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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)重，傳統(tǒng)意義上的僅用蒸餾水或自來水來進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)制，不僅是出于科學(xué)研究的需求，更要用其指導(dǎo)工程實(shí)際，保護(hù)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(yàn)既是細(xì)粒土最基本的試驗(yàn)項(xiàng)目，亦是分析土的性質(zhì)的必測項(xiàng)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(qiáng)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(xì)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(biāo)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)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?cái)M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(yàn)進(jìn)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(jī)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(jī)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(rèn)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(yàn)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(jìn)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

日常生活中土體會遭受到生產(chǎn)及生活過程當(dāng)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(yàn)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(jìn)行粉質(zhì)黏土界限含水率的測試試驗(yàn)，分析孔隙溶液對界限含水率的影響。

2.2 試驗(yàn)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(biāo)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(biāo)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(yàn)方法

2.3.1 界限含水率試驗(yàn)

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(yàn)土樣的黏粒含量高于13%，液、塑限聯(lián)合測定法的試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)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(jìn)而計(jì)算出塑性指數(shù)以確定土的可塑性[22]。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]，本試驗(yàn)將風(fēng)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(yàn)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(jìn)行多組平行試驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jìn)行試驗(yàn)，通過計(jì)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(yàn)

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(rèn)識孔隙溶液對粉質(zhì)黏土特性變化的影響機(jī)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(tuán)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(yàn)結(jié)果及分析

3.1 界限含水率試驗(yàn)

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(yàn)所選取的粉質(zhì)黏土主要由細(xì)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(fù)電荷，遇水后形成擴(kuò)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(dāng)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(kuò)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(jìn)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(jìn)一步分析離子濃度對界限含水率的影響機(jī)制，這里以NaCl溶液和CaCl2溶液為例進(jìn)行分析。根據(jù) Poisson-Boltzmann公式可以計(jì)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(jìn)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(yàn)

本次試驗(yàn)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(yàn)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(dāng)孔隙溶液為去離子水時，小顆粒較多，顆粒間的孔隙很少；當(dāng)孔隙溶液為1 mol/L 的NaCl時，土體顆粒略微變大，形成了粒團(tuán)，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(jìn)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(jī)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?。磺以谙嗤瑵舛认峦瑑r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(jī)制。

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