土壤分散剂的研究

吴国永,肖景华

(广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635)

土的级配与其工程性质有着紧密的联系，不同工程、不同的工程部位对土料级配有不一样的要求，如《堤防工程设计规范》GB 50286—2013,对均质土堤要求填筑土料粘粒含量宜在15～30%[1]。所谓土的级配，就是土中大小不同的颗粒(粒组)以百分数表示的相对含量。土的级配数据是通过颗粒分析试验获得。使用通过检定合格的仪器进行试验，粗粒组比较容易得到可靠的试验结果，但是，对于粘粒、胶粒的含量，即使严格按试验规程、试验标准进行操作，可能仍不能得到令人满意的试验结果。经过多年实践发现，产生这种情况的原因，主要是由于试验规程、试验标准推荐的分散剂，对一些土壤的分散效果较差，没能达到半分散效果。

本文主要解决在颗粒分析试验中如何选择分散剂的问题。颗粒分析试验中所谓加分散剂，就是在土悬液中加入钠盐或其他弱碱性的溶液，使土呈保持强结合水的颗粒状。分散剂不能与土颗粒发生氧化、还原反应，但也有人使用强碱(如氢氧化钠)作分散剂。

1 几种分散剂分散效果比较

1.1 不同分散剂粘粒含量试验结果

对包括六偏磷酸钠(Na6P6O18)、碳酸钠(Na2CO3)、偏铝酸钠(NaAlO2)等呈碱性的钠盐、氨水等十几种试剂进行初步试验，从中选择对土壤分散效果较好的几种分散剂作进一步研究。报告对比试验所用的试剂有4%六偏磷酸钠(Na6P6O18)，4%焦磷酸钠(Na4P2O7)，4%硅酸钠(Na2SiO3)，4%草酸钠(Na2C2O4)，4%氢氧化钠(NaOH)和25%氨水(NH4OH)。试验按照GB/T 50123—2019土工试验方法标准的步聚进行[2]，对来自广东省的广州、江门、珠海、韶关、肇庆等市的15组土样进行对比试验。

一般而言，分散剂用量越多，越早加入，分散效果越好，但过多的分散剂会致悬液密度明显增大，影响试验结果。这里只报告能够获得比较稳定的分散效果的分散剂用量，及其试验结果。为使试验结果具有可比性，统一在密度计法试验计时前10 min一次性加入，并立即对悬液上下搅拌各5次。对比试验在同一恒温实验间，由相同的试验员，用同一支TM-85甲种土壤密度计同时进行，所有样品随机排序。为防止粗差，对上述试验重复5次，取平均值作为最终试验结果，本次对比试验没出现粗差现象，试验操作方法基本排除了重复性条件的影响。试验结果见表1，各土的其他物理性指标及分类名称见表2。

表1 不同分散剂粘粒含量(%)试验结果

表2 土的物理性指标

注：土分类用到的颗粒分析试验结果，密度法试验时均加入4%六偏磷酸钠10 mL。特别指出，13号土煮土时加入氨水1 mL。

1.2 试验结果分析

从表1可见，6种分散剂所得的粘粒含量试验结果有明显差别，就每一组土样而言，其差别的大小有所不同，不仅说明不同分散剂对土壤的分散效果不同，还说明了同一种分散剂对不同土壤的分散效果也不一样。

加焦磷酸钠所得的粘粒含量平均值最大，六偏磷酸钠次之，表明这两种分散剂的总体分散效果较好，氨水的分散效果最差。事实上，在工程实践中有时遇到这样的土壤，加六偏磷酸钠、焦磷酸钠等试剂几乎没有分散效果，或分散效果很不理想，但氨水的分散效果却良好。如表1中的13号土，加氨水试验结果与工程经验比较吻合，其他几种试剂的分散效果很差。

表3是各种分散剂粘粒含量(%)，与除13号土外的14组土样的粘粒含量与平均粘粒含量之差的统计结果。

虽然焦磷酸钠比六偏磷酸钠得到的粘粒含量均值大一些，但从表3可知，各种分散剂粘粒含量试验结果与上述几种分散剂所得粘粒含量均值之差的标准差，焦磷酸钠最大，是六偏磷酸钠的3倍，表明焦磷酸钠分散效果最不稳定。此外，就上述对比试验的土壤而言，氢氧化钠的分散效果也不错，但其碱性太强，容易与土中的酸性物质反应，生成新物质。

表3 各种分散剂粘粒含量(%)与粘粒含量均值之差统计

2 分散剂的选择

有人认为，应按土壤的酸碱度(pH值)选择分散剂。实践证明，仅就土壤的pH值来选用分散剂，并不完全合适。

最为公认的研究结果是根据离子交换容易及土类的特征原则选用分散剂，但是，这个方法是否都能达到半分散效果仍需研究。此外，以离子交换容易作为选择分散剂的依据，试验周期长、费用高、操作难度很大，检测实验室难以做到。

本次对比试验结果看，在上述几种分散剂中，六偏磷酸钠的分散效果较好且比较稳定，适合工程实践的常规试验。根据多年实践经验，水利、交通、工民建等工程常见的土壤，加4%六偏磷酸钠10 mL已能取得比较满意的分散效果，但也有少数土壤，如一些河流相冲积土[3]，钠盐的分散效果很差，使得试验结果与其它试验指标极不匹配。表4是一河流相冲积土壤的试验结果。

表4 冲积土Z235不同分散剂粘粒含量(%)试验结果

对一些特殊的土壤，当钠盐的分散效果很差时，常作如下处理：在煮土时加25%氨水4 mL，在进行密度计测量，对悬液搅拌前再加入25%氨水4 mL或适量六偏磷酸钠溶液，这个方法往往能取得令人满意的试验结果。应该指出，上述25%氨水可用浓氨水代替，加入的剂量一致即可。

3 结语

能使试验结果的粘粒含量最大的试剂，不一定是最好的分散剂，如果所加的化学试剂与土粒发生化学反应，生成新物质，就达不到试验目的。事实上，颗粒分析试验的分散标准为半分散，即能使土粒呈保持强结合水及部分弱结合水水化膜的团粒就可以，这是工程特性的需要。因此，通常以钠盐或氨水作为工程土壤的分散剂。

建设工程遇到的绝大多数土壤，焦磷酸钠、六偏磷酸钠、氢氧化钠的分散效果比较好，但由于氢氧化钠碱性太强，容易与土中的酸性物质反应，无法确保试验结果准确可靠。焦磷酸纳平均分散效果需好，但不稳定。六偏磷酸钠分散效果好且稳定，最适合常规试验，剂量为4%六偏磷酸钠10 mL。对少数特殊土壤，比如一些河流相冲积土、部分被工业污染的土壤，六偏磷酸钠分散效果很差，对于这些土壤，可用氨水作为分散剂，方法是在煮土时及密度计测量搅拌前分别加入1 mL氨水。

文中所有分散剂用量，在密度计法的1 000 mL悬液中，分散剂对悬液密度的贡献很小，因此，在常规试验中，无须作分散剂修正。