Effect of Dispersant on Particle Size Composition of Sandy Shale Laterite （■2d）

周志彬 ZHOU Zhi-bin；符必昌 FU Bi-chang；牛志文 NIU Zhi-wen

（昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

摘要：砂頁巖殘積紅土（■2d）性質(zhì)特殊，其粒度組成復雜。本文優(yōu)選 4 種分散劑對砂頁巖殘積紅土（■2d）進行對比試驗，討論分散劑種類和濃度對砂頁巖殘積紅土（■2d）團粒體的分散效果，以此獲得其粒度組成特征值。試驗結(jié)果表明，濃度為 4.0%的六偏磷酸鈉使砂頁巖殘積紅土（■2d）達到最佳分散效果，并獲得了相對應的粒度組成特征值。

Abstract： The sandy shale laterite （■2d） is of special nature and its grain size is complex. In this paper， four kinds of dispersants are used for comparative test of sandy shale laterite （■2d）， and the dispersion effect of dispersant type and concentration on sandy shale laterite （■2d） is discussed to obtain its grain size composition characteristic value. The results show that the best dispersion effect is achieved by the addition of sodium hexametaphosphate at the concentration of 4.0%， and the corresponding grain size composition characteristic value is obtained.

關鍵詞：殘積紅土；紅土分類；粒度組成測定；分散劑；六偏磷酸鈉

Key words： residual laterite；classification of laterite；particle size determination；dispersant；sodium hexametaphosphate

中圖分類號：P642.13+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0175-03

0 引言

紅土是熱帶、亞熱帶濕熱地區(qū)廣泛分布的具有特殊工程地質(zhì)性質(zhì)的土體[1]。至今，紅土學術(shù)界對用以解釋形成紅土的紅土化作用的認識仍是模糊的，特別是中國一致把紅土定名為紅黏土，且把紅黏土定義為碳酸鹽巖風化殼，致使碳酸鹽巖地區(qū)分布區(qū)之外的砂頁巖等大量硅酸鹽巖上覆紅土被忽視[1-3]。可以用密度法測定紅土的粒度組成，從而對紅土進行正確的分類和命名，在其粒度組成測定過程，所用分散劑種類和濃度對砂頁巖殘積紅土（■2d）粒度組成測定結(jié)果影響很大。本工作對4種分散劑進行研究，最終確定該類型紅土粒度組成的特征值。可為砂頁巖殘積紅土（■2d）粒度組成的分析測試推薦合適的分散劑。

1 粒度組成試驗方法

1.1 試驗土樣的化學組成及礦物組成

試驗土樣采用昆明長水國際機場砂頁巖殘積紅土（■2d），其化學及礦物組成見表1所示，全風化砂頁巖中的SiO2、Al2O3和Fe2O3含量分別為56.69%、20.38%和8.07%。紅土中的SiO2、Al2O3和Fe2O3含量分別為62.26%、18.27%、8.20%。由此可知，二者之間具有非常密切的成因聯(lián)系和繼承性，符合母巖與殘積紅土之間的形成模式。本文所選用的土樣也是云貴高原昆明長水機場砂頁巖殘積紅土中的散粒紅土[1]。

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1.2 試驗研究方法

為了客觀真實地反映由昆明長水機場選取砂頁巖殘積紅土散粒紅土（■2d）的粒度組成，首先在未加分散劑條件下，進行粒度組成的試驗。然后分別利用4種分散劑（六偏磷酸鈉、硅酸鈉、雙氧水和氨水）分別在不同濃度下進行試驗。此次試驗采用密度計法，密度計均為TM-85甲種密度計。試驗流程按照《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）[4]或《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）[5]進行，具體步驟是：

稱干質(zhì)量為30g的風干試樣倒入錐形瓶中，注入水200mL，浸泡過夜。然后將錐形瓶放在煮沸設備上，連接冷凝管進行煮沸約1h。將冷卻后的懸液倒入瓷杯中，靜置約1min將上部懸液倒入量筒。杯底沉淀物用帶橡皮頭研杵細心研散，加水，經(jīng)攪拌后靜置約1min再將上部懸液倒入量筒。如此反復操作，直至杯內(nèi)懸液澄清為止。當土中大于0.075mm的顆粒估計超過試樣總質(zhì)量的15%時，應將其全部倒至0.075mm篩上沖洗，直至篩上僅留大于0.075mm的顆粒為止。將留在洗篩上的顆粒洗入蒸發(fā)皿內(nèi)，傾去上部清水，烘干稱量，然后按規(guī)程進行細篩篩析。將過篩懸液倒入量筒，加入分散劑約10mL于量筒溶液中，再注入純水，使筒內(nèi)懸液達1000mL。用攪拌器在量筒內(nèi)沿整個懸液深度上下攪拌1min左右，往復30次，以確保懸液內(nèi)土粒分布均勻。取出攪拌器，在懸液中置入密度計，開動秒表。六偏磷酸鈉的濃度以1%、3%、4%、6%和8%為主（4%為《土工試驗規(guī)程SL237-1999》的建議濃度）；硅酸鈉采用的濃度以0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%為主（1%為《土工試驗規(guī)程SL237-1999》的建議濃度）；雙氧水采用的濃度以3%、5%、6%、7%和9%為主（6%為《土工試驗規(guī)程SL237-1999》的建議濃度）；氨水采用的濃度以4%、6%、8%、10%和12%為主（10%的濃度值被采用較多）。為了更加詳細地顯示粒度組成的變化規(guī)律，特增加10min和60min時的密度計讀數(shù)時間，同時多組試驗在1440min后增加了13個讀數(shù)（如2600min、4300min、5500min時的讀數(shù)），這將有利于顯示粒度組成曲線分布特征及規(guī)律。

2 砂頁巖散粒紅土粒度組成試驗結(jié)果

2.1 砂頁巖散粒紅土（■2d）在未加分散劑條件下的粒度組成分析結(jié)果

由表2顯示在未加分散劑條件下，散粒紅土（■2d）粗粒組（粒度大于0.075mm）含量為8%，粉粒組（粒度0.075～0.005mm）含量為74%，粘膠粒組（粒度小于0.005mm）含量為18%；土顆粒主要集中在粉粒和黏粒組，表明散粒紅土（■2d）土體顆粒極不均一，粉粒組團粒體在未加分散劑條件下較穩(wěn)定，主要以粉粒團粒體為主的狀態(tài)存在。

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2.2 不同分散劑對砂頁巖散粒紅土（■2d）各粒組含量的影響

2.2.1 六偏磷酸鈉對紅土粒度組成的影響

在一定濃度范圍內(nèi)，隨著六偏磷酸鈉濃度的增加，散粒紅土（■2d）黏粒組含量不斷增大。在其濃度為4.0%時，黏粒組含量增至最大值58%，反映了土體中結(jié)構(gòu)單元體存在大量的膠體顆粒，表明該類型紅土的紅土化作用程度較高。從表2可以看出，六偏磷酸鈉濃度為4%、時，散粒紅土的黏、膠粒組含量達到58%峰值。為此，特把4.0%當作散粒紅土在六偏磷酸鈉作用下的最佳分散劑濃度。

2.2.2 硅酸鈉對紅土粒度組成的影響

采用硅酸鈉作為分散劑時，在一定濃度范圍內(nèi)，黏粒含量隨著硅酸鈉的濃度增大，散粒紅土（■2d）黏膠粒組含量不斷增大，在硅酸鈉濃度為2.0%時，黏粒組含量增至最大值45%，黏粒組含量比無分散劑條件下的黏粒組含量增加27%。與六偏磷酸鈉相比，硅酸鈉對散粒紅土的分散作用效果明顯較差。為此，特把2.0%當作散粒紅土在硅酸鈉作用下的最佳分散劑濃度。

2.2.3 雙氧水對紅土粒度組成的影響

雙氧水作為分散劑時，在一定濃度范圍內(nèi)，隨著雙氧水濃度的增大，散粒紅土（■2d）黏粒組含量不斷增大。在雙氧水濃度為7.0%時，黏粒組含量增至最大值22%，黏粒組含量比無分散劑條件下的黏粒組含量增加4%。與六偏磷酸鈉、硅酸鈉相比，雙氧水對散粒紅土（的分散作用效果明顯較差。為此，特把7.0%當作散粒紅土在雙氧水作用下的最佳分散劑濃度。

2.2.4 氨水作用下的粒度成分試驗成果

氨水作為分散劑時，在一定濃度范圍內(nèi)，隨著氨水濃度的增大，散粒紅土（■2d）黏膠粒組含量不斷增大。在氨水濃度為8.0%時，黏粒組含量增至最大值25%。與六偏磷酸鈉、硅酸鈉、雙氧水相比，氨水對散粒紅土（的分散作用效果弱于六偏磷酸鈉、硅酸鈉，但比雙氧水分散效果好。為此，特把8.0%當作散粒紅土在氨水作用下的最佳分散劑濃度。

2.3 分散劑對砂頁巖散粒紅土（■2d）級配影響

由圖1顯示，該土樣在未加分散劑的條件下分散效果很不理想，粉粒組含量高達74%，按紅土粒度分類應該屬于粉土。粒度分布曲線在粒徑為0.1～0.20mm粒組區(qū)間較為平緩，在0.02～0.01mm粒組區(qū)間較為陡直，顆分曲線總體連續(xù)度和光滑度與設計預期有一定差距，曲線的斜率并不是連續(xù)的，顆粒級配也不符合試驗要求。特別是在添加六偏磷酸鈉濃度為4.0%后，其粒度曲線在0.02～0.002mm粒組區(qū)間變緩，曲線斜率變化很小且連續(xù)黏粒組含量增至最大值。從而得知該分散劑對粉粒組團粒作用效果很顯著，顆粒級配良好，按紅土粒度分類應該屬于“黏土”。當硅酸鈉濃度為2.0%時，其粒度曲線在粒徑為0.1～0.002mm粒組區(qū)間變緩，曲線斜率居中，黏粒組含量達到45%，黏粒組含量比未加分散劑條件下的黏粒組含量增加27%，按紅土粒度分類應該屬于“粉黏”。當雙氧水濃度為7%時，得到的分散效果相比未加分散劑時有所加強但不明顯，曲線類似未加分散劑形狀，顆粒級配不良，且斜率變化幅度較大，粉粒含量達到71%，按紅土粒度分類應該屬于“粉土”。采用氨水濃度為8.0%時，其粒度曲線在粒徑為0.02～0.005 mm粒組區(qū)間較陡，在黏粒組含量中，黏粒組含量達到25%，黏粒組含量比未加分散劑條件下的黏粒組含量增加7%，按紅土粒度分類應該屬于“粉土”。

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從本質(zhì)來講，化學分散就是通過破壞團粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部微細粒黏土礦物之間的結(jié)合水連結(jié)以及游離氧化鐵與黏土礦物之間的靜電引力而形成的包膜膠結(jié)（具有很強的水穩(wěn)性，作用力是靜電引力，機械力不能使其分開）來打散團粒結(jié)構(gòu)的分散方法[6]。添加分散劑后，我們會發(fā)現(xiàn)粉粒組明顯減少，而黏粒卻有一定程度的增多。這是因為加入的分散劑與氧化鐵發(fā)生了反應，并生成一種絡合物，該物質(zhì)能夠打散膠結(jié)的土顆粒。黏土膠體吸附溶液中的離子具有選擇性[7]，如果在溶液中摻入分散劑六偏磷酸鈉，其遇水離解成Na+、PO3-，而黏性土中通常都含有鈉、鉀礦物質(zhì)，具有選擇吸附作用的土粒的離子首先會將鈉離子吸收，當擴散層達到一定厚度時，黏膠粒會相互分離，團粒結(jié)構(gòu)逐漸解體。但是相對來講，氨水和雙氧水離子的選擇吸附作用極少發(fā)生，所以這兩種物質(zhì)不適合作為分散劑使用[8]。

3 結(jié)論

①在用密度法測定紅土粒度時，隨所用分散劑種類和濃度的不同，所得黏粒含量差別較大，從而影響紅土分類和命名，由此可見分散劑種類和濃度的選擇是至關重要的。

②在所4種分散劑對比試驗結(jié)果表明，使該土樣達到的特殊黏膠粒含量的分散劑濃度分別為：4%六偏磷酸鈉（黏粒組含量58%）、2%硅酸鈉（黏粒組含量45%）、8%氨水（黏粒組含量25%）、7%雙氧水（黏粒組含量22%）、未加分散劑（黏粒組含量為18%）。砂頁巖殘積紅土散粒紅土（■2d）在六偏磷酸鈉作為分散劑所得黏粒含量最高，硅酸鈉次之，其他兩種分散劑的黏粒含量較低，幾乎與無分散劑條件下持平，分散效果不理想。六偏磷酸鈉對散粒紅土（■2d）分散作用效果最好。為此，可將4.0%六偏磷酸鈉作用下獲得的粉粒組含量36%、黏粒組含量58%、數(shù)值作為散粒紅土（■2d）最佳分散狀態(tài)下的粒度成分特征值。

參考文獻：

[1]符必昌，黃英，方麗萍，等.云南高原巖溶區(qū)紅土成因重大創(chuàng)新研究[M].北京：中國科技出版社，2013.

[2]黃英，符必昌.紅土化作用及紅土的工程地質(zhì)特性研究[J].巖土工程學報，1998，20（3）：40-44.

[3]符必昌，黃英，方麗萍.紅土化作用及紅土的工程地質(zhì)分類[J].云南地質(zhì)，1997（2）：197-206.

[4]中華人民共和國水利部.《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[5]中華人民共和國建設部.《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）[M].北京：中國計劃出版社，1999.

[6]周訓華，廖義玲.紅黏土顆粒之間結(jié)構(gòu)連結(jié)的膠體化學特征[J].貴州工業(yè)大學學報（自然科學版），2004，33（1）：26-29.

[7]王繼莊.游離氧化鐵對紅黏土工程特性的影響[J].巖土工程學報，1983，5（1）：147-156.

[8]李明和，符必昌，廖永軍，等.不同分散劑對紅土粒度成分的影響[J].科學技術(shù)與工程，2014（16）：300-303.