NaCl溶液引起红黏土界限含水率变化的试验研究

2021-10-18肖桂元朱杰茹徐光黎安冉刘芠君刘闯

中南大学学报（自然科学版） 2021年9期

肖桂元，朱杰茹，徐光黎，安冉，刘芠君，刘闯

(1.中国地质大学工程学院，湖北武汉，430000；2.桂林理工大学广西岩土力学重点实验室，广西桂林，541004)

随城市化进程的加快以及工业化的快速发展，人类生活水平得到大幅提升，生活垃圾和工业废料也随之增加[1]，生活污水和工业废水侵入土体内部，而这些废弃水大多数是含有各种金属离子的盐类物质[2]，这些物质的渗入不可避免地影响着土体特性，其中钠、钙、钾等金属离子含量较高。由于土体孔隙成分是引起岩土环境变化最重要的影响因素，因此，探究金属离子侵入土体内部引起土体性能变化的机理显得尤为重要[3−5]。

目前，国内外学者对孔隙溶液影响下土的力学性质、微观结构等进行了研究，并得出了相关表达式和模型。在宏观层面上，ABDULLAH 等[6]认为黏土中孔隙水的化学性质会对其膨胀性产生影响；KOLSTAD 等[7]认为多种无机盐溶液浓度不同会改变土的渗透系数；孙德安等[8]针对高庙子钠基膨润土进行了有关研究，认为根据设计干密度和离子浓度就可计算出土体变形的表达式。此外，由于结合水在黏土颗粒中起着重要作用，盐溶液作为一种化学物质，致使黏土中孔隙溶液改变，内部结合水受到影响，引起土体力学性质发生变化，造成一系列的土壤污染和地质灾害的发生。对此，学者们也涉及对土壤微观性质变化的机理研究，对不同离子作用下土的结合水变化提出了疑问，如朴明月等[9]研究了黏土在不同溶质下结合水的特性，发现结合水的含量受溶质的影响较大。邓明毅等[10]对含钠蒙脱土结合水进行了热分析定量研究，得到了精确度较高的预测模型。万旭升等[11]通过试验发现在相同温度下，土体中的盐晶更容易析出，同时给出了盐渍土中含盐量与冻结温度的关系。

与此同时，TING 等[12]也提出了一系列以蒙脱土和高岭土为研究对象观察在孔隙溶液影响下发生的力学性质的变化规律。目前，关于红黏土界限含水率研究相对较少，但界限含水率作为细粒土最基本的试验指标，能综合反映孔隙水与土的粒度组成和矿物成分之间相互作用的特征，也是分析土的性质的重要指标，所以，分析界限含水率的影响因素和变化机理具有重要意义。关于界限含水率，现有的研究多数是仅将其作为土体分析的基本指标[13−15]，并未对其变化机理有更深入探究，或是分析盐溶液下界限含水率大致的变化趋势以及盐溶液对土的工程特性产生的影响[16−18]，例如孔隙溶液浓度变化对渗透、强度、收缩等特性产生的影响。张芹等[19]指出盐溶液使土颗粒形成团聚体，孔隙增加主要是由于双电层的变化。但在解释界限含水率改变方面，运用扩散双电层理论分析时，仅理论说明变化情况，并没有给出详细的数据证明，而且结合水作为土中水的重要组成部分，与土的可塑性密切相关，必然与土的界限含水率有直接关系。现阶段虽有结合水的相关研究，但是针对NaCl 溶液影响红黏土结合水使界限含水率发生改变的机理探究还比较缺乏。

本文作者就现有研究的不足进行研究，从多方面探索NaCl 溶液造成红黏土界限含水率变化的影响，以便为探索其他金属离子改变黏土类的界限含水率的机理以及防治污染土引起的工程地质灾害问题提供理论参考。

1 试验概论

1.1 试验材料

试验用的土样为广西桂林市某工地上的红黏土，土经过风干后过2 mm筛，红黏土的物理性质指标如表1所示。

表1 红黏土的物理性质指标Table 1 Physical indices of red clay

红黏土含水率高，失水易收缩，液、塑限均比普通黏土的大，而界限含水率与土中的胶粒黏粒质量分数关系较大，因为土粒吸附结合水与土的粒度相联系，土粒吸附结合水的含量随细粒土质量分数的增加而增加，黏粒影响吸附结合水的含量更明显，图1所示为红黏土颗粒级配曲线，由于结合水与土的可塑性直接相关，因此，图1所示的土样颗粒级配曲线对研究红黏土的界限含水率有较大价值。

图1 红黏土颗粒级配分布曲线Fig1 Grain-size distribution curve of red clay

土的颗粒质量分数如表2所示，由表2可知：粉粒质量分数为66.50%，黏粒质量分数为31.90%，与一般土相比含有较高质量分数的黏粒。黏粒质量分数越大，遇水越易形成扩散双电层。

表2 桂林红黏土粒组成Table 2 Composition fractions of red clay

1.2 试验方法

1.2.1 界限含水率试验

本试验采用液塑限联合测定仪法测定桂林地区红黏土的液限、塑限，计算塑性指数，判断红黏土的可塑状态所在范围。

本试验取300 g 最优含水率为27.3%的风干土样，调配土样的含水率为土的塑限、液塑性中间值和液限，使入锥深度分别控制在3～5，7～9 和15～17 mm，分别放入双层保鲜袋，静置24 h，复测液塑限。若入锥深度不在规定范围之内，试验需重测。若入锥深度均在3 个规定范围内，则视为试验成功，可求得液限和塑限。按照上述方法依次对含NaCl 0.1，0.3，0.5 和1.0 mol/L 的土样测定液、塑限，以掺去离子水作为对照组。当孔隙溶液是NaCl 溶液时，为使土样充分均匀，拌好的土样放置时间至少为3 d，再复测液限、塑限。若复测结果的入锥深度不在要求范围以内，则需重测。

当试验结果满足要求后，分别把3种状态下的土样放入105 ℃烘箱并测出其含水率，计算红黏土在各浓度下的界限含水率。

1.2.2 电泳试验

采用电泳装置研究红黏土在NaCl 浓度的影响下双电层厚度发生的变化情况，从扩散层角度分析红黏土界限含水率的改变机理。

试验样品制备：取100 g 过孔径为0.075 mm筛的风干土，洗盐后放入温度为105 ℃的烘箱烘12 h 后取出，分为5 等份，每份样品分别掺入去离子水、0.1，0.3，0.5 和1.0 mol/L 的NaCl 溶液，搅拌均匀放入保鲜袋中静置15 d；为了更好地判断NaCl 溶液对红黏土性质产生的变化，得到更好的测量结果。在Zeta 电位测试试验中，对土体进行洗滤，具体步骤为对加入不同浓度NaCl 溶液的红黏土每隔2 h 倒入80 mL 蒸馏水进行替换浸泡，按此方法洗滤5～6 次，最后，采用电泳装置测各NaCl浓度下土样上清液的Zeta电位。

电泳仪器型号为JS94H-2，电源电压为220 V(50 Hz 时)，温度为22 ℃，NaCl 溶液pH 控制在6.9±0.2，本试验电泳装置主要包括电源和垂直板式电泳槽2个部分。

1.2.3 热分析试验

运用热分析试验结果，通过质量随温度变化曲线定量定性地分析Na+影响下土样中结合水的变化。

本试验所用的桂林重塑红黏土，为室外的一般性土，除了具备红黏土的基本性质外，试样本身可能含有较多的电解质和有机质。为避免试验土样在热分析试验中受到土中有机质和电解质的干扰，影响试验效果，试验开始前应对土样进行处理，具体步骤为：取5 份等量150 g 黏土倒入烧杯中，分别与过量的体积分数为30%的H2O2反应，静置24 h 以上，在温度为60 ℃的水浴箱中加热，去除残留土体中的H2O2，后放入105 ℃烘箱烘干，视为有机质去除完成；随后将去除有机质的红黏土粉碎，过0.075 mm 筛，分别取20 g 处理过的土样放入5个烧杯中，隔2 h洗滤1次，每洗2次，取土样的上清液，进行电导率测试，洗土7～8次，土样上清液的电导率保持稳定，可以认为土样中电解质去除完成；随后将处理后的土样烘干碾碎，过0.075 mm 筛，分别取5 g 土样配置含NaCl 浓度为0.1，0.3，0.5 和1.0 mol/L 以及仅含去离子水的试验土样，双层保鲜膜密封20 d，确保Na+均匀渗入土样，分别取(25±5)mg 样品依次使用坩埚装样进行试验。

热分析试验仪器采用珀金埃尔默仪器(上海)有限公司生产的STA8000 同步热分析仪。仪器装置主要包括炉体、程序控制部件和记录仪。

2 试验结果分析

2.1 界限含水率试验

桂林重塑红黏土的界限含水率试验结果如图2所示。

由图2可知：随孔隙溶液NaCl 浓度的不断增大，液限、塑限逐渐降低，这与张芹等[19]的试验结果一致。

图2 界限含水率变化趋势Fig2 Variation trend of limiting moisture content

当孔隙溶液为去离子水时，土样的液限、塑限均为最大值。当Na+浓度为1.0 mol/L 时，液限、塑限降到最低。随孔隙溶液浓度不断增大，液限和塑限均不同程度降低，同时塑限指数发生变化。当NaCl浓度为0.1 mol/L时，塑限和液限的曲线斜率均达到最大，说明当Na+浓度为0.1 mol/L时，界限含水率变化最明显，下降最快，而当溶液浓度增加到0.3，0.5 和1.0 mol/L 时，随Na+浓度增大，曲线越来越平缓，这表明孔隙溶液浓度的增加对于红黏土界限含水率的影响越来越小。

对NaCl 溶液引起红黏土界限含水率发生改变这一试验结果进行分析，认为红黏土为黏土类矿物，且颗粒分析试验中显示含有较高含量的黏粒，而黏土类的颗粒组成与孔隙溶液的化学性质密切相关，会直接影响黏土表面的结合水和扩散层厚度，从而导致界限含水率发生变化。针对以上分析，又分别进行电泳试验和热分析试验来进一步证明NaCl溶液对红黏土界限含水率的影响机理。

2.2 电泳试验

根据电泳试验的结果来分析黏土颗粒表面扩散层变化。目前，存在的扩散双电层模型主要有4种模型，即Helmholtz模型、Gouy−Chapman模型、Stern 模型和Grahame 模型。图3所示为Gouy−Chapman 扩散双电层模型，该曲线可以定量地表征扩散双电层厚度发生的改变，对研究土体的稳定性具有重要作用。

图3 Gouy−Chapman扩散双电层模型Fig.3 Diffusion double layer model of Gouy−Chapman

在满足Gouy−Chapman扩散双电层模型的假设下，通过一系列推导过程得：

式中：σ为土颗粒表面的电荷密度；ε为介电常数；ψ0为颗粒表面电势。由式(1)可以看出：κ随电解质的浓度和电荷数的增大而增大，也就是说，颗粒表面扩散双电层的厚度(κ的倒数)随σ增大而变小。

通过对含有去离子水、0.1，0.3，0.5和1.0 mol/L的NaCl 溶液土体进行电泳试验，表面带有电荷的土粒分别向着与其电性相反的电极在电场中移动，试验结果如图4所示。由图4可见：随NaCl浓度增大，土样的电位不断减小。

图4 红黏土电位变化图Fig.4 Potential variation of red clay

由式(1)可知：电位与扩散层厚度之间呈正比关系，故本试验中扩散层厚度随电位降低不断变小，这主要是因为黏土颗粒表面遇水后显示负电性，而Na+由于电荷间的吸引力被吸附在黏土表面，正负电荷的作用使电位降低，扩散层厚度变小，颗粒之间的排斥力减小，同时黏聚力增加，促使在一定浓度的NaCl 溶液作用下，红黏土界限含水率降低。

2.3 热分析试验结果分析

热分析试验结果如图5所示，试验温度范围为25～400 ℃，升温速率为10 ℃/min，热流量大气流速为20 mL/min，试验气氛为氮气。

图5 土样质量随温度变化Fig.5 Soil mass varies with temperature

由图5可知：含有不同浓度NaCl 溶液的土样质量随温度升高不断减小，在孔隙溶液为去离子水与NaCl 浓度分别为0.1，0.3，0.5 和1.0 mol/L时，质量随温度变化曲线上均出现5个变化点。由于已有学者研究红黏土的自由水温度界限为75 ℃，弱结合水的自由水温度为140 ℃，强结合水的为210 ℃左右，为验证本试验数据的准确性，以去离子水的曲线为例，第1个变化点对应温度为土样在仪器开始阶段受热速率由不稳定过渡到稳定阶段的温度界限，第2个变化点对应温度为自由水温度界限，第3个变化点对应温度为弱结合水温度界限，第4个变化点对应温度为强结合水温度界限，第5个变化点以后曲线基本达到平缓，这段曲线定义为结晶水阶段。第2～4个变化点对应温度分别为72.54，140.67 和210.19 ℃，与上述的自由水和结合水温度界限基本一致，说明试验具有准确性。

随孔隙中NaCl 溶液浓度增大，自由水、弱结合水和强结合水的温度界限呈上升趋势，如图6所示。相邻浓度间的自由水、弱结合水和强结合水的温度界限呈不同幅度增加，如图7所示。土中NaCl 浓度越大，失去结合水的温度界限越高，也就意味着在NaCl 的影响下，原来土粒表面水分子在高温下更难失去。

图6 温度随NaCl浓度变化趋势Fig.6 Trend of temperature varies with NaCl concentration

图7 温度界限变化Fig.7 Variations of temperature limit

图8所示为黏土颗粒与水分子的相互作用图。由图8可知：土颗粒对距离自己越近的水分子吸引力越强，距离越远的水分子吸引力越弱。结合水与自由水的温度界限升高，说明在掺入NaCl 溶液后，水分子更稳定，也就是说，无论是自由水还是结合水，土粒对水分子的吸引力均加强。由上述关系可推出Na+使土颗粒表面的结合水水分子减少。图9所示为结合水量变化，因各浓度试样测试时的初始质量不同，导致曲线的结合水含量变化趋势在图9中不能很好地呈现。由图9可知：红黏土的结合水量均比孔隙溶液为去离子水试样的结合水量低，即便是试样初始质量最大的0.5 mol/L也不例外。这更进一步证明了随孔隙溶液中NaCl 浓度升高，黏土颗粒结合水温度界限增加，结合水量减少，从而土的可塑性降低。

图8 黏土颗粒与水分子的相互作用Fig.8 Interaction between clay particles and water molecules

图9 结合水质量变化Fig.9 Variation of mass of bound water

综上，本文认为含有一定NaCl 浓度的溶液侵入土壤后，由于孔隙溶液中Na+浓度增加，吸附能力增强，造成温度界限升高，结合水含量降低，土的可塑性降低。也可理解为原来仅靠水分子的吸力相连接的土颗粒，在遇到含有Na＋的带电离子后，由于土颗粒间存在的电荷发生反应，结合水和土颗粒关系更紧密，即红黏土颗粒表面对自由水和结合水的吸力加强，结合水的温度界限升高，而结合水总量减少，土的可塑性降低。孔隙溶液为NaCl 溶液的土样塑性弱化，塑限减少，液限也随之减小。因此，红黏土中NaCl 浓度增大，界限含水率降低。