盐分-矿物耦合作用下土体界限含水率研究

宋苗苗， 吉 锋， 徐桂中， 张 丹， 曹 准， 周 杨

(1. 盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051；2. 南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210029；3. 中建二局第二建筑工程有限公司，广东 深圳 518000；4. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127)

在沿海地区开展工程建设，通常会遇到海相沉积土和海相疏浚泥。与内陆淡水沉积土不同，海相沉积物孔隙溶液中常含一定量的可溶盐分。此外，近年来地下水开采、海水倒灌、降雨等自然和人工活动也引起沿海地区土体孔隙溶液盐分浓度的改变[1～3]。同时，孔隙溶液盐分也是海相疏浚泥环保利用需要考虑的一个重要因素[4]。

已有研究表明，土孔隙溶液盐分浓度的改变对土体物理性质、压缩性状、强度性状等都具有重要的影响[3,4～11]。He等[3]对日本有明黏土(Ariake Clay)灵敏度的研究表明，盐分浸析引起土体灵敏度的增加，主要是土体液限降低引起重塑土不排水抗剪强度减小的结果。Song等[11]通过对不同孔隙溶液盐分浓度重塑海相沉积土开展一系列的物理-化学试验和一维固结试验，也发现孔隙溶液盐分浓度改变对重塑海相土压缩性状的影响主要是由土体液限改变引起的，并可采用液限孔隙比进行评价和分析。

实际工程中，天然沉积海相土中黏土矿物组成随地区、气候、物质来源的不同而发生变化。如我国沿海地区海相沉积土中主要黏土矿物多为伊利石或伊蒙混层[10,11]，日本有明黏土的主要黏土矿物为蒙脱石[3]。需要指出的是，除孔隙溶液化学性质外，黏土矿物组成也是影响土体界限含水率的重要因素[12]。由此可见，开展孔隙盐分-黏土矿物耦合作用下土体界限含水率变化规律的研究具有重要的理论价值和工程意义。

本文将以天然沉积海相土与膨润土的混合土、商用高岭土和商用膨润土为对象，通过室内方法改变土孔隙溶液盐分浓度SPL，并开展液塑限试验和自由膨胀率δef试验。研究不同黏土矿物组成下土体液限wL和塑限wp随孔隙溶液盐分浓度的变化规律，明确了孔隙盐分改变引起土体液限变化的机理，并引入自由膨胀率分析了孔隙盐分对含蒙脱石黏性土液限的影响。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

试验所用土样包括一种商用高岭土、两种商用膨润土和五种温州土与膨润土的混合土。其中，商用高岭土为徐州矿务局夹河高岭土厂生产的高岭土；商用膨润土#1为产自徐州的钙基膨润土；商用膨润土#2为南京汤山镇生产的钠基膨润土；混合土则通过将温州土与商用膨润土#2按照不同的干土质量比混合得到，混合土#1～#5中膨润土#2含量分别为0%，25%，50%，75%，100%。

测定土样基本物理性质指标，结果如表1所示。其中，土体液限采用落锥法测定，土体塑限采用搓条法测定；根据SL237-1999《土工试验规程》[13]测定土体的自由膨胀率；采用密度计法测定土体颗粒粒径分布；土孔隙溶液盐分浓度SPL采用烘干法测定。根据试验土样的液限和塑限可知，除高岭土外，试验所用其他土样均为高液限黏土。

表1 试验土样的基本物理性质

采用X射线衍射法测定试验土样的矿物组成，并根据各衍射峰面积对土中各黏土矿物的相对含量进行半定量分析[14～16]，结果见表2。试验所用高岭土中的主要黏土矿物基本都为高岭石，含量高达98%。膨润土#1和膨润土#2中的主要黏土矿物为蒙脱石，其含量分别为99%和79.5%。此外，伊利石、高岭石和绿泥石在膨润土#2也有少量出现，其含量分别为18.0%，0.2%，2.3%。混合土#1～#4中均同时含有蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石四种黏土矿物。根据英姿[17]的研究可知，对于膨润土#2含量超过40%的混合土，其主要黏土矿物为蒙脱石。故混合土#3和混合土#4中的主要黏土矿物也为蒙脱石。

表2 试验土样黏土矿物组成 %

1.2 试验方案

由于海水中主要的可溶性盐分为NaCl，故本文将采用分析纯NaCl制备不同孔隙溶液盐分浓度的试验土样。首先将试验所用土样风干，并配制不同浓度的NaCl溶液；之后取干土质量为1 kg的风干土样，按照土和溶液比为1∶5加入制备的NaCl溶液，搅拌均匀并静置一周。试验前，将混合物再次搅拌均匀，使用离心机对混合物进行泥水分离，取离心后的上部清液测定土孔隙溶液盐分浓度，脱水后的土样则用于测定土体的液限和塑限。

已有研究表明[9,17]，孔隙溶液盐分浓度降低对我国海相沉积土液限的影响主要发生在孔隙盐分浓度降低到4 g/L后，且引起液限的减小幅度相对较小。另一方面，我国近海的海水盐分浓度约为35 g/L。故对于试验所用混合土选取了0，35 g/L两种盐分浓度。试验所用土样孔隙溶液盐分浓度如表3所示。

表3 试验土样孔隙溶液盐分浓度

2 试验结果分析与讨论

图1为高岭土和膨润土液限随孔隙溶液盐分浓度的变化规律。由图可知，膨润土液限随孔隙溶液盐分浓度的增加均呈逐渐减小的趋势。表现出和主要黏土矿物为伊利石的天然沉积海相土相反的变化规律[9,11]。此外，当土孔隙溶液盐分浓度由35 g/L降低到0时，膨润土液限的增加幅度可高达1倍以上。孔隙溶液盐分浓度改变对膨润土液限的影响程度明显高于天然沉积海相土。而高岭土的液限则基本不受孔隙溶液盐分浓度变化的影响。

图1 高岭土和膨润土液限随孔隙溶液盐分浓度变化规律

为进一步明确孔隙盐分对含蒙脱石土体液限的影响，对不同孔隙盐分浓度下土体液限和塑限随膨润土含量的变化规律进行分析，结果如图2所示。由图可知，相同膨润土#2含量下，孔隙溶液盐分浓度增加对土体液限的影响是变化的。和膨润土#2相比，当土孔隙溶液盐分浓度由0增加为35 g/L时，混合土#2(膨润土#2含量为25%)的液限由67%增大为73%，而混合土#3(膨润土#2含量为50%)和混合土#4(膨润土#2含量为75%)的液限则出现减小，且减小幅度随混合土中膨润土#2含量的增加而增大。也就是说随着土中蒙脱石含量的增加，孔隙溶液盐分浓度和土体液限间将由正相关关系逐渐转变为负相关关系。由此可见，探讨孔隙盐分对土体液限影响时，需考虑土中黏土矿物性质及其相对含量。此外，除膨润土#2外，和天然沉积土类似，混合土的塑限也基本不受孔隙溶液盐分浓度变化的影响。

图2 黏土-膨润土混合土界限含水率随孔隙盐分变化规律

孔隙溶液盐分对土体物理力学性质的影响，本质上是黏土颗粒表面所带负电荷与孔隙溶液中阳离子相互作用的结果。为此，研究者们常采用Gouy-Chapman扩散双电层理论阐释孔隙溶液化学性质改变对土体性质的影响[6,14,18～20]，并指出黏粒表面扩散双电层厚度和孔隙液中离子浓度的平方根成反比。即随着孔隙溶液盐分浓度的增加，黏粒表面扩散双电层厚度将减小，从而促进黏土颗粒间的絮凝，宏观表现为土体液限降低。结合图1可知，扩散双电层理论用于阐释孔隙盐分对膨润土液限的影响是适用的，这主要是由于膨润土液限主要受扩散双电层厚度的影响[20]。但对于主要黏土矿物为伊利石或高岭石的土，采用扩散双电层理论进行分析的结果，与试验结果间存在偏差，并不完全适用。为此，Sridharan等[20～22]提出两种机理用于阐释孔隙电解质溶液对土体液限的影响：(1)孔隙电解质溶液通过影响黏土颗粒表面扩散双电层的性质引起土体液限的改变；(2)孔隙电解质溶液通过影响黏土颗粒间的相互作用力使颗粒间的排列形式发生改变，进而引起土体液限的变化。通常情况下，孔隙电解质溶液对土体液限的影响是以某一种机理为主导，两种机理共同作用的结果。

为进一步验证孔隙溶液盐分浓度对土体液限的影响是两种机理共同作用的结果，对孔隙溶液盐分浓度增加引起混合土液限的改变量ΔwL(ΔwL=wL35-wL0)进行分析，结果如图3所示。其中，wL35，wL0分别为孔隙溶液盐分浓度为35 g/L和0时土体的液限。由图可知，随着土中膨润土#2含量的增加，ΔwL由2%先增加为6%再逐渐减小为-33%。当膨润土含量为某一临界值时，孔隙溶液盐分浓度增加将不引起土体液限的改变。这进一步表明孔隙溶液盐分浓度改变对土体液限的影响是两种机理共同作用的结果。

图3 孔隙盐分浓度增加引起黏土-膨润土混合土液限的改变量

由上述分析可知，当土中同时含蒙脱石、伊利石和高岭石三种黏土矿物时，土体液限随孔隙溶液盐分浓度的变化规律主要由土中蒙脱石含量控制。而采用X射线衍射法仅能对土中黏土矿物组成进行半定量分析，且该试验操作整体比较复杂。和直接测定土中蒙脱石含量相比，土体自由膨胀率δef的测定具有简单快速的特点。此外，已有研究[16,23]也表明，土体的自由膨胀率与黏粒表面扩散双电层的性质和土中蒙脱石含量都密切相关。由此可推知，自由膨胀率δef也可用于预测含蒙脱石土体液限随孔隙溶液盐分浓度的变化规律。

根据国家标准GB 50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》[24]采用自由膨胀率对试验所用混合土的膨胀潜势进行判定，可知混合土#2为含蒙脱石的非膨胀土，混合土#3为中膨胀土，混合土#4和混合土#5为强膨胀土。图4为孔隙溶液盐分浓度增加引起混合土液限改变量ΔwL与土体自由膨胀率δef、膨润土#2含量间的关系。对于本文试验所用混合土，当土体为弱膨胀土或非膨胀土，即自由膨胀率δef<65%时，孔隙溶液盐分浓度增加将引起土体液限的增大。由此可见，即使土中含有一定量的蒙脱石，只要土体未表现出膨胀性或为低膨胀土，孔隙溶液盐分浓度降低将引起土体液限的减小，表现出和以伊利石、绿泥石为主要黏土矿物的低活性土类似的变化规律。此时，孔隙盐分对土体液限的影响，主要受黏土颗粒间相互作用力的控制。反之，当含蒙脱石黏土的自由膨胀率δef>65%后，孔隙盐分将主要通过影响黏粒表面扩散双电层的厚度影响土体液限。随孔隙溶液盐分浓度的增加，土体液限表现出减小的变化趋势。综上可知，通过测定土体自由膨胀率可明确孔隙盐分对含蒙脱石黏性土液限的影响规律。

图4 混合土液限改变量和自由膨胀率、膨润土含量间关系

3 结 论

(1)膨润土液限随孔隙溶液盐分浓度的降低而增大，而高岭土的液限则基本不受孔隙溶液盐分浓度变化的影响。

(2)对于含蒙脱石黏性土，当土中蒙脱石含量较低且自由膨胀率δef<65%时，孔隙溶液盐分浓度增加将引起土体液限的增大；反之，当土中蒙脱石含量较高且自由膨胀率δef>65%时，土体液限随孔隙溶液盐分浓度的增加而减小。土体自由膨胀率δef可用于分析孔隙盐分对含蒙脱石土体液限的影响。

(3)对于非膨胀性土和低膨胀性土(δef<65%)，孔隙溶液盐分主要通过影响黏土颗粒间相互作用力，进而引起土体液限的变化；而对于膨润土和强膨胀性土(δef>65%)，孔隙溶液盐分则主要通过改变黏粒表面扩散双电层性质使土体液限发生改变。