孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响

张 芹 ，颜荣涛 ，韦昌富 , ，杨德欢 ，于明波 ，杨丽雅

（1. 桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 541004；2. 桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

1 引 言

随着现代化建设步伐的不断加快，在人民生活得以改善的同时工业化间接或直接诱发的环境岩土工程问题愈来愈严重，传统意义上的仅用蒸馏水或自来水来进行室内模拟试验已经远远无法取代原位条件[1]。因此，探究孔隙溶液对土体性质变化的作用机制，不仅是出于科学研究的需求，更要用其指导工程实际，保护环境及保证工程建设质量的安全性和稳定性。

界限含水率的测定试验既是细粒土最基本的试验项目，亦是分析土的性质的必测项目，它能够反映土的干湿状况，并与土的大多数工程性质相联系，如渗透性、胀缩性、抗剪强度以及土的压缩性[2－4]，尤其是塑性指数的大小可以直接映射出细粒土具有可塑性的含水率的变化范围，综合反映孔隙水与土的粒度组成和矿物成份之间相互作用的特征。很多学者针对土的界限含水率与其他物理力学指标的相关关系进行了大量的研究，王建秀等[5]分析了碳酸岩分布区残坡积黏性土液性指数与黏聚力的相关关系。朱启银等[6]发现黏土的塑性指数可以较好地拟合土样的压缩指数。可见测定土的界限含水率能够有助于更好地了解土的工程特性。

国内外诸多学者就孔隙溶液对土的界限含水率试验进行了大量研究，Sridharan等[7－8]探究了物理-化学作用对高岭土及蒙脱土液限变化的影响机制；Schmitz等[9]讨论了黏土中的矿物成分对界限含水率的影响。Arasan[10]发现低塑性黏土的稠度界限会跟随盐溶液浓度的增加而变大，但高塑性黏土却表现出了减小的趋势。Mishra等[11]和 Shariatmadari等[12]分别探讨了无机盐溶液对黏土-膨润土混合土液限的影响，均发现混合土的液限随着孔隙盐溶液浓度的增大而减小。Jefferson等[13]研究了蒙脱土、高岭土及蒙脱土-高岭土混合土的液限对温度的敏感性，发觉蒙脱土比高岭土对温度的变化更为敏感，且蒙脱土的液限随温度的增加而变大，而高岭土的液限却略微减小。何俊等[14]研讨了不同溶液作用对膨润土改性黏土的界限含水率的影响，认为 CaCl2溶液及乙酸溶液都会使黏土的液限表现出减小的趋势。罗春泳[15]通过试验得出K+、Cu+吸附量的增加会促使黏土塑性指数变大，且 Cu+离子对塑性指数的影响更大。

本文针对粉质黏土研究中的不足，探讨了4种不同的孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响，为今后进一步讨论孔隙溶液的浓度和组分的变化对粉质黏土工程特性的影响奠定了基础。

2 试 验

2.1 试验方案

日常生活中土体会遭受到生产及生活过程当中所产生的三废污染物（废气、废液、废渣）的侵蚀，如工厂排出的废弃物、垃圾淋滤液、被农药等污染的地下水。Kjeldsen等[16]、Ehrig等[17]、Tchobanoglou等[18]均发现填埋场渗滤液组分中阴离子中含量最高的是 Cl-离子，阳离子含量相对较多的是 Na+、K+、Ca+和Mg+离子。据此，本次试验选用NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2分别调配成 0.01、0.5、1.0、2.0 mol /L的溶液进行粉质黏土界限含水率的测试试验，分析孔隙溶液对界限含水率的影响。

2.2 试验材料

本次选取桂林地区的粉质黏土作为研究对象，基本的物理性质指标见表 1，颗粒级配曲线如图 1所示，矿物组成见表2。

表1 桂林地区粉质黏土的物理性质指标Table 1 Physical indices of Guilin silty clay

图1 粉质黏土颗粒级配曲线Fig.1 Grain-size distribution of the silty clay

表2 桂林地区粉质黏土的矿物组成Table 2 Mineral composition of Guilin silty clay

2.3 试验方法

2.3.1 界限含水率试验

测定土的界限含水率，可采用碟式仪测定土的液限、滚搓法测定塑限及收缩皿法测定土的缩限，国内较为广泛的采用液、塑限联合测定法测定土的液限和塑限[19－21]。本次试验土样的黏粒含量高于13%，液、塑限联合测定法的试验结果真实有效，故采用液、塑限联合测定法来确定桂林地区粉质黏土的液、塑限，进而计算出塑性指数以确定土的可塑性[22]。

根据《土工试验方法标准》[21]，本试验将风干的粉质黏土过0.5 mm筛后放置于烘箱低温烘干。取250 g土样，平均分配后分别放入3个盛土皿中，加入不等量的去离子水将土样调成均匀膏状，分别控制3份土样的含水率在液限、略大于塑限和两者的中间状态，使得试验时圆锥入土深度可以分别控制在3～4 mm、7～9 mm、15～17 mm范围以内。随后，将调配好的不同稠度的土膏分别装入3个塑料袋中，并放置于保湿缸中密封保存24 h后测其液、塑限，与此同时，进行多组平行试验以保证数据的准确性。重复上述步骤，此时将去离子水依次换成浓度为 0.01，0.5，1.0，2.0 mol/L 的 NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2溶液，为使土体颗粒与水溶液充分反应，须将调配好的土膏密封静置30 d再进行试验，通过计算分析得到孔隙溶液对粉质黏土界限含水率变化的影响规律。

2.3.2 微观结构试验

微观结构是土体的一个重要特征亦是土体结构单元体性质的综合体现，且土体复杂的物理力学性质都是其微观结构特性的集中体现，土的工程特性从本质上来讲都取决于其微观结构[23－24]。因此，研究土体的微观结构对了解土的宏观表现，认识孔隙溶液对粉质黏土特性变化的影响机制有着至关重要的作用。

扫描电子显微镜（SEM）作为一种辅助手段，用来观测土体中土颗粒、粒团及微小孔隙的大小、形状、排列情况及孔隙发育状况，用 SEM 观测对比水溶液调制的粉质黏土与去离子水调配的土样之间的差异，可从微观层面分析孔隙溶液的变化对土体颗粒及孔隙造成的影响。

3 试验结果及分析

3.1 界限含水率试验

图2 孔隙溶液对粉质黏土液限的影响Fig.2 Effect of pore fluids on the liquid limit of silty clay

图3 孔隙溶液对粉质黏土塑限的影响Fig.3 Effect of pore fluids on the plastic limit of silty clay

图 4为孔隙溶液对粉质黏土塑性指数 Ip的影响。从图中可以看出，孔隙溶液对土体Ip的影响与其对土体界限含水率的影响规律相似，换言之，相同浓度尤其是高浓度下，同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土塑性指数下降的较为明显，且随着阳离子价位的增高，其下降的幅度更大。

图4 孔隙溶液对粉质黏土塑性指数的影响Fig.4 Effect of pore fluids on plasticity index of silty clay

本试验所选取的粉质黏土主要由细砂、石英等粉粒及黏土矿物等黏粒构成，而粉粒和黏粒的含量占据主导地位，且黏粒对土体的可塑性起了至关重要的作用。黏粒表面一般带负电荷，遇水后形成扩散双电层，双电层对于土体界限含水率存在直接的控制作用。

图5为土颗粒之间的双电层模型示意图。在土颗粒之间同时存在双电子层排斥力及范德华吸引力。当孔隙溶液中阳离子浓度变大时，阳离子被紧密的吸附在黏粒表面，使得热力学电位降低，双电层被压缩，扩散层变薄，降低了土体颗粒的持水能力，导致粉质黏土的液限降低，且结合水层含量的减少使得土的塑限和塑性指数减小，土的可塑性降低。并且价位较高的阳离子更容易被土颗粒表面的静电引力吸引进入固定层，其对双电层的影响更大，对土体界限含水率的影响更为明显。

图5 平行土颗粒之间的双电层Fig.5 Double layer formed by parallel soil particle surface

为了进一步分析离子浓度对界限含水率的影响机制，这里以NaCl溶液和CaCl2溶液为例进行分析。根据 Poisson-Boltzmann公式可以计算出双电层的厚度[25]：

表3 溶液的介电常数DTable 3 Dielectric constant of solutions D

图 6中为归一化双电层厚度随离子浓度的变化，其中归一化双电层厚度以去离子水调配的粉质黏土为基数进行归一。从图中可以看出，随着离子浓度的增大，双电层厚度逐渐减小，并且在低浓度阶段减小的幅度较大；由于钙离子价位高于钠离子，在相同浓度时其对双电层的影响大于钠离子，充分说明了离子溶液通过改变双电层的厚度来影响粉质黏土的界限含水率。

图6 孔隙溶液对归一化双电层厚度的影响Fig.6 Effect of pore fluids on normalized double layer

3.2 微观结构试验

本次试验选择用扫描电子显微镜分别观察去离子水调制的土样和1 mol/L NaCl调配土样。试验结果如图7、8所示。

图7 去离子水调配粉质黏土微观结构图Fig.7 Microstructure diagram of silty clay permeated with deionized water

图8 1 mol/L NaCl溶液调配粉质黏土微观结构图Fig.8 Microstructure diagram of silty clay permeated with 1 mol/L NaCl

当孔隙溶液为去离子水时，小颗粒较多，颗粒间的孔隙很少；当孔隙溶液为1 mol/L 的NaCl时，土体颗粒略微变大，形成了粒团，且孔隙有明显的增加，架空孔隙变大，说明 NaCl使粉质黏土颗粒间发生絮凝导致局部颗粒变大，土体颗粒间孔隙增大，孔隙率变大，从微观层面阐释了水化学-力学耦合作用对粉质黏土结构特性的影响，进一步解释了孔隙溶液的改变对粉质黏土界限含水率的影响机理。

4 结 论

（1）随着孔隙溶液浓度的增大，粉质黏土的液限WL、塑限WP和塑性指数IP均减小；且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显，随着阳离子价位的增高，其下降的幅度更大。

（2）水化学-力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝反应，导致土体局部颗粒变大，土颗粒间孔隙增大，架空孔隙变多，孔隙率变大，从微观层面阐释了孔隙溶液的改变对粉质黏土结构特性的影响机制。

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