碳酸钠污染粘性土可塑性演化机理研究

张久旭 黄俊杰 胡志林 王勇

摘要：通过室内浸泡试验，制备了不同污染浓度的碳酸钠污染粘性土，并通过液塑限联合测定仪测试了粘性土的液限、塑限、塑性指数，探讨了粘性土可塑性随碳酸钠浓度的变化规律与机理。研究表明：随着碳酸钠浓度的增大，粘性土的液限、塑限总体上呈增大趋势，且增大的趋势随着碳酸钠浓度的增加逐渐减弱，碳酸钠污染粘性土的塑性指数总体上也呈增大趋势。主要原因是：随着溶液的碱性增强，粘性土颗粒表面的负电荷对溶液中Na+的吸附强度提高，双电层厚度增大，导致粘性土的可塑性增强。

关键词：碳酸钠污染粘性土；可塑性；演化机理；双电层

中图分类号：P642.5文献标识码：A

1 绪论

随着国家建设的发展，环境污染问题日益严重，污染物质在土体中长期迁移，对地质环境产生恶劣影响。[1]因此，研究污染土物理力学性质对于揭示污染土腐蚀机理、控制污染物迁移、保护地质环境具有理论和现实意义。本论文通过室内浸泡试验，制备了不同污染浓度的碳酸钠污染粘性土，并通过液塑限联合测定仪测试了粘性土的液限、塑限、塑性指数等参数，探讨了粘性土可塑性随碳酸钠浓度的变化规律与机理。

2 碳酸钠污染粘性土可塑性实验研究

2.1 碳酸钠污染粘性土的制备

室内试验采用粘性土作为土源，取自辽宁工程技术大学北校区周边，取土过程遵循数量上能够满足室内试验的需求、杂质含量较少的原则。对土样进行烘干处理，再通过碾压等手段将其磨碎，并选用1mm的筛子筛选无杂质粘性土样，作为浸泡试验的土源。人工配制0.02mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、015mol/L、0.2mol/L、0.25mol/L、0.3mol/L和0.4mol/L的碳酸钠溶液，作为浸泡试验的污染源。以去离子水为空白，对粘性土实施室内浸泡试验，浸泡时间为7天，制备不同浓度的碳酸钠污染粘性土。

2.2 碳酸钠污染粘性土可塑性的测试

可塑性是粘性土最基本的水理性质，主要指标为液限、塑限和塑性指数。粘性土液限、塑限的测试方法主要有锥式液限仪法、戳条法和液塑限联合测定仪法。[2]本研究采用液塑限联合测定仪测试了不同浓度碳酸钠污染粘性土的液限、塑限、塑性指数，结果如下表所示。2.3 碳酸钠污染粘性土可塑性变化与分析

研究表明：① 液限变化规律：随着碳酸钠浓度的增大，粘性土的液限总体上呈增大趋势，且增大的趋势随着碳酸钠浓度的增加逐渐减弱，碳酸钠浓度0.25mol/L处出现误差点；② 塑限变化规律：碳酸钠污染粘性土的塑限總体上呈逐渐增大趋势，且增大的趋势随着碳酸钠浓度的增加逐渐减弱，碳酸钠浓度0.15mol/L处出现误差点；③ 塑性指数变化规律：碳酸钠污染粘性土的塑性指数总体上也呈增大趋势，碳酸钠浓度020mol/L、0.25mol/L处出现明显误差点，为液、塑限测定误差所致。

3 碳酸钠污染粘性土可塑性演化机理研究

本研究从粘性土颗粒结构和矿物及化学成分的角度综合分析碳酸钠污染粘性土可塑性的演化机理。粘性土颗粒表面结合水膜可以用“双电层”理论来阐释，其对粘性土物理力学性质产生重要的影响。

碳酸钠污染粘性土物理力学性质的变化是由于不同污染浓度的溶液改变了粘性土的矿物成分及离子吸附与交换容量，影响粘性土颗粒表面双电层的厚度，导致了粘性土可塑性的变化。具体表现为：① 碳酸钠在水溶液中发生水解反应使溶液呈碱性；② 粘性土颗粒表面带净负电荷，对Na+产生吸附作用；③ 随着碳酸钠浓度的增大，消耗掉水解离出来的一部分H+，使得水中H+浓度减小，水的解离程度增大，OH浓度增大，进一步增加粘性土颗粒表面负电荷的数量，增强对Na+的吸附作用；④ 粘土矿物基本结构铝氧八面体中的AlOH键是两性的，在碱性环境中电离出H+，使粘土矿物表面带负电荷，进一步增强对Na+的吸附作用；⑤ 游离氧化物中SiO2与Al2O3等在碱性环境中发生反应生成软塑的偏硅酸盐与偏铝酸盐。

综上所述，随着CO32浓度的增大，溶液的碱性增强，粘性土颗粒表面的负电荷对溶液中Na+和Ca2+的吸附强度提高，双电层厚度增大，又有软塑物质生成，导致粘性土的液、塑限及塑性指数均增大，可塑性逐渐增强。

4 结论

随着碳酸钠浓度的增大，粘性土的液限、塑限总体上呈增大趋势，且增大的趋势随着碳酸钠浓度的增加逐渐减弱，碳酸钠污染粘性土的塑性指数总体上也呈增大趋势。随着碳酸钠浓度的提高，溶液的碱性增强，粘性土颗粒表面的负电荷对溶液中Na+的吸附强度提高，双电层厚度增大，是导致粘性土可塑性增强的主要原因。

参考文献：

[1]张芹，张启航，张煜东，等.污染土的研究现状及其治理[J].土工基础，2015，29（06）：8385.

[2]牛凯，沈旭.不同规范下液塑限测定方法的结果差异分析[J].中外公路，2017，37（03）：242243.

项目：本论文是在辽宁省教育厅青年项目（LJ2017QL029）和辽宁省大学生创新创业训练计划项目（201710147000284）的资助下完成的，特此感谢