于澤溪，李育超，陳冠年

(1.軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江大學(xué))，杭州 310058; 2.浙江大學(xué) 巖土工程研究所，杭州 310058)

膨潤(rùn)土是一種蒙脫石含量為70%～95%的黏土.蒙脫石比表面積大(800 m2/g)且?guī)в写罅康呢?fù)電荷[1]，在水化過程中可吸附大量的陽離子和水分子，使蒙脫石層間距離增加，體積增大數(shù)倍[2-3]，可阻礙自由水流動(dòng)，因此膨潤(rùn)土具有低滲透性[4-5].蒙脫石層間的陽離子以一價(jià)鈉離子為主的膨潤(rùn)土和以二價(jià)鈣離子為主的膨潤(rùn)土分別為鈉質(zhì)膨潤(rùn)土和鈣質(zhì)膨潤(rùn)土.相比鈣質(zhì)膨潤(rùn)土，鈉質(zhì)膨潤(rùn)土的剩余表面電荷和可交換Na+的量較多，以上特征使鈉質(zhì)膨潤(rùn)土具有較強(qiáng)的水化膨脹能力和低滲透性[6]，因此，鈉質(zhì)膨潤(rùn)土被廣泛用作填埋場(chǎng)與污染場(chǎng)地防污屏障材料.防污屏障利用低滲透性的土質(zhì)或人工材料對(duì)污染物或受污染土水進(jìn)行圍封[7]，將地下污染源與周邊水土隔離，可有效防止填埋場(chǎng)和污染場(chǎng)地中的污染液(滲濾液或污水)擴(kuò)散至周邊的地下水或土壤.

防污屏障根據(jù)其布置形式及功能分為水平屏障和垂直屏障.與其他水平屏障和垂直屏障相比(如壓實(shí)黏土襯墊、水泥系隔離墻等)，土工聚合黏土襯墊(GCL)和膨潤(rùn)土系隔離墻具有防滲能力強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在污染水土風(fēng)險(xiǎn)管控和治理中得到廣泛應(yīng)用[8].然而，填埋場(chǎng)中的滲瀝液、污染場(chǎng)地中被污染的地下水及沿海地區(qū)的地下水含有大量離子，防污屏障中的膨潤(rùn)土與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后滲透系數(shù)大幅度增加，對(duì)污染物的阻滯功能減弱[9]，甚至達(dá)不到相關(guān)規(guī)范的要求.Shackelford等[10]將化學(xué)溶液對(duì)膨潤(rùn)土工程特性(如滲透特性、膨脹特性和固結(jié)特性等)的影響稱為膨潤(rùn)土與化學(xué)溶液的化學(xué)相容性，其是評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土服役性能的重要指標(biāo).因此，設(shè)計(jì)防污屏障時(shí)，必須考慮膨潤(rùn)土與鹽溶液的化學(xué)不相容造成的不利影響，以避免防污屏障滲透系數(shù)過小評(píng)價(jià)造成服役壽命的錯(cuò)誤評(píng)估.

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鹽溶液與鈉質(zhì)膨潤(rùn)土的化學(xué)相容性進(jìn)行了一些研究.Jo等[11]通過試驗(yàn)分析了鹽溶液中陽離子的濃度和價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土滲透性和膨脹特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著陽離子濃度的增加，鈉質(zhì)膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)增大、膨脹指數(shù)減??；相同濃度下，隨陽離子價(jià)態(tài)升高，鈉質(zhì)膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)增大、膨脹指數(shù)減小，但未研究滲透系數(shù)和膨脹指數(shù)變化間的相關(guān)性.Katsumi等[12]通過試驗(yàn)分析了鹽溶液中陽離子的濃度和價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土液限的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著陽離子濃度的增加，鈉質(zhì)膨潤(rùn)土的液限減??；相同濃度下，隨陽離子價(jià)態(tài)升高，鈉質(zhì)膨潤(rùn)土的液限減小.Katsumi等[12]未研究滲透系數(shù)和液限變化間的相關(guān)性.

本文以膨脹指數(shù)和塑性指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用不同濃度的NaCl溶液和CaCl2溶液作為試驗(yàn)溶液，通過自由膨脹試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)和不同壓力下的滲透試驗(yàn)，研究鹽溶液對(duì)鈉質(zhì)膨潤(rùn)土滲透性和基本物理特性的影響，探究固結(jié)壓力對(duì)膨潤(rùn)土滲透系數(shù)變化的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)與滲透系數(shù)之間變化的相關(guān)性，提出將操作簡(jiǎn)便、試驗(yàn)周期短的自由膨脹試驗(yàn)和界限含水量試驗(yàn)作為工程中初選滲透系數(shù)的手段，并評(píng)估其可行性.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 鈉質(zhì)膨潤(rùn)土

采用的膨潤(rùn)土是美國(guó)懷俄明膨潤(rùn)土，通過X射線衍射分析測(cè)得該膨潤(rùn)土的礦物組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71.4%蒙脫石、12.3%石英、12.7%中長(zhǎng)石、3.6%伊利石，通過比重瓶法測(cè)得顆粒相對(duì)體積質(zhì)量為2.55，通過液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)得液限和塑限(去離子水)分別為267.0和24.8，塑性指數(shù)為242.2，通過自由膨脹試驗(yàn)測(cè)得膨脹指數(shù)(去離子水)為26.5 mL/2 g.通過快速法測(cè)試的陽離子交換量和Shackelford等[13]測(cè)試的懷俄明膨潤(rùn)土陽離子交換量見表1.

表1 膨潤(rùn)土的陽離子交換量

由表1可知，除Na+的可交換陽離子量略高于Shackelford等[13]的測(cè)試結(jié)果，其他離子的可交換陽離子量基本一致.根據(jù)GB/T 20973—2007《膨潤(rùn)土》[14]，懷俄明膨潤(rùn)土為鈉質(zhì)膨潤(rùn)土.

1.1.2 試驗(yàn)溶液

收集測(cè)試了江蘇沿海多地的地下水陽離子濃度，見表2.Na+和Ca2+為濃度最多的陽離子，故采用NaCl和CaCl2兩種溶液作為試驗(yàn)溶液，對(duì)比一價(jià)和二價(jià)陽離子對(duì)膨潤(rùn)土膨脹特性、界限含水量和滲透性的影響規(guī)律.另外，采用去離子水進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，為化學(xué)相容性的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).由表2可知，調(diào)查城市的地下水中一價(jià)陽離子和二價(jià)離子的常見濃度分別為100和20 mmol/L.為獲取較為完整的變化規(guī)律，試驗(yàn)選取較大的濃度范圍，見表3.

表2 江蘇典型沿海城市地下水陽離子濃度

表3 鈉質(zhì)膨潤(rùn)土工程特性相關(guān)性試驗(yàn)方案

1.1.3 膨潤(rùn)土泥漿制備

本文試驗(yàn)的泥漿由質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的膨潤(rùn)土和94%的鹽溶液或去離子水制成，其制備方法為：采用自動(dòng)攪拌器將懷俄明膨潤(rùn)土與鹽溶液或去離子水以800 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌15 min制成泥漿，將所制泥漿倒入燒杯中密封靜置24 h后，再次用自動(dòng)攪拌器以800 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min，然后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 自由膨脹試驗(yàn)

自由膨脹試驗(yàn)參照ASTM D5890[15]，將2 g烘干的膨潤(rùn)土加入100 mL鹽溶液中，靜置24 h后記錄量筒中沉降后膨潤(rùn)土的體積.還測(cè)試上清液中Na+、K+、Ca2+、Mg2+4種陽離子的濃度.

1.2.2 界限含水率試驗(yàn)

采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定膨潤(rùn)土的界限含水量，試驗(yàn)步驟參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16].用鹽溶液將鈉質(zhì)膨潤(rùn)土調(diào)成3種不同稠度狀態(tài)的試樣，放入調(diào)土皿中，浸潤(rùn)24 h.使用聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)試圓錐在3個(gè)試樣中的下沉深度，并測(cè)量3個(gè)試樣的含水量.

1.2.3 滲透試驗(yàn)

結(jié)合改進(jìn)濾失試驗(yàn)和柔壁滲透儀測(cè)試方法進(jìn)行滲透試驗(yàn).改進(jìn)濾失試驗(yàn)源自濾失試驗(yàn)[17]，該方法能夠快速、簡(jiǎn)便地測(cè)試膨潤(rùn)土泥餅的滲透系數(shù)[18-20].由于膨潤(rùn)土泥餅的有效應(yīng)力沿高度方向變化——泥餅頂部的有效應(yīng)力為零，泥餅底部的有效應(yīng)力等于施加的氣壓，泥餅的孔隙比沿高度方向是不均勻的，泥餅的滲透系數(shù)沿高度方向變化[18].采用改進(jìn)濾失試驗(yàn)只能得到膨潤(rùn)土試樣的垂直等效滲透系數(shù).使用柔壁滲透儀測(cè)試膨潤(rùn)土泥餅的滲透系數(shù)，可得到整個(gè)試樣在有效應(yīng)力相同條件下的滲透系數(shù).

柔壁滲透試驗(yàn)中膨潤(rùn)土泥餅的制作方法是整個(gè)過程的關(guān)鍵步驟，本文提出了以下方法.將泥漿注入RCLF-1A型中壓濾失儀中，接通氣壓并將壓力調(diào)至12 kPa進(jìn)行壓濾.壓濾結(jié)束后抽取剩余的上覆泥漿，將定制的杯型橡膠膜套在中壓濾失儀上(見圖1(a)).向橡膠膜中注滿水，并在泥餅頂部放置表面平整的重物(見圖1(b))，接通氣壓并將壓力調(diào)至12 kPa.橡膠膜中的水將壓力傳遞給膨潤(rùn)土泥餅使其繼續(xù)固結(jié)，固結(jié)時(shí)間為24 h(見圖1(c))，可得到有效應(yīng)力均勻的膨潤(rùn)土泥餅，泥餅的高度約為20 mm(見圖1(d)).

圖1 膨潤(rùn)土泥餅的制備過程

將直徑為70 mm的環(huán)刀緩慢的垂直壓入膨潤(rùn)土泥餅中，獲得直徑為70 mm的膨潤(rùn)土泥餅.將取得的膨潤(rùn)土泥餅試樣放置在柔壁滲透儀底座的透水石上進(jìn)行裝樣.采用柔壁滲透儀對(duì)膨潤(rùn)土泥餅分級(jí)加載，施加的有效固結(jié)應(yīng)力為12，25，50，100，200，400，800 kPa，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)測(cè)試采用的壓差為6，14，24，60，126，260，260 kPa.

當(dāng)試驗(yàn)滿足ASTM D5084[21]標(biāo)準(zhǔn)后即可計(jì)算膨潤(rùn)土泥餅的滲透系數(shù)，需同時(shí)滿足：1) 在最后連續(xù)3次的測(cè)試中，每個(gè)滲透壓差下的頂帽入流量與底座出流量的比值在0.75～1.25;2)每個(gè)壓差下的滲透試驗(yàn)，最后3次測(cè)的得流量值應(yīng)在平均流量值的0.75～1.25;3)在最后3次測(cè)試中，頂帽入流量和底座出流量不應(yīng)該有顯著的上升或下降的趨勢(shì).

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 膨脹指數(shù)

2.1.1 溶液陽離子濃度對(duì)膨脹指數(shù)的影響

采用不同濃度NaCl和CaCl2溶液測(cè)得的膨脹指數(shù)見圖2.膨潤(rùn)土在去離子水中的膨脹指數(shù)26.5 mL/2 g.隨著NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加，膨脹指數(shù)都先增長(zhǎng)再減?。涸?0 mmol/L NaCl溶液中膨脹指數(shù)達(dá)到峰值42.5 mL /2 g，比在去離子水中增加了16 mL/2 g.當(dāng)NaCl溶液的濃度從200 mmol/L增加到500 mmol/L時(shí)，膨脹指數(shù)下降速度最為顯著，從28.5 mL/2 g陡降至11.5 mL/2 g，占總下降值的45.3%.當(dāng)NaCl溶液濃度大于1 000 mmol/L時(shí)，膨脹指降低至5 mL/2 g左右，趨于穩(wěn)定不再變化；在5 mmol/L CaCl2溶液中，膨脹指數(shù)達(dá)到峰值38 mL/2 g，比在去離子水中增大了11.5 mL/2 g.當(dāng)CaCl2溶液的濃度從5 mmol/L增加到10 mmol/L時(shí)，膨脹指數(shù)下降速度最為顯著，從38 mL/2 g陡降至18 mL/2 g，占總下降值的62.5%.當(dāng)CaCl2溶液的濃度大于100 mmol/L時(shí)，膨脹指降低至6 mL/2 g左右，陽離子濃度的變化對(duì)膨脹指數(shù)的影響較小.

2.1.2 溶液陽離子價(jià)態(tài)對(duì)膨脹指數(shù)的影響

陽離子價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土膨脹指數(shù)的影響見圖2.除了濃度很低(≤5 mmol/L)時(shí)，相同濃度下，膨潤(rùn)土在NaCl溶液中的膨脹指數(shù)均高于CaCl2溶液中的膨脹指數(shù).因此，二價(jià)陽離子對(duì)膨潤(rùn)土膨脹性能的抑制作用強(qiáng)于一價(jià)陽離子.膨潤(rùn)土在不同濃度的溶液中，其膨脹指數(shù)受陽離子價(jià)態(tài)的影響程度不同.從試驗(yàn)結(jié)果上看，中等濃度(20～100 mmol/L)下陽離子價(jià)態(tài)對(duì)膨脹指數(shù)的影響最大.膨潤(rùn)土在NaCl溶液中的膨脹指數(shù)比CaCl2溶液中高出22～28 mL/2 g，差距非常明顯；當(dāng)溶液濃度很高(≥1 000 mmol/L)時(shí)，膨潤(rùn)土在NaCl溶液和CaCl2溶液中的膨脹指數(shù)都下降至5 mL/2 g左右，二者非常接近，陽離子價(jià)態(tài)的變化對(duì)膨脹指數(shù)基本沒有影響.

圖2 陽離子濃度和價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土膨脹指數(shù)的影響

總體上，一價(jià)陽離子溶液中膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)變化程度更大：當(dāng)膨脹指數(shù)呈上升趨勢(shì)時(shí)，膨潤(rùn)土的膨脹體積在NaCl溶液中增加了16.5 mL/2 g，在CaCl2溶液中只增加了8 mL/2 g；當(dāng)膨脹指數(shù)呈下降趨勢(shì)時(shí)，膨潤(rùn)土的膨脹體積在NaCl溶液中減少了38.5 mL/2 g，在CaCl2溶液中減少了32 mL/2 g.

2.1.3 討 論

鈉質(zhì)膨潤(rùn)土水化膨脹分為兩個(gè)階段：結(jié)晶膨脹和滲透膨脹[1,22-23].滲透膨脹是影響鈉質(zhì)膨潤(rùn)土膨脹特性的關(guān)鍵因素，而蒙脫石層間一價(jià)陽離子的數(shù)量及陽離子的總濃度是影響滲透膨脹的關(guān)鍵因素[24-25].一價(jià)陽離子數(shù)量越多、陽離子總濃度越低，滲透膨脹發(fā)生后蒙脫石層間距離越大，膨潤(rùn)土的膨脹特性越好[6,11,13,26].

根據(jù)試驗(yàn)溶液的原濃度和上清液中離子濃度的測(cè)試結(jié)果，可計(jì)算出膨潤(rùn)土中蒙脫石層間陽離子的變化，結(jié)果見圖3.在NaCl溶液中，當(dāng)溶液濃度很低(<20 mmol/L)時(shí)，膨潤(rùn)土釋放Na+、K+、Ca2+、Mg2+，陽離子總濃度降低，層間一價(jià)陽離子數(shù)量減少，二者對(duì)滲透膨脹起相反的作用.當(dāng)溶液濃度較高(≥20 mmol/L)時(shí)，膨潤(rùn)土釋放K+、Ca2+、Mg2+，吸收Na+，吸收陽離子量大于釋放陽離子量，因此，陽離子總濃度升高，層間一價(jià)陽離子數(shù)量增加，二者也對(duì)滲透膨脹起相反的作用.因此，存在某一最優(yōu)濃度(c(Na+)=20 mmol/L)，最有助于膨潤(rùn)土的滲透膨脹，在該濃度下鈉質(zhì)膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)達(dá)到峰值.當(dāng)溶液濃度很低(<20 mmol/L)時(shí)，蒙脫石層間一價(jià)陽離子數(shù)量是影響滲透膨脹的主要因素，隨濃度增加，Na+釋放量減小，一價(jià)陽離子數(shù)量增加，因此，膨脹指數(shù)增大.當(dāng)溶液濃度較高(>20 mmol/L)時(shí)，蒙脫石層間陽離子總濃度是影響滲透膨脹的主要因素，隨濃度增加，Na+吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過K+、Ca2+、Mg2+釋放量的總和，陽離子總濃度增加，因此，膨脹指數(shù)減小.

圖3 膨潤(rùn)土自由膨脹試驗(yàn)中陽離子變化量

在CaCl2溶液中，Ca2+會(huì)置換蒙脫石層間的Na+.隨溶液濃度增加，膨潤(rùn)土吸收Ca2+量和釋放Na+、K+、Mg2+量增大.相比Na+和Ca2+，K+和Mg2+的變化量很小.膨潤(rùn)土釋放的Na+量高于吸收的Ca2+，中低濃度(≤100 mmol/L)下，陽離子總濃度降低，層間一價(jià)陽離子數(shù)量減少，二者對(duì)滲透膨脹起相反的作用，存在某一最優(yōu)濃度(c(Ca2+)=5 mmol/L)，最有助于膨潤(rùn)土的滲透膨脹，在該濃度下膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)達(dá)到峰值.當(dāng)溶液濃度很低(<5 mmol/L)時(shí)，蒙脫石層間陽離子總濃度是影響滲透膨脹的主要因素，隨濃度增加，陽離子的凈釋放量增加，陽離子總濃度減小，膨脹指數(shù)增大.當(dāng)溶液濃度較高(>5 mmol/L)時(shí)，蒙脫石層間一價(jià)陽離子數(shù)量是影響滲透膨脹的主要因素，隨濃度增加，Na+釋放量增大,一價(jià)陽離子數(shù)量減少，膨脹指數(shù)降低.當(dāng)溶液濃度很高(=500 mmol/L)時(shí)，膨潤(rùn)土吸收的Ca2+量高于釋放的Na+量，陽離子總濃度升高，層間一價(jià)陽離子數(shù)量減少，二者皆不利于滲透膨脹，膨脹指數(shù)減小.因此，膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)在CaCl2溶液中先增大再減小.

Ca2+會(huì)置換蒙脫石層間的一價(jià)陽離子(Na+、K+)，導(dǎo)致層間距離被壓縮.因此，在相同濃度下(除濃度很低(≤5 mmol/L)時(shí))，相比NaCl溶液，在CaCl2溶液中膨潤(rùn)土的膨脹性更差.當(dāng)溶液濃度很高(≥1 mol/L)時(shí)，蒙脫石層間距離被壓縮至極限，因此，膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)不受價(jià)態(tài)的影響.

2.2 界限含水量

2.2.1 溶液陽離子濃度對(duì)界限含水量的影響

陽離子濃度對(duì)膨潤(rùn)土塑限和液限的影響見圖4.塑限隨NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加而增大，當(dāng)NaCl溶液的濃度從20 mmol/L增加到1 000 mmol/L時(shí)，塑限從31.4增加到41.0；當(dāng)CaCl2溶液的濃度從5 mmol/L增加到500 mmol/L時(shí)，塑限從29.5增加到37.9.膨潤(rùn)土塑限增長(zhǎng)的速度隨溶液濃度的增加變緩.

圖4 陽離子濃度和價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土塑限和液限的影響

液限隨NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加而減小，當(dāng)NaCl溶液濃度從20 mmol/L增加到1 000 mmol/L時(shí)，液限從269.2下降到95.6；當(dāng)CaCl2溶液的濃度從5 mmol/L增加到500 mmol/L時(shí)，液限從259.2下降到101.1 .當(dāng)濃度較低(c(Na+)≤200 mmol/L、c(Ca2+)≤100 mmol/L)時(shí)，液限下降的速度十分顯著.隨著溶液濃度的增加，液限下降的速度逐漸變緩.陽離子濃度的變化對(duì)膨潤(rùn)土塑限的影響不大，對(duì)膨潤(rùn)土液限的影響明顯.

2.2.2 溶液陽離子價(jià)態(tài)對(duì)界限含水量的影響

陽離子價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土塑限和液限的影響見圖4.去離子水制成的膨潤(rùn)土試樣的塑限和液限分別為24.8和267.0.相同濃度下，CaCl2溶液制成試樣的塑限大于NaCl溶液制成的試樣，且二者的塑限都大于去離子水配成試樣的塑限.由此可見，離子價(jià)態(tài)越高，塑限越大.但是，總體上離子價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土塑限的影響較小.相同濃度下，CaCl2溶液和NaCl溶液制成的試樣，二者之間塑限的差距不超過5.當(dāng)溶液的濃度很高(≥500 mmol/L)時(shí)，二者的塑限基本相同.

相同濃度下，NaCl溶液制成試樣的液限大于CaCl2溶液制成的試樣，且二者的液限都小于去離子水配成試樣的液限(除20 mmol/L NaCl溶液配成試樣的液限為269.2，略高于去離子水制成的試樣).結(jié)果表明，離子價(jià)態(tài)越高，液限越小.隨著濃度的增加，兩種溶液制成試樣液限之間的差異減小，其他研究也得到相同的規(guī)律[27].中等濃度(≤100 mmol/L)下，NaCl溶液制成試樣液限比CaCl2溶液制成試樣的液限高70左右.當(dāng)溶液濃度很高(=500 mmol/L)時(shí)，NaCl溶液制成試樣的液限僅比CaCl2溶液制成試樣的液限高22.5.

當(dāng)黏土的含水量接近液限時(shí)，土顆粒之間被自由水隔開，土體不能承受任何剪應(yīng)力，而呈流動(dòng)狀態(tài).鹽溶液濃度增加會(huì)導(dǎo)致膨潤(rùn)土中蒙脫石層間結(jié)合水含量減小，即膨潤(rùn)土水化所需結(jié)合水含量降低、自由水更早出現(xiàn).因此，隨著溶液濃度增加，液限下降明顯.相同濃度下，在CaCl2溶液中膨潤(rùn)土水化所需結(jié)合水含量更少.因此，離子價(jià)態(tài)越高，液限越小.

2.2.3 溶液陽離子對(duì)膨潤(rùn)土結(jié)合水含量的影響

由于陽離子的存在會(huì)使膨潤(rùn)土的塑限增大、液限減小，所以，隨著溶液濃度的增加，塑性指數(shù)呈下降趨勢(shì).當(dāng)NaCl溶液的濃度從20 mmol/L增加到500 mmol/L時(shí)，塑性指數(shù)從237.8下降到54.6；當(dāng)CaCl2溶液的濃度從5 mmol/L增加到200 mmol/L時(shí)，塑性指數(shù)從229.7下降到63.2.相比液限，陽離子價(jià)態(tài)和濃度對(duì)塑限的影響非常小.因此，膨潤(rùn)土塑性指數(shù)的變化規(guī)律與液限非常接近，見圖5.

圖5 陽離子濃度和價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土塑性指數(shù)的影響

塑性指數(shù)越小，膨潤(rùn)土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍越小，這就代表膨潤(rùn)土中結(jié)合水的可能含量越小.當(dāng)溶液濃度很低時(shí)，陽離子對(duì)于塑性指數(shù)的影響很小.隨著溶液濃度的增加，溶液中的陽離子與膨潤(rùn)土中的陽離子發(fā)生置換，使膨潤(rùn)土中蒙脫石層間結(jié)合水含量降低.溶液中的陽離子價(jià)態(tài)越高，置換后結(jié)合水含量越低.所以，表現(xiàn)為相同濃度下，CaCl2溶液制成試樣的塑性指數(shù)小于NaCl溶液制成試樣的塑性指數(shù).

2.3 滲透系數(shù)

2.3.1 固結(jié)壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響

測(cè)定的固結(jié)壓力與膨潤(rùn)土滲透系數(shù)的關(guān)系如圖6所示.隨著固結(jié)壓力的增加，膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)降低，二者在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系.膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)降低是由于固結(jié)壓力增加導(dǎo)致其孔隙比降低[28].當(dāng)固結(jié)壓力為800 kPa時(shí)，相比12 kPa，其滲透系數(shù)降低1/1 000～1/500.由此可見，固結(jié)壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響很大.當(dāng)固結(jié)壓力由12 kPa增加到800 kPa時(shí)，膨潤(rùn)土在1 000 mmol/L NaCl溶液中滲透系數(shù)與20 mmol/L NaCl溶液中滲透系數(shù)的比值(k1 000/k20)由5.8降低到2.7，二者之間滲透系數(shù)的差距減小.當(dāng)滲透溶液為CaCl2溶液時(shí)也可觀察到類似的現(xiàn)象：當(dāng)固結(jié)壓力由12 kPa增加到800 kPa時(shí)，膨潤(rùn)土在500 mmol/L CaCl2溶液中滲透系數(shù)與20 mmol/L CaCl2溶液中滲透系數(shù)的比值(k500/k20)由8.4降低到3.7.由此可見，固結(jié)壓力越大，鹽溶液濃度變化對(duì)膨潤(rùn)土滲透性的影響越小，Shackelford等[13]的試驗(yàn)結(jié)果也反映了該規(guī)律.

圖6 固結(jié)壓力與膨潤(rùn)土滲透系數(shù)的關(guān)系

2.3.2 溶液陽離子濃度對(duì)滲透系數(shù)的影響

溶液陽離子濃度對(duì)膨潤(rùn)土滲透系數(shù)的影響見圖7.在12～800 kPa的固結(jié)壓力下，隨著溶液濃度的增加，膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)增大, 且都高于其在去離子水中的滲透系數(shù)(除12 kPa下200 mmol/L NaCl溶液中的滲透系數(shù)較明顯地低于去離子水中的滲透系數(shù)，由于二者非常接近，這個(gè)現(xiàn)象是由儀器誤差造成的)，當(dāng)溶液處于中低濃度(≤200 mmol/L)時(shí)，Na+濃度的變化對(duì)滲透系數(shù)的影響很小，滲透系數(shù)在NaCl溶液中幾乎沒有明顯的變化，并且與去離子水中的滲透系數(shù)十分接近.當(dāng)溶液濃度很高(≥500 mmol/L)時(shí)，膨潤(rùn)土在NaCl溶液中的滲透系數(shù)顯著上升(k1000/k200=3.6～11.5).當(dāng)溶液濃度較低(≤20 mmol/L)時(shí)，膨潤(rùn)土在CaCl2溶液中的滲透系數(shù)顯著上升(k20/k5=2.6～4.7).當(dāng)溶液處于中等濃度和高濃度時(shí)，膨潤(rùn)土在CaCl2溶液中滲透系數(shù)的增長(zhǎng)速度變緩(k100/k20=1～1.9,k500/k100=1.2～1.4).

圖7 陽離子濃度對(duì)膨潤(rùn)土滲透系數(shù)的影響

2.3.3 溶液陽離子價(jià)態(tài)對(duì)滲透系數(shù)的影響

溶液陽離子價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土滲透系數(shù)的影響見圖8.在12～800 kPa的固結(jié)壓力范圍內(nèi)，膨潤(rùn)土在CaCl2溶液中的滲透系數(shù)均高于相同濃度NaCl溶液中的滲透系數(shù)(kCaCl2/kNaCl=2～7.7).由此可見，膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)隨陽離子價(jià)態(tài)升高而增大.當(dāng)溶液濃度較低(=20 mmol/L)時(shí)，陽離子價(jià)態(tài)對(duì)滲透系數(shù)的影響較弱(kCaCl2/kNaCl=2.6～3.5).在中等濃度(100 mmol/L)下，陽離子價(jià)態(tài)對(duì)滲透系數(shù)的影響最大(kCaCl2/kNaCl=4.2～7.7).隨著溶液濃度的升高，在高濃度(500 mmol/L)下，陽離子價(jià)態(tài)對(duì)滲透系數(shù)的影響作用降低(kCaCl2/kNaCl=2.0～6.1).

圖8 陽離子價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土滲透系數(shù)的影響

上述試驗(yàn)表明，陽離子的濃度和價(jià)態(tài)均會(huì)影響膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)，這是由于影響蒙脫石層間結(jié)合水導(dǎo)致的.如圖9所示，陽離子濃度增加或價(jià)態(tài)上升均會(huì)導(dǎo)致膨潤(rùn)土中蒙脫石層間的結(jié)合水含量減小，層間距被壓縮[26,29-30]，膨潤(rùn)土顆粒間自由水占比增大，微流徑發(fā)展成較大流徑[31]，流通空間增大，因此，膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)增大.

1—膨潤(rùn)土顆粒;2—蒙脫石層間距;3—自由水流通空間

3 結(jié)果分析

鹽溶液會(huì)影響膨潤(rùn)土的基本物理特性和滲透性，其根本原因是鹽溶液會(huì)影響膨潤(rùn)土中蒙脫石層間結(jié)合水的含量.這些結(jié)合水分子被蒙脫石結(jié)構(gòu)層間的負(fù)電荷緊緊吸附，其性質(zhì)接近固體、不可流動(dòng).當(dāng)結(jié)合水含量增加時(shí)，蒙脫石層間距離變大，在宏觀尺度上表現(xiàn)為膨脹指數(shù)增加；同時(shí)結(jié)合水占據(jù)更多孔隙空間，可供自由水流動(dòng)的孔隙體積減小，流動(dòng)的路徑更小、更曲折[32]，導(dǎo)致滲透系數(shù)降低.膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)的相關(guān)性如圖10所示.由于在12～800 kPa下，膨脹指數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線趨勢(shì)非常相似，選擇50和100 kPa下的關(guān)系曲線作為代表曲線進(jìn)行說明.

在NaCl溶液中，膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)之間的變化規(guī)律可分為3個(gè)階段.首先，隨著溶液濃度的增加，膨脹指數(shù)減小，滲透系數(shù)基本不變.到達(dá)臨界濃度(200 mmol/L)后，膨脹指數(shù)發(fā)生陡降，滲透系數(shù)發(fā)生變化開始增大.當(dāng)濃度較高(>500 mmol/L)時(shí)，膨脹指數(shù)下降速度變緩，滲透系數(shù)顯著增大.總體上，膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)在NaCl溶液中的相關(guān)性較弱，但膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)和膨脹指數(shù)在NaCl溶液中的敏感濃度基本一致，超過臨界濃度后二者都發(fā)生較為顯著的變化.

圖10 膨潤(rùn)土滲透系數(shù)和膨脹指數(shù)的關(guān)系

在CaCl2溶液中，膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出較良好的相關(guān)性.除溶液濃度很高(≥100 mmol/L)時(shí)，滲透系數(shù)的變化幅度高于膨脹指數(shù).因此，可根據(jù)膨脹指數(shù)在CaCl2溶液中的試驗(yàn)結(jié)果推測(cè)滲透系數(shù)的變化規(guī)律，這在工程上具有重要的意義.自由膨脹試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)周期短，滲透試驗(yàn)操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，建立膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)之間的關(guān)系后，可以用自由膨脹試驗(yàn)代替滲透試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試.雖然膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)在NaCl溶液中的線性相關(guān)性較弱，但二者的臨界濃度相同，故可根據(jù)膨脹指數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果推測(cè)滲透系數(shù)的臨界濃度，即當(dāng)溶液濃度高于臨界濃度后，滲透系數(shù)將發(fā)生較為明顯的變化.

塑性指數(shù)代表膨潤(rùn)土處于可塑狀態(tài)含水量的變化范圍，因此，膨潤(rùn)土可吸附的結(jié)合水含量越多，可塑狀態(tài)含水量變化范圍越大.隨著膨潤(rùn)土中蒙脫石層間結(jié)合水含量的增加，在宏觀尺度上表現(xiàn)為滲透系數(shù)降低，塑性指數(shù)增加.塑性指數(shù)和滲透系數(shù)之間的相關(guān)性如圖11所示.由于在12～800 kPa下，塑性指數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線趨勢(shì)非常相似，選擇50和100 kPa下的關(guān)系曲線作為代表曲線進(jìn)行說明.

在NaCl溶液中，塑性指數(shù)和滲透系數(shù)之間的變化規(guī)律可分為3個(gè)階段.首先，隨著溶液濃度的增加，塑性指數(shù)減小，透系數(shù)基本不變.到達(dá)臨界濃度(200 mmol/L)后，塑性指數(shù)保持相同的速度繼續(xù)減小，滲透系數(shù)發(fā)生變化開始增大.當(dāng)濃度較高(>500 mmol/L)時(shí)，塑性指數(shù)減小的速度變緩，滲透系數(shù)顯著增大.塑性指數(shù)和滲透系數(shù)在NaCl溶液中的敏感濃度并不一致，塑性指數(shù)在試驗(yàn)中未表現(xiàn)出突變的趨勢(shì).

圖11 膨潤(rùn)土滲透系數(shù)和塑性指數(shù)的關(guān)系

在CaCl2溶液中，塑性指數(shù)和滲透系數(shù)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出較為良好的相關(guān)性.除溶液濃度較低(≤20 mmol/L)時(shí)，滲透系數(shù)的變化幅度高于膨脹指數(shù).同樣地，可根據(jù)塑性指數(shù)在CaCl2溶液中的試驗(yàn)結(jié)果推測(cè)滲透系數(shù)的變化規(guī)律.界限含水量試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)周期短，也可作為滲透試驗(yàn)的替代選項(xiàng).

以上結(jié)果表明，懷俄明膨潤(rùn)土在CaCl2溶液中的膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)均與滲透系數(shù)之間存在較為良好的相關(guān)性.雖然懷俄明膨潤(rùn)土在NaCl溶液中的膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)和滲透系數(shù)之間的整體相關(guān)性較差，但當(dāng)溶液濃度超過臨界濃度(200 mmol/L)后，膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)均和滲透系數(shù)也存在較好的相關(guān)性.由此可見，用簡(jiǎn)單的界限含水量測(cè)試和膨脹指數(shù)測(cè)試代替滲透試驗(yàn)具有較好的可行性.

4 結(jié) 論

1)隨著NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加，膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)先增大再減小.除了濃度很低(≤5 mmol/L)時(shí)，相同濃度下，膨潤(rùn)土在NaCl溶液中的膨脹指數(shù)都高于CaCl2溶液中的膨脹指數(shù).

2)隨著NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加，膨潤(rùn)土的塑限增大、液限和塑性指數(shù)減小.溶液中陽離子濃度的變化對(duì)膨潤(rùn)土塑限的影響不大，對(duì)膨潤(rùn)土液限和塑性指數(shù)的影響明顯.相同濃度下，膨潤(rùn)土在CaCl2溶液中的塑限更大、液限和塑性指數(shù)更小.

3)隨著固結(jié)壓力的增加，膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)降低，二者在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系.隨著溶液濃度的增加，膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)增大.膨潤(rùn)土在CaCl2溶液中的滲透系數(shù)均高于相同濃度NaCl溶液中的滲透系數(shù).

4)膨潤(rùn)土在CaCl2溶液中的膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)均和滲透系數(shù)之間存在較為良好的相關(guān)性.在NaCl溶液中膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)與滲透系數(shù)之間的整體相關(guān)性較差，但是當(dāng)溶液濃度超過臨界濃度(200 mmol/L)后，膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)均與滲透系數(shù)也存在較好的相關(guān)性.因此，自由膨脹試驗(yàn)和界限含水量試驗(yàn)可作為工程中初選滲透系數(shù)的手段.