塑性指數(shù)可以較好地擬合土樣的壓縮指數(shù)。可見測定土的界限含水率能夠有助于更好地了解土的工程特性。

國內(nèi)外諸多學(xué)者就孔隙溶液對土的界限含水率試驗進行了大量研究，Sridharan等[7－8]探究了物理-化學(xué)作用對高嶺土及蒙脫土液限變化的影響機制；Schmitz等[9]討論了黏土中的礦物成分對界限含水率的影響。Arasan[10]發(fā)現(xiàn)低塑性黏土的稠度界限會跟隨鹽溶液濃度的增加而變大，但高塑性黏土卻表現(xiàn)出了減小的趨勢。Mishra等[11]和 Shariatmadari等[12]分別探討了無機鹽溶液對黏土-膨潤土混合土液限的影響，均發(fā)現(xiàn)混合土的液限隨著孔隙鹽溶液濃度的增大而減小。Jefferson等[13]研究了蒙脫土、高嶺土及蒙脫土-高嶺土混合土的液限對溫度的敏感性，發(fā)覺蒙脫土比高嶺土對溫度的變化更為敏感，且蒙脫土的液限隨溫度的增加而變大，而高嶺土的液限卻略微減小。何俊等[14]研討了不同溶液作用對膨潤土改性黏土的界限含水率的影響，認為 CaCl2溶液及乙酸溶液都會使黏土的液限表現(xiàn)出減小的趨勢。羅春泳[15]通過試驗得出K+、Cu+吸附量的增加會促使黏土塑性指數(shù)變大，且 Cu+離子對塑性指數(shù)的影響更大。

本文針對粉質(zhì)黏土研究中的不足，探討了4種不同的孔隙溶液對粉質(zhì)黏土界限含水率的影響，為今后進一步討論孔隙溶液的濃度和組分的變化對粉質(zhì)黏土工程特性的影響奠定了基礎(chǔ)。

2 試 驗

2.1 試驗方案

日常生活中土體會遭受到生產(chǎn)及生活過程當中所產(chǎn)生的三廢污染物（廢氣、廢液、廢渣）的侵蝕，如工廠排出的廢棄物、垃圾淋濾液、被農(nóng)藥等污染的地下水。Kjeldsen等[16]、Ehrig等[17]、Tchobanoglou等[18]均發(fā)現(xiàn)填埋場滲濾液組分中陰離子中含量最高的是 Cl-離子，陽離子含量相對較多的是 Na+、K+、Ca+和Mg+離子。據(jù)此，本次試驗選用NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2分別調(diào)配成 0.01、0.5、1.0、2.0 mol /L的溶液進行粉質(zhì)黏土界限含水率的測試試驗，分析孔隙溶液對界限含水率的影響。

2.2 試驗材料

本次選取桂林地區(qū)的粉質(zhì)黏土作為研究對象，基本的物理性質(zhì)指標見表 1，顆粒級配曲線如圖 1所示，礦物組成見表2。

表1 桂林地區(qū)粉質(zhì)黏土的物理性質(zhì)指標Table 1 Physical indices of Guilin silty clay

圖1 粉質(zhì)黏土顆粒級配曲線Fig.1 Grain-size distribution of the silty clay

表2 桂林地區(qū)粉質(zhì)黏土的礦物組成Table 2 Mineral composition of Guilin silty clay

2.3 試驗方法

2.3.1 界限含水率試驗

測定土的界限含水率，可采用碟式儀測定土的液限、滾搓法測定塑限及收縮皿法測定土的縮限，國內(nèi)較為廣泛的采用液、塑限聯(lián)合測定法測定土的液限和塑限[19－21]。本次試驗土樣的黏粒含量高于13%，液、塑限聯(lián)合測定法的試驗結(jié)果真實有效，故采用液、塑限聯(lián)合測定法來確定桂林地區(qū)粉質(zhì)黏土的液、塑限，進而計算出塑性指數(shù)以確定土的可塑性[22]。

根據(jù)《土工試驗方法標準》[21]，本試驗將風干的粉質(zhì)黏土過0.5 mm篩后放置于烘箱低溫烘干。取250 g土樣，平均分配后分別放入3個盛土皿中，加入不等量的去離子水將土樣調(diào)成均勻膏狀，分別控制3份土樣的含水率在液限、略大于塑限和兩者的中間狀態(tài)，使得試驗時圓錐入土深度可以分別控制在3～4 mm、7～9 mm、15～17 mm范圍以內(nèi)。隨后，將調(diào)配好的不同稠度的土膏分別裝入3個塑料袋中，并放置于保濕缸中密封保存24 h后測其液、塑限，與此同時，進行多組平行試驗以保證數(shù)據(jù)的準確性。重復(fù)上述步驟，此時將去離子水依次換成濃度為 0.01，0.5，1.0，2.0 mol/L 的 NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2溶液，為使土體顆粒與水溶液充分反應(yīng)，須將調(diào)配好的土膏密封靜置30 d再進行試驗，通過計算分析得到孔隙溶液對粉質(zhì)黏土界限含水率變化的影響規(guī)律。

2.3.2 微觀結(jié)構(gòu)試驗

微觀結(jié)構(gòu)是土體的一個重要特征亦是土體結(jié)構(gòu)單元體性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，且土體復(fù)雜的物理力學(xué)性質(zhì)都是其微觀結(jié)構(gòu)特性的集中體現(xiàn)，土的工程特性從本質(zhì)上來講都取決于其微觀結(jié)構(gòu)[23－24]。因此，研究土體的微觀結(jié)構(gòu)對了解土的宏觀表現(xiàn)，認識孔隙溶液對粉質(zhì)黏土特性變化的影響機制有著至關(guān)重要的作用。

掃描電子顯微鏡（SEM）作為一種輔助手段，用來觀測土體中土顆粒、粒團及微小孔隙的大小、形狀、排列情況及孔隙發(fā)育狀況，用 SEM 觀測對比水溶液調(diào)制的粉質(zhì)黏土與去離子水調(diào)配的土樣之間的差異，可從微觀層面分析孔隙溶液的變化對土體顆粒及孔隙造成的影響。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 界限含水率試驗

圖2 孔隙溶液對粉質(zhì)黏土液限的影響Fig.2 Effect of pore fluids on the liquid limit of silty clay

圖3 孔隙溶液對粉質(zhì)黏土塑限的影響Fig.3 Effect of pore fluids on the plastic limit of silty clay

圖 4為孔隙溶液對粉質(zhì)黏土塑性指數(shù) Ip的影響。從圖中可以看出，孔隙溶液對土體Ip的影響與其對土體界限含水率的影響規(guī)律相似，換言之，相同濃度尤其是高濃度下，同價陽離子半徑較小的水溶液使得粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)下降的較為明顯，且隨著陽離子價位的增高，其下降的幅度更大。

圖4 孔隙溶液對粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)的影響Fig.4 Effect of pore fluids on plasticity index of silty clay

本試驗所選取的粉質(zhì)黏土主要由細砂、石英等粉粒及黏土礦物等黏粒構(gòu)成，而粉粒和黏粒的含量占據(jù)主導(dǎo)地位，且黏粒對土體的可塑性起了至關(guān)重要的作用。黏粒表面一般帶負電荷，遇水后形成擴散雙電層，雙電層對于土體界限含水率存在直接的控制作用。

圖5為土顆粒之間的雙電層模型示意圖。在土顆粒之間同時存在雙電子層排斥力及范德華吸引力。當孔隙溶液中陽離子濃度變大時，陽離子被緊密的吸附在黏粒表面，使得熱力學(xué)電位降低，雙電層被壓縮，擴散層變薄，降低了土體顆粒的持水能力，導(dǎo)致粉質(zhì)黏土的液限降低，且結(jié)合水層含量的減少使得土的塑限和塑性指數(shù)減小，土的可塑性降低。并且價位較高的陽離子更容易被土顆粒表面的靜電引力吸引進入固定層，其對雙電層的影響更大，對土體界限含水率的影響更為明顯。

圖5 平行土顆粒之間的雙電層Fig.5 Double layer formed by parallel soil particle surface

為了進一步分析離子濃度對界限含水率的影響機制，這里以NaCl溶液和CaCl2溶液為例進行分析。根據(jù) Poisson-Boltzmann公式可以計算出雙電層的厚度[25]：

表3 溶液的介電常數(shù)DTable 3 Dielectric constant of solutions D

圖 6中為歸一化雙電層厚度隨離子濃度的變化，其中歸一化雙電層厚度以去離子水調(diào)配的粉質(zhì)黏土為基數(shù)進行歸一。從圖中可以看出，隨著離子濃度的增大，雙電層厚度逐漸減小，并且在低濃度階段減小的幅度較大；由于鈣離子價位高于鈉離子，在相同濃度時其對雙電層的影響大于鈉離子，充分說明了離子溶液通過改變雙電層的厚度來影響粉質(zhì)黏土的界限含水率。

圖6 孔隙溶液對歸一化雙電層厚度的影響Fig.6 Effect of pore fluids on normalized double layer

3.2 微觀結(jié)構(gòu)試驗

本次試驗選擇用掃描電子顯微鏡分別觀察去離子水調(diào)制的土樣和1 mol/L NaCl調(diào)配土樣。試驗結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 去離子水調(diào)配粉質(zhì)黏土微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Microstructure diagram of silty clay permeated with deionized water

圖8 1 mol/L NaCl溶液調(diào)配粉質(zhì)黏土微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Microstructure diagram of silty clay permeated with 1 mol/L NaCl

當孔隙溶液為去離子水時，小顆粒較多，顆粒間的孔隙很少；當孔隙溶液為1 mol/L 的NaCl時，土體顆粒略微變大，形成了粒團，且孔隙有明顯的增加，架空孔隙變大，說明 NaCl使粉質(zhì)黏土顆粒間發(fā)生絮凝導(dǎo)致局部顆粒變大，土體顆粒間孔隙增大，孔隙率變大，從微觀層面闡釋了水化學(xué)-力學(xué)耦合作用對粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)特性的影響，進一步解釋了孔隙溶液的改變對粉質(zhì)黏土界限含水率的影響機理。

4 結(jié) 論

（1）隨著孔隙溶液濃度的增大，粉質(zhì)黏土的液限WL、塑限WP和塑性指數(shù)IP均減??；且在相同濃度下同價陽離子半徑較小的水溶液使得粉質(zhì)黏土界限含水率下降的較為明顯，隨著陽離子價位的增高，其下降的幅度更大。

（2）水化學(xué)-力學(xué)耦合作用使得粉質(zhì)黏土顆粒間發(fā)生絮凝反應(yīng)，導(dǎo)致土體局部顆粒變大，土顆粒間孔隙增大，架空孔隙變多，孔隙率變大，從微觀層面闡釋了孔隙溶液的改變對粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)特性的影響機制。

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