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        不同分散劑對紅黏土粒度分布的影響

        2022-05-06 14:24:22黃待望張子健
        科技和產(chǎn)業(yè) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:鈉溶液黏粒分維

        董 薇, 黃待望, 陸 洋, 張 鵬, 張子健

        (1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院, 江蘇 徐州 221116; 2.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司, 杭州 311122)

        紅黏土由于土中游離氧化鐵的存在,具有特殊的團粒結(jié)構(gòu)。土的粒度成分影響土的許多性質(zhì)[1-2]。在天然狀態(tài)下,游離氧化鐵包裹在黏土礦物顆粒表面,使得土顆粒未能充分分散,從而呈現(xiàn)出“假粉性”或“假砂性”的粒度分布特征。對紅黏土試樣采用密度計法進行顆粒成分分析時,需要加入分散劑,以破壞黏土顆粒的團聚效應,更能反映土顆粒成分真實粒徑。對于顆分試驗加入的分散劑種類和濃度,則存在一定的異議[3-10]。

        在已有研究中,多以顆粒級配曲線和黏粒含量占比來評估土的分散效果優(yōu)劣。紅黏土的物質(zhì)組成復雜,只用顆分曲線和黏粒含量來評估紅黏土的粒度成分組成,不夠全面,需要新的參數(shù)指標,從而能更有效地描述紅黏土的粒度成分特征。根據(jù)分形幾何理論,土體可看作一個自組織系統(tǒng),粒度分布實質(zhì)上描述的是土體系統(tǒng)物質(zhì)組成的空間結(jié)構(gòu),而分維大小與土的成因和工程性質(zhì)密切相關(guān),不僅能反映土顆粒大小,還能反映土顆粒之間的聯(lián)結(jié)情況,因此可以用分維值作為參數(shù)指標來描述土的粒度分布[11-13]。依據(jù)分形理論,用分維值作為指標,能更準確評估土的分散效果。

        本文通過對粒徑小于0.075 mm的土顆粒進行密度計法顆粒分析試驗,并對加入不同分散劑的試樣顆分試驗結(jié)果進行分析,運用分形理論,可以得到加入不同分散劑的土粒度分維值。用分維值這一參數(shù)來描述土顆粒粒度特征,可更準確地比較不同分散劑的分散效果,從而進一步闡述六偏磷酸鈉作為分散劑對于紅黏土粒度分布影響的本質(zhì)。

        1 土粒度分維的計算方法

        已有研究表明,黏性土的顆粒粒度具有線性分形結(jié)構(gòu),可以用分維來描述黏性土粒度分布特征[13-14]。確定土的粒度分維值有多種方法[15-16],如依據(jù)Mandelbrot提出的計算公式確定的數(shù)顆粒數(shù)法和質(zhì)量法,依據(jù)Scoot W Tyler提出的計算公式確定的計算顆粒數(shù)法。采用質(zhì)量法來確定土的粒度分維值時,是依據(jù)對于土顆粒粒度而言,在雙對數(shù)坐標上繪制顆粒大小級配曲線,如果小于某粒徑的顆粒質(zhì)量百分數(shù)和粒徑之間呈線性關(guān)系,那么直線段的斜率就是粒度的分維值。即:

        對于土的顆粒組成來說,設顆粒的直徑為r,直徑大于r的顆粒數(shù)目為N(r),P(r)為粒徑r的分布密度函數(shù),D即為粒度的分維,若

        (1)

        對公式求導,則有

        dN∝r-D-1dr

        (2)

        設M(r)為小于r粒徑的顆粒累積質(zhì)量,M為顆??傎|(zhì)量,如果

        (3)

        對公式求導,則有

        dM∝rb-1dr

        (4)

        又因為

        dM∝r3dN

        (5)

        則有

        rb-1dr∝r3·r-D-1dr

        (6)

        那么,D=3-b。

        2 不同濃度分散劑下紅黏土粒度的分布特征

        本次試驗用土取自江西省吉安市,紅黏土在該地區(qū)廣泛分布。本試驗用土經(jīng)過試驗測定液限含水率為51.4%,塑性指數(shù)為20.9,按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)推薦的細粒土分類方法,可判定為高液限粉土。

        本次試驗參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)中的密度計法進行,采用甲種密度計進行試驗。將土樣風干,然后過0.075 mm的篩,取篩分后的土樣30 g進行試驗。將試樣倒入錐形瓶,注入純水200 mL浸泡過夜,按試驗設計加入不同種類的分散劑,稍加搖晃后煮沸40 min。冷卻后將懸液倒入燒杯靜置1 min,將上部懸液過0.075 mm的篩后倒入容量為1 000 mL的量筒中,燒杯中沉淀下來的土用玻璃棒研磨后加入靜置1 min,再將上部懸液過0.075 mm的篩后倒入量筒,如此反復,直至杯中不再有沉土。再繼續(xù)向量筒中注入純水至恰好1 000 mL。用攪拌器往返約30次在量筒內(nèi)上下攪拌懸液,使其分布均勻。取出攪拌器后,開動秒表,分別經(jīng)過0.5、1、5、15、30、 60、120、1 440 min前10~20 s后,將密度計小心放入量筒內(nèi),到時間讀取密度計讀數(shù)。讀數(shù)準確至1,估讀至0.5。最后根據(jù)公式計算粒徑和小于某粒徑的土質(zhì)量分數(shù),繪制顆粒大小級配曲線。

        規(guī)范和已有研究[3-6]推薦的分散劑主要有4%六偏磷酸鈉、4%草酸鈉、2%氫氧化鈉、1%硅酸鈉。因此,先進行不加分散劑的紅黏土顆粒分析試驗,后分別對加入濃度為4%六偏磷酸鈉、4%草酸鈉、2%氫氧化鈉、1%硅酸鈉作為分散劑的紅黏土試樣進行顆粒分析試驗。

        2.1 不加分散劑情況下,紅黏土粒度分布特征

        不加分散劑情況下,利用密度計法得到的紅黏土顆粒大小級配曲線,如圖1所示。

        圖1 土顆粒級配曲線

        由圖1可看出,未加分散劑情況下,粒徑小于0.075 mm的紅黏土顆粒,粒徑主要分布在0.01~0.075 mm,且能看出這部分的土顆粒級配很不好。粒徑小于0.01 mm的土顆粒,級配曲線表現(xiàn)出近似為直線的特征。

        圖2 雙對數(shù)坐標下紅黏土粒度分布

        表1 紅黏土粒度成分與分維成果

        由表1可見,本試驗用土黏粒含量為2.7%。土樣粒度分布的分維線存在兩個無標度區(qū),一區(qū)的分維值為2.832 9,二區(qū)的分維值為0.417 6。若按一個無標度區(qū)分析土樣分維線,則得到的分維值為1.343 4。

        2.2 加不同分散劑情況下,紅黏土粒度分布特征

        加入濃度為4%六偏磷酸鈉、4%草酸鈉、2%氫氧化鈉、1%硅酸鈉作為分散劑,利用密度計法得到的顆粒大小級配曲線如圖3所示。

        圖3 加入不同分散劑后土顆粒級配曲線

        由圖3可看出,加入4%的六偏磷酸鈉作為分散劑后,土樣的級配曲線相比不加分散劑的土樣得到了較大的改善。對比圖3中加入不同分散劑后的級配曲線,可知加入六偏磷酸鈉后,小于0.01 mm粒徑的土顆粒含量明顯上升。加入氫氧化鈉后,小于0.01 mm粒徑的土顆粒含量也有所上升,但比六偏磷酸鈉上升量少。加入草酸鈉和硅酸鈉的試樣,小于0.01 mm粒徑的土顆粒含量只是略有上升。細粒含量的增加意味著分散劑起到的分散膠體的作用越大,可見加入六偏磷酸鈉溶液作為分散劑后,能對試驗用土取得較好的分散效果。

        2.2.1 加入4%的六偏磷酸鈉溶液作為分散劑

        加入4%的六偏磷酸鈉溶液后,得到的雙對數(shù)坐標下顆粒大小級配曲線如圖4所示。

        圖4 加入4%六偏磷酸鈉溶液后雙對數(shù) 坐標下紅黏土粒度分布

        表2 加入4%六偏磷酸鈉溶液后的紅黏土粒度成分與分維成果

        由表2可見,加入4%六偏磷酸鈉溶液后紅黏土試樣黏粒含量為29.3%。土樣粒度分布的分維線存在一個無標度區(qū),得到的分維值為2.493 8。若參考不加分散劑時土樣級配曲線,按兩個無標度區(qū)考慮土粒度分布的分維線,則一區(qū)的分維值為2.746 3,二區(qū)的分維值為2.411 1。

        2.2.2 加入4%草酸鈉溶液作為分散劑

        加入4%草酸鈉溶液后得到的雙對數(shù)坐標下顆粒大小級配曲線如圖5所示。

        圖5 加入4%草酸鈉溶液后雙對數(shù)坐標下紅黏土粒度分布

        表3 加入4%草酸鈉溶液后的紅黏土粒度成分與分維成果

        由表3可見,加入4%草酸鈉溶液后紅黏土試樣黏粒含量較低,僅為5.3%。土樣粒度分布的分維線若按一個無標度區(qū)分析,得到的分維值為1.578。若按兩個無標度區(qū)考慮土粒度分布的分維線,則一區(qū)的分維值為2.682 5,二區(qū)的分維值為1.221 2。

        2.2.3 加入2%氫氧化鈉作為分散劑

        加入2%氫氧化鈉溶液后得到的雙對數(shù)坐標下顆粒大小級配曲線如圖6所示。

        圖6 加入2%氫氧化鈉溶液后雙對數(shù)坐標 下紅黏土粒度分布

        由表4可見,加入2%氫氧化鈉溶液后紅黏土試樣黏粒含量為9.7%。土樣粒度分布的分維線存在一個無標度區(qū),得到的分維值為1.992 2。若按兩個無標度區(qū)考慮土粒度分布的分維線,則一區(qū)的分維值為2.695 5,二區(qū)的分維值為1.750 3。

        2.2.4 加入1%硅酸鈉溶液作為分散劑

        加入1%硅酸鈉溶液后得到的雙對數(shù)坐標下顆粒大小級配曲線如圖7所示。

        表4 加入2%氫氧化鈉溶液后的紅黏土粒度成分與分維成果

        圖7 加入1%硅酸鈉溶液后雙對數(shù)坐標下紅黏土粒度分布

        由表5可見,加入1%硅酸鈉溶液后紅黏土試樣黏粒含量為4.3%。土樣粒度分布的分維線存在一個無標度區(qū),得到的分維值為1.462 4。若按兩個無標度區(qū)考慮土粒度分布的分維線,則一區(qū)的分維值為2.724 6,二區(qū)的分維值為1.335 5。

        表5 加入1%硅酸鈉溶液后的紅黏土粒度成分與分維成果

        2.3 不同種類分散劑效果下紅黏土粒度分布特征分析

        由2.1和2.2節(jié)的試驗結(jié)果可見,在不加分散劑時,土樣粒度分布的分維線出現(xiàn)明顯的兩個無標度區(qū),按一個無標度區(qū)分析的線性相關(guān)系數(shù)小于按兩個無標度區(qū)分析的一區(qū)和二區(qū)的相關(guān)系數(shù)。加入分散劑后,土樣按一個無標度區(qū)分析的線性相關(guān)系數(shù)均處于按兩個無標度區(qū)分析的一區(qū)和二區(qū)的相關(guān)系數(shù)之間。加入4%的六偏磷酸鈉溶液和2%氫氧化鈉溶液后, 土樣粒度分布的分維線均出現(xiàn)明顯的一個無標度區(qū)。而加入4%草酸鈉溶液和1%硅酸鈉溶液后,土樣粒度分布出現(xiàn)3個無標度區(qū)的趨勢,所以當成按兩個無標區(qū)分析時,一區(qū)線性相關(guān)性較好,而二區(qū)的線性相關(guān)系數(shù)較小。

        分析2.1和2.2節(jié)試驗結(jié)果得到的分維值,可見無論是否加分散劑,按一個無標度區(qū)分析的分維值都處于按兩個無標度區(qū)分析的一區(qū)和二區(qū)的分維值之間。按一個無標度區(qū)分析,加入分散劑后土樣粒度的分維值均大于不加分散劑時的分維值。對加入4種不同分散劑的土樣的分維值進行比較,分維值:六偏磷酸鈉>氫氧化鈉>草酸鈉>硅酸鈉>不加分散劑,這也與顆分試驗得到的黏粒含量排序一致。按兩個無標度區(qū)分析的分維值,沒有明顯的規(guī)律性,只能看出加入分散劑后二區(qū)的分維值在向一區(qū)的分維值接近。一區(qū)的顆粒是粒徑較大的顆粒,二區(qū)是粒徑較小的顆粒,二區(qū)的分維值在向一區(qū)的分維值接近,表征大的顆粒得到了一定的分散。若分維線只出現(xiàn)一個無標度區(qū),則表征大的顆粒集合體得到了較好的分散。分維值越大,表征土顆粒間的黏結(jié)作用減弱,土顆粒集合體越分散,土樣的分散效果越好。

        紅黏土粒團之間的“橋”式聯(lián)結(jié)容易被外力破壞,但粒團內(nèi)部游離氧化鐵膠體包裹在黏土顆粒表面,較難被外力破壞。對紅黏土試樣采用密度計法進行顆分試驗時,僅靠玻璃棒研磨無法破壞其團粒結(jié)構(gòu),得到的分維值小。加入六偏磷酸鈉溶液后,水溶液中電離出的鈉離子被黏粒優(yōu)先吸附,增大了黏粒的擴散層,使得黏粒相互分離。同時,吸附在黏粒表面的六偏磷酸鈉為大分子物質(zhì),形成的吸附層較厚,從而阻止黏粒聚結(jié)。加入六偏磷酸鈉溶液會提高溶液的pH,降低了游離氧化鐵和黏粒的相互吸引。六偏磷酸鈉電離出的磷酸根離子還可絡合鐵離子形成穩(wěn)定絡合物,破壞氧化鐵的膠結(jié)作用。所以在紅黏土試樣中加入六偏磷酸鈉溶液后,土顆粒之間的黏結(jié)作用被破壞,使得土顆粒集合體更加分散,從而表征出分維值越大。

        3 結(jié)論

        通過研究加入不同分散劑后的紅黏土的粒度分布特征后,可得到以下結(jié)論:

        1)紅黏土粒度具有較好的線性分形結(jié)構(gòu),運用分形理論來分析紅黏土的分散效果,不僅能反映土顆粒大小,還能反映土顆粒之間的聯(lián)結(jié)情況。未加分散劑的紅黏土顆粒,分維線出現(xiàn)較明顯的兩個無標度區(qū),而加入4%的六偏磷酸鈉溶液和2%氫氧化鈉溶液后,紅黏土粒度分布的分維線,趨近于一個無標度區(qū)。分維線只出現(xiàn)一個無標度區(qū),表征大的顆粒集合體得到了較好的分散。分維值作為指標參數(shù),可很好評地估紅黏土粒度分布特征。分維值越高,表征土顆粒間的聯(lián)結(jié)越弱,土粒集合體越分散,土中細粒含量越高。

        2)試驗所用的紅黏土試樣加入4%草酸鈉溶液和1%硅酸鈉溶液后,粒度分布的分維線呈現(xiàn)出近似3個無標度區(qū),分散效果較差。

        3)對試驗所用紅黏土試樣,顆分試驗得到的粒度分布的分維值:六偏磷酸鈉>氫氧化鈉>草酸鈉>硅酸鈉>不加分散劑,可知采用4%六偏磷酸鈉溶液作為分散劑,此時土樣的分散效果最好。

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