分散劑對(duì)砂頁巖殘積紅土（■2d）粒度組成影響研究

Effect of Dispersant on Particle Size Composition of Sandy Shale Laterite （■2d）

周志彬 ZHOU Zhi-bin；符必昌 FU Bi-chang；牛志文 NIU Zhi-wen

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

摘要：砂頁巖殘積紅土（■2d）性質(zhì)特殊，其粒度組成復(fù)雜。本文優(yōu)選 4 種分散劑對(duì)砂頁巖殘積紅土（■2d）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，討論分散劑種類和濃度對(duì)砂頁巖殘積紅土（■2d）團(tuán)粒體的分散效果，以此獲得其粒度組成特征值。試驗(yàn)結(jié)果表明，濃度為 4.0%的六偏磷酸鈉使砂頁巖殘積紅土（■2d）達(dá)到最佳分散效果，并獲得了相對(duì)應(yīng)的粒度組成特征值。

Abstract： The sandy shale laterite （■2d） is of special nature and its grain size is complex. In this paper， four kinds of dispersants are used for comparative test of sandy shale laterite （■2d）， and the dispersion effect of dispersant type and concentration on sandy shale laterite （■2d） is discussed to obtain its grain size composition characteristic value. The results show that the best dispersion effect is achieved by the addition of sodium hexametaphosphate at the concentration of 4.0%， and the corresponding grain size composition characteristic value is obtained.

關(guān)鍵詞：殘積紅土；紅土分類；粒度組成測(cè)定；分散劑；六偏磷酸鈉

Key words： residual laterite；classification of laterite；particle size determination；dispersant；sodium hexametaphosphate

中圖分類號(hào)：P642.13+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）05-0175-03

0 引言

紅土是熱帶、亞熱帶濕熱地區(qū)廣泛分布的具有特殊工程地質(zhì)性質(zhì)的土體[1]。至今，紅土學(xué)術(shù)界對(duì)用以解釋形成紅土的紅土化作用的認(rèn)識(shí)仍是模糊的，特別是中國一致把紅土定名為紅黏土，且把紅黏土定義為碳酸鹽巖風(fēng)化殼，致使碳酸鹽巖地區(qū)分布區(qū)之外的砂頁巖等大量硅酸鹽巖上覆紅土被忽視[1-3]。可以用密度法測(cè)定紅土的粒度組成，從而對(duì)紅土進(jìn)行正確的分類和命名，在其粒度組成測(cè)定過程，所用分散劑種類和濃度對(duì)砂頁巖殘積紅土（■2d）粒度組成測(cè)定結(jié)果影響很大。本工作對(duì)4種分散劑進(jìn)行研究，最終確定該類型紅土粒度組成的特征值?？蔀樯绊搸r殘積紅土（■2d）粒度組成的分析測(cè)試推薦合適的分散劑。

1 粒度組成試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣的化學(xué)組成及礦物組成

試驗(yàn)土樣采用昆明長水國際機(jī)場(chǎng)砂頁巖殘積紅土（■2d），其化學(xué)及礦物組成見表1所示，全風(fēng)化砂頁巖中的SiO2、Al2O3和Fe2O3含量分別為56.69%、20.38%和8.07%。紅土中的SiO2、Al2O3和Fe2O3含量分別為62.26%、18.27%、8.20%。由此可知，二者之間具有非常密切的成因聯(lián)系和繼承性，符合母巖與殘積紅土之間的形成模式。本文所選用的土樣也是云貴高原昆明長水機(jī)場(chǎng)砂頁巖殘積紅土中的散粒紅土[1]。

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1.2 試驗(yàn)研究方法

為了客觀真實(shí)地反映由昆明長水機(jī)場(chǎng)選取砂頁巖殘積紅土散粒紅土（■2d）的粒度組成，首先在未加分散劑條件下，進(jìn)行粒度組成的試驗(yàn)。然后分別利用4種分散劑（六偏磷酸鈉、硅酸鈉、雙氧水和氨水）分別在不同濃度下進(jìn)行試驗(yàn)。此次試驗(yàn)采用密度計(jì)法，密度計(jì)均為TM-85甲種密度計(jì)。試驗(yàn)流程按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）[4]或《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）[5]進(jìn)行，具體步驟是：

稱干質(zhì)量為30g的風(fēng)干試樣倒入錐形瓶中，注入水200mL，浸泡過夜。然后將錐形瓶放在煮沸設(shè)備上，連接冷凝管進(jìn)行煮沸約1h。將冷卻后的懸液倒入瓷杯中，靜置約1min將上部懸液倒入量筒。杯底沉淀物用帶橡皮頭研杵細(xì)心研散，加水，經(jīng)攪拌后靜置約1min再將上部懸液倒入量筒。如此反復(fù)操作，直至杯內(nèi)懸液澄清為止。當(dāng)土中大于0.075mm的顆粒估計(jì)超過試樣總質(zhì)量的15%時(shí)，應(yīng)將其全部倒至0.075mm篩上沖洗，直至篩上僅留大于0.075mm的顆粒為止。將留在洗篩上的顆粒洗入蒸發(fā)皿內(nèi)，傾去上部清水，烘干稱量，然后按規(guī)程進(jìn)行細(xì)篩篩析。將過篩懸液倒入量筒，加入分散劑約10mL于量筒溶液中，再注入純水，使筒內(nèi)懸液達(dá)1000mL。用攪拌器在量筒內(nèi)沿整個(gè)懸液深度上下攪拌1min左右，往復(fù)30次，以確保懸液內(nèi)土粒分布均勻。取出攪拌器，在懸液中置入密度計(jì)，開動(dòng)秒表。六偏磷酸鈉的濃度以1%、3%、4%、6%和8%為主（4%為《土工試驗(yàn)規(guī)程SL237-1999》的建議濃度）；硅酸鈉采用的濃度以0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%為主（1%為《土工試驗(yàn)規(guī)程SL237-1999》的建議濃度）；雙氧水采用的濃度以3%、5%、6%、7%和9%為主（6%為《土工試驗(yàn)規(guī)程SL237-1999》的建議濃度）；氨水采用的濃度以4%、6%、8%、10%和12%為主（10%的濃度值被采用較多）。為了更加詳細(xì)地顯示粒度組成的變化規(guī)律，特增加10min和60min時(shí)的密度計(jì)讀數(shù)時(shí)間，同時(shí)多組試驗(yàn)在1440min后增加了13個(gè)讀數(shù)（如2600min、4300min、5500min時(shí)的讀數(shù)），這將有利于顯示粒度組成曲線分布特征及規(guī)律。

2 砂頁巖散粒紅土粒度組成試驗(yàn)結(jié)果

2.1 砂頁巖散粒紅土（■2d）在未加分散劑條件下的粒度組成分析結(jié)果

由表2顯示在未加分散劑條件下，散粒紅土（■2d）粗粒組（粒度大于0.075mm）含量為8%，粉粒組（粒度0.075～0.005mm）含量為74%，粘膠粒組（粒度小于0.005mm）含量為18%；土顆粒主要集中在粉粒和黏粒組，表明散粒紅土（■2d）土體顆粒極不均一，粉粒組團(tuán)粒體在未加分散劑條件下較穩(wěn)定，主要以粉粒團(tuán)粒體為主的狀態(tài)存在。

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2.2 不同分散劑對(duì)砂頁巖散粒紅土（■2d）各粒組含量的影響

2.2.1 六偏磷酸鈉對(duì)紅土粒度組成的影響

在一定濃度范圍內(nèi)，隨著六偏磷酸鈉濃度的增加，散粒紅土（■2d）黏粒組含量不斷增大。在其濃度為4.0%時(shí)，黏粒組含量增至最大值58%，反映了土體中結(jié)構(gòu)單元體存在大量的膠體顆粒，表明該類型紅土的紅土化作用程度較高。從表2可以看出，六偏磷酸鈉濃度為4%、時(shí)，散粒紅土的黏、膠粒組含量達(dá)到58%峰值。為此，特把4.0%當(dāng)作散粒紅土在六偏磷酸鈉作用下的最佳分散劑濃度。

2.2.2 硅酸鈉對(duì)紅土粒度組成的影響

采用硅酸鈉作為分散劑時(shí)，在一定濃度范圍內(nèi)，黏粒含量隨著硅酸鈉的濃度增大，散粒紅土（■2d）黏膠粒組含量不斷增大，在硅酸鈉濃度為2.0%時(shí)，黏粒組含量增至最大值45%，黏粒組含量比無分散劑條件下的黏粒組含量增加27%。與六偏磷酸鈉相比，硅酸鈉對(duì)散粒紅土的分散作用效果明顯較差。為此，特把2.0%當(dāng)作散粒紅土在硅酸鈉作用下的最佳分散劑濃度。

2.2.3 雙氧水對(duì)紅土粒度組成的影響

雙氧水作為分散劑時(shí)，在一定濃度范圍內(nèi)，隨著雙氧水濃度的增大，散粒紅土（■2d）黏粒組含量不斷增大。在雙氧水濃度為7.0%時(shí)，黏粒組含量增至最大值22%，黏粒組含量比無分散劑條件下的黏粒組含量增加4%。與六偏磷酸鈉、硅酸鈉相比，雙氧水對(duì)散粒紅土（的分散作用效果明顯較差。為此，特把7.0%當(dāng)作散粒紅土在雙氧水作用下的最佳分散劑濃度。

2.2.4 氨水作用下的粒度成分試驗(yàn)成果

氨水作為分散劑時(shí)，在一定濃度范圍內(nèi)，隨著氨水濃度的增大，散粒紅土（■2d）黏膠粒組含量不斷增大。在氨水濃度為8.0%時(shí)，黏粒組含量增至最大值25%。與六偏磷酸鈉、硅酸鈉、雙氧水相比，氨水對(duì)散粒紅土（的分散作用效果弱于六偏磷酸鈉、硅酸鈉，但比雙氧水分散效果好。為此，特把8.0%當(dāng)作散粒紅土在氨水作用下的最佳分散劑濃度。

2.3 分散劑對(duì)砂頁巖散粒紅土（■2d）級(jí)配影響

由圖1顯示，該土樣在未加分散劑的條件下分散效果很不理想，粉粒組含量高達(dá)74%，按紅土粒度分類應(yīng)該屬于粉土。粒度分布曲線在粒徑為0.1～0.20mm粒組區(qū)間較為平緩，在0.02～0.01mm粒組區(qū)間較為陡直，顆分曲線總體連續(xù)度和光滑度與設(shè)計(jì)預(yù)期有一定差距，曲線的斜率并不是連續(xù)的，顆粒級(jí)配也不符合試驗(yàn)要求。特別是在添加六偏磷酸鈉濃度為4.0%后，其粒度曲線在0.02～0.002mm粒組區(qū)間變緩，曲線斜率變化很小且連續(xù)黏粒組含量增至最大值。從而得知該分散劑對(duì)粉粒組團(tuán)粒作用效果很顯著，顆粒級(jí)配良好，按紅土粒度分類應(yīng)該屬于“黏土”。當(dāng)硅酸鈉濃度為2.0%時(shí)，其粒度曲線在粒徑為0.1～0.002mm粒組區(qū)間變緩，曲線斜率居中，黏粒組含量達(dá)到45%，黏粒組含量比未加分散劑條件下的黏粒組含量增加27%，按紅土粒度分類應(yīng)該屬于“粉黏”。當(dāng)雙氧水濃度為7%時(shí)，得到的分散效果相比未加分散劑時(shí)有所加強(qiáng)但不明顯，曲線類似未加分散劑形狀，顆粒級(jí)配不良，且斜率變化幅度較大，粉粒含量達(dá)到71%，按紅土粒度分類應(yīng)該屬于“粉土”。采用氨水濃度為8.0%時(shí)，其粒度曲線在粒徑為0.02～0.005 mm粒組區(qū)間較陡，在黏粒組含量中，黏粒組含量達(dá)到25%，黏粒組含量比未加分散劑條件下的黏粒組含量增加7%，按紅土粒度分類應(yīng)該屬于“粉土”。

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從本質(zhì)來講，化學(xué)分散就是通過破壞團(tuán)粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部微細(xì)粒黏土礦物之間的結(jié)合水連結(jié)以及游離氧化鐵與黏土礦物之間的靜電引力而形成的包膜膠結(jié)（具有很強(qiáng)的水穩(wěn)性，作用力是靜電引力，機(jī)械力不能使其分開）來打散團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分散方法[6]。添加分散劑后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)粉粒組明顯減少，而黏粒卻有一定程度的增多。這是因?yàn)榧尤氲姆稚┡c氧化鐵發(fā)生了反應(yīng)，并生成一種絡(luò)合物，該物質(zhì)能夠打散膠結(jié)的土顆粒。黏土膠體吸附溶液中的離子具有選擇性[7]，如果在溶液中摻入分散劑六偏磷酸鈉，其遇水離解成Na+、PO3-，而黏性土中通常都含有鈉、鉀礦物質(zhì)，具有選擇吸附作用的土粒的離子首先會(huì)將鈉離子吸收，當(dāng)擴(kuò)散層達(dá)到一定厚度時(shí)，黏膠粒會(huì)相互分離，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)逐漸解體。但是相對(duì)來講，氨水和雙氧水離子的選擇吸附作用極少發(fā)生，所以這兩種物質(zhì)不適合作為分散劑使用[8]。

3 結(jié)論

①在用密度法測(cè)定紅土粒度時(shí)，隨所用分散劑種類和濃度的不同，所得黏粒含量差別較大，從而影響紅土分類和命名，由此可見分散劑種類和濃度的選擇是至關(guān)重要的。

②在所4種分散劑對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，使該土樣達(dá)到的特殊黏膠粒含量的分散劑濃度分別為：4%六偏磷酸鈉（黏粒組含量58%）、2%硅酸鈉（黏粒組含量45%）、8%氨水（黏粒組含量25%）、7%雙氧水（黏粒組含量22%）、未加分散劑（黏粒組含量為18%）。砂頁巖殘積紅土散粒紅土（■2d）在六偏磷酸鈉作為分散劑所得黏粒含量最高，硅酸鈉次之，其他兩種分散劑的黏粒含量較低，幾乎與無分散劑條件下持平，分散效果不理想。六偏磷酸鈉對(duì)散粒紅土（■2d）分散作用效果最好。為此，可將4.0%六偏磷酸鈉作用下獲得的粉粒組含量36%、黏粒組含量58%、數(shù)值作為散粒紅土（■2d）最佳分散狀態(tài)下的粒度成分特征值。

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