分散性土分类与鉴别的室内试验研究

岳婵 唐红 姚海林 刘杰 杨玉婳

摘 要：采取5项土样的分散性鉴别试验，即针孔试验、双比重计试验、碎块试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比试验，以及标准吸湿含水率和pH值的测定，对东北某大坝心墙土料进行分散性鉴定试验研究。试验和分析结果表明，10个土壤样品中，3个呈分散性，1个呈过渡性，其余6个呈非分散性。通过分析土壤样品的理化特性发现：3个分散性土壤样品发生分散的主要原因是交换性钠离子含量较高，pH值较高，属于强碱性土壤;另外7个土样中的黏粒含量和有机质含量高，pH值偏低，抑制了分散性，因此土样表现为不分散或过渡性土的特征。标准吸湿含水率试验能较为准确地测定出土样中的蒙脱石含量，再结合pH值和交换性钠离子百分比试验，可对土样的分散性进行初步推测。

关键词：分散性土;标准吸湿含水率;酸碱度;蒙脱石;交换性钠离子

中图分类号：TV443 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.029

引用格式：岳婵，唐红，姚海林，等.分散性土分类与鉴别的室内试验研究[J].人民黄河，2021，43（7）：149-153，159.

Abstract： The dispersibility of soil samples obtained from the core wall of dam in the northeast area of China was studied by the chemical properties of soil analysis and the tests for identification of dispersive clay soils. The tests included double-hydrometer test， pinhole test， crumb test， the test to determine salt contents of pore water and percentage of exchangeable sodium， standard moisture absorption water content and pH. The results of experiments and analysis show that three soil samples are dispersive type， one is transition and six are non-dispersive by the five test methods. These three dispersive soil samples contain a large amount of exchangeable sodium， have rather high pH values and indicate strongly alkaline， which can promote dispersivity. Their high contents of clay， organic matter and low pH values and lower dispersivity have inhibited dispersion， showing transitional and non-dispersive characteristics. The amount of montmorillonite can be detected by the standard moisture absorption water content accurately， combining pH and exchangeable sodium can predict the dispersion of soil preliminarily.

Key words： dispersive clay; standard moisture absorption water content; pH; montmorillonite; exchangeable sodium

分散性黏土是一種特殊土，可以在低盐度水中大部分或全部分散成原级颗粒，容易被水流冲蚀。它最早于20世纪50年代被发现并开展试验研究[1-3]。分布分散性土的地区的堤坝、渠道和道路边坡等都存在一定安全隐患[2]。目前，我国尚未对分散性土壤的分类方法和鉴别标准给出权威且明确的规定。一般来说，国内外专家均采用美国水土保持局（SCS）提出的5项测定分散土壤的室内试验方法即双比重计试验、针孔试验、碎块试验、孔隙水可溶盐阳离子试验和交换性钠离子百分比试验开展分散性土的分类与判别研究，但这些判别方法费时费力，试验数据还会因土性、试验方法的不同而千差万别。一些学者提出了新的分类想法：樊恒辉等[4]提出应该在5种“判别试验结果”相互矛盾的情况下根据土的物理力学性质及野外调查情况进行判断，从而获得准确结果;Arulanandon推荐了旋转圆筒冲蚀试验[5];秦曰章[6]提出用钠量比判别黏性土的分散性等。

有关分散性土分散的主要原因，国内外学者[7-10]给出了既统一又有些不同的观点，综合分析后认为分散性土中含有一定量的钠蒙脱石，交换性钠离子含量丰富，土壤中钠离子的赋存环境属于碱性介质环境，且土颗粒间没有足以抑制分散的胶结物。笔者通过鉴别试验综合判定了东北某大坝心墙土料的分散情况，并对土样进行标准吸湿含水率试验和pH值的测定，从分散机理上分析土样产生分散的原因。土壤的标准吸湿含水率能够反映土中蒙脱石矿物组成[11]，pH值能确定钠离子的赋存环境[12]，分析了两者与土壤分散程度之间的关系。

1 土样的基本性质

1.1 土样的基本物理化学性质

试验用土选自东北某大坝心墙土料，共取土样20个，其中10个土样用于分散性鉴别试验。土壤样品的基本物理性质见表1，化学性质见表2。

表观上43、44、45号土壤样品呈灰黑色，其余7个土样呈褐黄色。

1.2 土样的黏土矿物成分分析

为了研究样品的矿物组成，使用德国BRUK-AXS有限公司的D8 ADVANCE型X射线衍射仪半定量分析44、61号两个土壤样品的矿物成分，结果见表3。可以看出，土壤样品中的矿物成分主要有蒙脱石、石英、钠长石和方解石，蒙脱石含量较高，且都不含高岭石，其中44号土壤样品中不含伊利石。

2 土样的分散性鉴别

目前，中国还没有制定有关分散性土的试验规范，本次采用美国水土保持局（SCS）提出的双比重计试验（ASTM D4221—99）[13]、针孔试验（ASTM D4647—93（1998））[14]、碎块试验（ASTM D6572—00）[15]、孔隙水可溶盐阳离子试验和交换性钠离子百分比试验[2，16]5项试验来综合鉴别土样的分散性，试验结果见表4。根据表4的试验结果和5项试验的判别标准，得到土样分散程度最终鉴别结果，见表5。

注：①双比重计试验：非分散性土，分散度<30%;过渡性土，分散度=30%～50%;分散性土，分散度>50%。②针孔试验：非分散性土，针孔在380～1 020 mm水头下孔径不变，出水澄清;过渡性土，针孔在180～380 mm水头下孔径变化小，出水略浑浊;分散性土，针孔在50 mm水头下迅速变大，出水浑浊。终了孔径为试验后与试验前土样孔径的比值。③碎块试验：分散性土，在整个量杯的底部出现分散的土壤颗粒和云状黏土悬浮液;过渡性土，胶体悬浮液产生的混浊水在量杯底部略微可见;非分散性土，量杯底部没有反应，土块散落后水没有浑浊或浑浊后很快变清。④交换性钠离子百分比试验：ESP=7%～10%，中等分散土;ESP≥15%，高分散性土。⑤孔隙水可溶盐阳离子试验：非分散土，PS<40%;过渡性土，PS=40%～60%;分散性土，PS>60%。表中n为阳离子化合价价数;TDS为孔隙水中阳离子总量

3 土样的标准吸湿含水率和pH值

3.1 土样的标准吸湿含水率

标准吸湿含水率是指在标准条件下，即温度为（25±2）℃、相对湿度为60%±3%，土样从天然含水率脱湿或吸湿到稳定质量后的含水率，是土样在标准条件下能保持的最大含水率。通过试验验证得知，膨胀类土壤的矿物组成特性能被标准吸湿含水率很好地体现出来，且标准吸湿含水率与蒙脱石含量具有良好的线性关系[17]。目前，标准吸湿含水率作为膨胀土的新的分类方法已经被写入有关规范中，包括《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）、《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）、《公路土工试验规范》（JTG E40—2007）等。

理论上，标准吸湿含水率可通过下式计算[18]：

式中：ωa为标准吸湿含水率，%;d為吸附单分子水层的厚度，;A为蒙脱石矿物理论比表面积，m2/g;C为黏土矿物的含量，%;ρa为吸附水的密度，g/cm3;β为修正因子，取值范围为0.70～0.98，如果是蒙脱石含量转换的比表面积，则β取较大的值。

膨胀土的膨胀潜势与其蒙脱石含量为线性关系[19]，利用标准吸湿含水率能快速并准确地测出土壤中蒙脱石含量，进而对膨胀土进行分类。具有分散性的土壤一般都含有一定量的蒙脱石，研究表明，当土壤中蒙脱石含量高于5%时，就会对土壤的工程特性造成影响，主要表现在土壤的膨胀性和分散性上[20]。基于上述研究，将应用在膨胀土分类上的标准吸湿含水率应用于分散性土分类上，利用其确定分散性土中蒙脱石含量，观察土壤的标准吸湿含水率与分散性之间的关系。在测出分散性土的标准吸湿含水率之后，可以根据上述公式推算出分散性土中蒙脱石的含量。将推算出的蒙脱石含量与用X射线衍射仪测定出的蒙脱石含量进行比较，对比分析其准确性。测试装置为一玻璃干燥器，含有土壤样品的铝盒放置在干燥器中的多孔板隔板之上，将饱和溴化钠溶液置于多孔隔板之下，并将整个干燥器置于室温25 ℃的测试室中，干燥器内便成为一个相对湿度接近60%的恒温恒湿密封空间。有关详细的操作方法参阅《公路土工试验规程》（JTG E40—2007），土样的标准吸湿含水率测试结果和推算出的蒙脱石含量见表6。

3.2 土样的pH值

在进行土壤化学性质分析时，pH值是非常重要的一项指标，它可以通过影响双电层的厚度进而影响土壤颗粒的分散和絮凝。pH值对土壤分散的影响主要表现在两个方面：一方面，暴露在黏土颗粒表面和边缘上的羟基具有分解的倾向，它受pH值的影响很大，pH值越大，颗粒的有效负电荷就越大，双电层厚度增大，颗粒之间的排斥力增大;另一方面，黏土矿物边缘暴露的氧化铝是两性的，随pH值的变化而变化，低pH值使颗粒从悬液中絮凝，高pH值使黏土颗粒分散。因此，当土壤处于碱性环境时，土壤颗粒的表面倾向于形成扩散双电层，从而使颗粒趋于分散。分散性土的碱度高，pH值一般在8.5～10.6之间，因此在对土样进行分散性判定试验时，往往会把pH值作为一个辅助性的判断指标[21]。

按土水比为1∶5制备土水悬液，振荡3 min后静置30 min，用离心机将土水悬液中的水溶液提取出来，用pH计进行测定，详细的操作步骤见《土工试验规程》（SL237—1999）。本次试验采用雷磁pHS-3C型pH计对土壤样品进行pH值测试，测试结果见表6。

4 试验结果与分析

4.1 土样分散性鉴别结果分析

从表5可以看出，除41、44、45、61号土样外5项试验得出来的结果并不完全一致，有的甚至是相互矛盾的。通过大量试验结果统计出来的鉴别标准对于大多土壤样品来说，5项试验结果是基本一致的，但对于某些土壤样品也会出现不统一的情况。如42、63、64号土样PS>60%、ESP在2.8%～4.5%之间，除孔隙水可溶性阳离子试验结果为分散性土外，其余4项试验结果均为非分散性土（63、64号土样的双比重计试验结果为过渡性土），试验结果相互矛盾。通常，孔隙水溶液中钠离子与层间交换性钠离子应该是保持一定平衡的。但若钠离子的代换能力弱或者孔隙水中的离子种类和浓度发生变化时，钠离子就很难进入层间置换钙离子，那么交换性钠离子就会低于孔隙水中的钠离子，而造成蒙脱石分散的是交换性钠离子而不是孔隙水溶液[22]，因此土样表现为非分散性。由此可综合判定41、42、61～64号土样为非分散性土。43、44、45号土样的5项试验结果较为一致，除43号土样的双比重计试验结果为过渡性土外，其余试验结果均为分散性土，所以判定为分散性土。65号土样的孔隙水可溶性阳离子试验结果为分散性土，双比重计和针孔试验的结果为过渡性土，理论上这两种试验可靠程度高，所以判定为过渡性土。综合判定结果为43、44、45号土样为分散性土，65号土样为过渡性土，其余6个土样为非分散性土。

4.2 土样标准吸湿含水率试验结果分析

将表3中用X衍射测得的蒙脱石含量与表6中由标准吸湿含水率理论公式计算出的蒙脱石含量进行比较。44号土样ωa=6.3%，计算得土样蒙脱石含量为20.37%，X衍射测得蒙脱石含量为21.50%，误差5.2%。61号土样ωa=5.4%，计算得土样蒙脱石含量为18.45%，X衍射测得蒙脱石含量为19.14%，误差3.6%。两种试验方法得到的结果误差很小，说明利用标准吸湿含水率测试结果计算出的土壤蒙脱石含量是较为准确的。

4.3 土样分散原因分析

分析表6结果发现，分散土壤样品的标准吸湿含水率、pH值和可交换钠离子百分比都高于其他土壤样品的。3个分散性土样的标准吸湿含水率在6.0%～6.3%之间，推算得到蒙脱石含量在19.46%～20.37%之间，pH值在9.1～9.3之间，呈强碱性（pH值范围为8.5～9.5），交换性钠离子百分比在8.9%～13.8%之间。6个非分散性土样标准吸湿含水率在5.1%～5.7%之间，推算得到蒙脱石含量在16.59%～18.97%之间，pH值在8.2～8.5之间，呈弱碱性（pH值范围为7.5～8.5），交换性钠离子百分比在0.7%～4.5%之间。1个过渡性土壤样品的标准吸湿含水率为5.4%，推算得到蒙脱石含量为17.54%，交换性钠离子百分比为4.1%，pH值为8.6，呈强碱性。

10个土壤样品中蒙脱石含量差别不大，但表现出分散、过渡和非分散三种现象。原因是蒙脱石含量不是造成土壤分散的必要条件，决定土壤分散的物质基础是蒙脱石中的钠蒙脱石，且与土壤所处的环境（即钠离子和pH值）密切相关。土壤黏粒中蒙脱石矿物经常发生同晶置换作用，因而会生成永久负电荷，必须吸附带有相反电荷的离子（即交换性阳离子）来平衡过量的负电荷。若吸附钠离子的是钠蒙脱石、吸附钙离子的是钙蒙脱石，则土壤层间以水分子结合，晶层间的连接力很弱，亲水性强，一遇到水就会开始膨胀。若土壤中含有大量可交换性钙离子，钙离子双电层的厚度较薄，则钙蒙脱石吸附水分子到一定程度后就会停止，这就是土壤发生膨胀的原因。若土壤中含有大量可交换性钠离子，则钠离子会与土壤颗粒孔隙中的水分子发生水化反应，形成比钙离子更厚的扩散层和水化膜，使钠蒙脱石继续吸附水分子到膨胀水化，直至分解成一个一个单独的晶胞而使土壤颗粒分散，这就是分散性土[23]。此外，土颗粒所处环境的pH值越高，黏土颗粒之间的静电吸引力越小，静电斥力越大，土壤的分散趋势也就越明顯。由此可以得出造成这3个土壤样品具有分散性的主要原因是，其有一定含量的蒙脱石且交换性钠离子含量高，同时其所处的强碱性介质环境对分散起到了促进作用。

6个非分散性土壤样品也含有一定量的蒙脱石，但其不具备分散性，与分散性土壤样品对比后发现，这6个土壤样品的交换性钠离子含量比较低，钠蒙脱石的含量相对较低，且土壤所处环境呈弱碱性，对土壤的分散没有明显的促进作用。此外，这6个土样的黏粒（粒径<0.005 mm）含量在36.5%～50.0%之间，有机质含量在7.08～10.86 g/kg之间，含量较高，黏粒和有机质是抑制土壤分散的胶体，往往会使土颗粒胶结形成团粒，两者含量越高，抑制土样分散的程度就越高。由此可以得出这6个土壤样品不分散的主要原因是，其交换性钠离子含量少，pH值偏低，以及较高的黏粒和有机质含量。1个过渡性土壤样品中同样也含有一定量的蒙脱石，且土壤所处环境呈强碱性，但其交换性钠离子含量少，黏粒含量和有机质含量都较高，土壤颗粒胶结在一起，对分散性起到了抑制作用，因此该土样最终显现为过渡性。

通过10个土壤样品的鉴别试验以及标准吸湿含水率和pH值的联合测定发现，当土样含有一定量的蒙脱石时，土样的分散程度与其交换性钠离子含量和pH值密切相关。蒙脱石含量虽然不是土样分散的必要条件，但若蒙脱石含量很低，其中钠蒙脱石含量相对更低，造成土壤分散的物质基础没有达到一定的量，土壤便不会发生分散。交换性钠离子含量和pH值都决定土壤所处的介质环境，可交换的钠离子为钠蒙脱石的形成创造了条件，pH值影响土壤颗粒间的分散和絮凝，两者越高，土样呈分散性的可能性就越大。

5 结 论

（1）综合分析5项分散性鉴别试验结果后认为，10个土壤样品中43、44、45号是分散性土，65号是过渡性土，其余6个是非分散性土。

（2）蒙脱石含量并不是土壤发生分散的必要条件。含有一定量的蒙脱石，且交换性钠离子含量较高，呈强碱性，即钠蒙脱石的含量高，同时满足土壤发生分散的物质基础和环境条件时，土壤才会发生分散。

（3）依据标准吸湿含水率测试结果可以较为准确地推算出分散性土的蒙脱石含量，且测试装置经济，测试方法简单易操作，测试耗时短。通过对土样标准吸湿含水率和pH值的联合测定，再结合交换性钠离子含量可以对土样的分散性进行初步推测，即含有一定量的蒙脱石，交换性钠离子含量越高，且呈强碱性的土是分散性土的可能性较大，这或许可以作为一种从分散机理入手的新分类方法。当然，这种推测的准确性如何，交换性钠离子、pH值和蒙脱石含量超过多少时土样才会发生分散，即联合指标界限值的确定，还待进一步研究。

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