土壤分散劑的研究

吳國永,肖景華

(廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635)

土的級配與其工程性質(zhì)有著緊密的聯(lián)系，不同工程、不同的工程部位對土料級配有不一樣的要求，如《堤防工程設計規(guī)范》GB 50286—2013,對均質(zhì)土堤要求填筑土料粘粒含量宜在15～30%[1]。所謂土的級配，就是土中大小不同的顆粒(粒組)以百分數(shù)表示的相對含量。土的級配數(shù)據(jù)是通過顆粒分析試驗獲得。使用通過檢定合格的儀器進行試驗，粗粒組比較容易得到可靠的試驗結(jié)果，但是，對于粘粒、膠粒的含量，即使嚴格按試驗規(guī)程、試驗標準進行操作，可能仍不能得到令人滿意的試驗結(jié)果。經(jīng)過多年實踐發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種情況的原因，主要是由于試驗規(guī)程、試驗標準推薦的分散劑，對一些土壤的分散效果較差，沒能達到半分散效果。

本文主要解決在顆粒分析試驗中如何選擇分散劑的問題。顆粒分析試驗中所謂加分散劑，就是在土懸液中加入鈉鹽或其他弱堿性的溶液，使土呈保持強結(jié)合水的顆粒狀。分散劑不能與土顆粒發(fā)生氧化、還原反應，但也有人使用強堿(如氫氧化鈉)作分散劑。

1 幾種分散劑分散效果比較

1.1 不同分散劑粘粒含量試驗結(jié)果

對包括六偏磷酸鈉(Na6P6O18)、碳酸鈉(Na2CO3)、偏鋁酸鈉(NaAlO2)等呈堿性的鈉鹽、氨水等十幾種試劑進行初步試驗，從中選擇對土壤分散效果較好的幾種分散劑作進一步研究。報告對比試驗所用的試劑有4%六偏磷酸鈉(Na6P6O18)，4%焦磷酸鈉(Na4P2O7)，4%硅酸鈉(Na2SiO3)，4%草酸鈉(Na2C2O4)，4%氫氧化鈉(NaOH)和25%氨水(NH4OH)。試驗按照GB/T 50123—2019土工試驗方法標準的步聚進行[2]，對來自廣東省的廣州、江門、珠海、韶關(guān)、肇慶等市的15組土樣進行對比試驗。

一般而言，分散劑用量越多，越早加入，分散效果越好，但過多的分散劑會致懸液密度明顯增大，影響試驗結(jié)果。這里只報告能夠獲得比較穩(wěn)定的分散效果的分散劑用量，及其試驗結(jié)果。為使試驗結(jié)果具有可比性，統(tǒng)一在密度計法試驗計時前10 min一次性加入，并立即對懸液上下攪拌各5次。對比試驗在同一恒溫實驗間，由相同的試驗員，用同一支TM-85甲種土壤密度計同時進行，所有樣品隨機排序。為防止粗差，對上述試驗重復5次，取平均值作為最終試驗結(jié)果，本次對比試驗沒出現(xiàn)粗差現(xiàn)象，試驗操作方法基本排除了重復性條件的影響。試驗結(jié)果見表1，各土的其他物理性指標及分類名稱見表2。

表1 不同分散劑粘粒含量(%)試驗結(jié)果

表2 土的物理性指標

注：土分類用到的顆粒分析試驗結(jié)果，密度法試驗時均加入4%六偏磷酸鈉10 mL。特別指出，13號土煮土時加入氨水1 mL。

1.2 試驗結(jié)果分析

從表1可見，6種分散劑所得的粘粒含量試驗結(jié)果有明顯差別，就每一組土樣而言，其差別的大小有所不同，不僅說明不同分散劑對土壤的分散效果不同，還說明了同一種分散劑對不同土壤的分散效果也不一樣。

加焦磷酸鈉所得的粘粒含量平均值最大，六偏磷酸鈉次之，表明這兩種分散劑的總體分散效果較好，氨水的分散效果最差。事實上，在工程實踐中有時遇到這樣的土壤，加六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉等試劑幾乎沒有分散效果，或分散效果很不理想，但氨水的分散效果卻良好。如表1中的13號土，加氨水試驗結(jié)果與工程經(jīng)驗比較吻合，其他幾種試劑的分散效果很差。

表3是各種分散劑粘粒含量(%)，與除13號土外的14組土樣的粘粒含量與平均粘粒含量之差的統(tǒng)計結(jié)果。

雖然焦磷酸鈉比六偏磷酸鈉得到的粘粒含量均值大一些，但從表3可知，各種分散劑粘粒含量試驗結(jié)果與上述幾種分散劑所得粘粒含量均值之差的標準差，焦磷酸鈉最大，是六偏磷酸鈉的3倍，表明焦磷酸鈉分散效果最不穩(wěn)定。此外，就上述對比試驗的土壤而言，氫氧化鈉的分散效果也不錯，但其堿性太強，容易與土中的酸性物質(zhì)反應，生成新物質(zhì)。

表3 各種分散劑粘粒含量(%)與粘粒含量均值之差統(tǒng)計

2 分散劑的選擇

有人認為，應按土壤的酸堿度(pH值)選擇分散劑。實踐證明，僅就土壤的pH值來選用分散劑，并不完全合適。

最為公認的研究結(jié)果是根據(jù)離子交換容易及土類的特征原則選用分散劑，但是，這個方法是否都能達到半分散效果仍需研究。此外，以離子交換容易作為選擇分散劑的依據(jù)，試驗周期長、費用高、操作難度很大，檢測實驗室難以做到。

本次對比試驗結(jié)果看，在上述幾種分散劑中，六偏磷酸鈉的分散效果較好且比較穩(wěn)定，適合工程實踐的常規(guī)試驗。根據(jù)多年實踐經(jīng)驗，水利、交通、工民建等工程常見的土壤，加4%六偏磷酸鈉10 mL已能取得比較滿意的分散效果，但也有少數(shù)土壤，如一些河流相沖積土[3]，鈉鹽的分散效果很差，使得試驗結(jié)果與其它試驗指標極不匹配。表4是一河流相沖積土壤的試驗結(jié)果。

表4 沖積土Z235不同分散劑粘粒含量(%)試驗結(jié)果

對一些特殊的土壤，當鈉鹽的分散效果很差時，常作如下處理：在煮土時加25%氨水4 mL，在進行密度計測量，對懸液攪拌前再加入25%氨水4 mL或適量六偏磷酸鈉溶液，這個方法往往能取得令人滿意的試驗結(jié)果。應該指出，上述25%氨水可用濃氨水代替，加入的劑量一致即可。

3 結(jié)語

能使試驗結(jié)果的粘粒含量最大的試劑，不一定是最好的分散劑，如果所加的化學試劑與土粒發(fā)生化學反應，生成新物質(zhì)，就達不到試驗目的。事實上，顆粒分析試驗的分散標準為半分散，即能使土粒呈保持強結(jié)合水及部分弱結(jié)合水水化膜的團粒就可以，這是工程特性的需要。因此，通常以鈉鹽或氨水作為工程土壤的分散劑。

建設工程遇到的絕大多數(shù)土壤，焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、氫氧化鈉的分散效果比較好，但由于氫氧化鈉堿性太強，容易與土中的酸性物質(zhì)反應，無法確保試驗結(jié)果準確可靠。焦磷酸納平均分散效果需好，但不穩(wěn)定。六偏磷酸鈉分散效果好且穩(wěn)定，最適合常規(guī)試驗，劑量為4%六偏磷酸鈉10 mL。對少數(shù)特殊土壤，比如一些河流相沖積土、部分被工業(yè)污染的土壤，六偏磷酸鈉分散效果很差，對于這些土壤，可用氨水作為分散劑，方法是在煮土時及密度計測量攪拌前分別加入1 mL氨水。

文中所有分散劑用量，在密度計法的1 000 mL懸液中，分散劑對懸液密度的貢獻很小，因此，在常規(guī)試驗中，無須作分散劑修正。