鈉質(zhì)膨潤土滲透性與膨脹性及可塑性的相關(guān)性

于澤溪，李育超，陳冠年

(1.軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江大學(xué))，杭州 310058; 2.浙江大學(xué) 巖土工程研究所，杭州 310058)

膨潤土是一種蒙脫石含量為70%～95%的黏土.蒙脫石比表面積大(800 m2/g)且?guī)в写罅康呢?fù)電荷[1]，在水化過程中可吸附大量的陽離子和水分子，使蒙脫石層間距離增加，體積增大數(shù)倍[2-3]，可阻礙自由水流動，因此膨潤土具有低滲透性[4-5].蒙脫石層間的陽離子以一價鈉離子為主的膨潤土和以二價鈣離子為主的膨潤土分別為鈉質(zhì)膨潤土和鈣質(zhì)膨潤土.相比鈣質(zhì)膨潤土，鈉質(zhì)膨潤土的剩余表面電荷和可交換Na+的量較多，以上特征使鈉質(zhì)膨潤土具有較強(qiáng)的水化膨脹能力和低滲透性[6]，因此，鈉質(zhì)膨潤土被廣泛用作填埋場與污染場地防污屏障材料.防污屏障利用低滲透性的土質(zhì)或人工材料對污染物或受污染土水進(jìn)行圍封[7]，將地下污染源與周邊水土隔離，可有效防止填埋場和污染場地中的污染液(滲濾液或污水)擴(kuò)散至周邊的地下水或土壤.

防污屏障根據(jù)其布置形式及功能分為水平屏障和垂直屏障.與其他水平屏障和垂直屏障相比(如壓實(shí)黏土襯墊、水泥系隔離墻等)，土工聚合黏土襯墊(GCL)和膨潤土系隔離墻具有防滲能力強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在污染水土風(fēng)險管控和治理中得到廣泛應(yīng)用[8].然而，填埋場中的滲瀝液、污染場地中被污染的地下水及沿海地區(qū)的地下水含有大量離子，防污屏障中的膨潤土與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后滲透系數(shù)大幅度增加，對污染物的阻滯功能減弱[9]，甚至達(dá)不到相關(guān)規(guī)范的要求.Shackelford等[10]將化學(xué)溶液對膨潤土工程特性(如滲透特性、膨脹特性和固結(jié)特性等)的影響稱為膨潤土與化學(xué)溶液的化學(xué)相容性，其是評價膨潤土服役性能的重要指標(biāo).因此，設(shè)計防污屏障時，必須考慮膨潤土與鹽溶液的化學(xué)不相容造成的不利影響，以避免防污屏障滲透系數(shù)過小評價造成服役壽命的錯誤評估.

目前，國內(nèi)外關(guān)于鹽溶液與鈉質(zhì)膨潤土的化學(xué)相容性進(jìn)行了一些研究.Jo等[11]通過試驗(yàn)分析了鹽溶液中陽離子的濃度和價態(tài)對膨潤土滲透性和膨脹特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著陽離子濃度的增加，鈉質(zhì)膨潤土的滲透系數(shù)增大、膨脹指數(shù)減??；相同濃度下，隨陽離子價態(tài)升高，鈉質(zhì)膨潤土的滲透系數(shù)增大、膨脹指數(shù)減小，但未研究滲透系數(shù)和膨脹指數(shù)變化間的相關(guān)性.Katsumi等[12]通過試驗(yàn)分析了鹽溶液中陽離子的濃度和價態(tài)對膨潤土液限的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著陽離子濃度的增加，鈉質(zhì)膨潤土的液限減小；相同濃度下，隨陽離子價態(tài)升高，鈉質(zhì)膨潤土的液限減小.Katsumi等[12]未研究滲透系數(shù)和液限變化間的相關(guān)性.

本文以膨脹指數(shù)和塑性指數(shù)作為評價指標(biāo)，采用不同濃度的NaCl溶液和CaCl2溶液作為試驗(yàn)溶液，通過自由膨脹試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)和不同壓力下的滲透試驗(yàn)，研究鹽溶液對鈉質(zhì)膨潤土滲透性和基本物理特性的影響，探究固結(jié)壓力對膨潤土滲透系數(shù)變化的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)與滲透系數(shù)之間變化的相關(guān)性，提出將操作簡便、試驗(yàn)周期短的自由膨脹試驗(yàn)和界限含水量試驗(yàn)作為工程中初選滲透系數(shù)的手段，并評估其可行性.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 鈉質(zhì)膨潤土

采用的膨潤土是美國懷俄明膨潤土，通過X射線衍射分析測得該膨潤土的礦物組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71.4%蒙脫石、12.3%石英、12.7%中長石、3.6%伊利石，通過比重瓶法測得顆粒相對體積質(zhì)量為2.55，通過液塑限聯(lián)合測定法測得液限和塑限(去離子水)分別為267.0和24.8，塑性指數(shù)為242.2，通過自由膨脹試驗(yàn)測得膨脹指數(shù)(去離子水)為26.5 mL/2 g.通過快速法測試的陽離子交換量和Shackelford等[13]測試的懷俄明膨潤土陽離子交換量見表1.

表1 膨潤土的陽離子交換量

由表1可知，除Na+的可交換陽離子量略高于Shackelford等[13]的測試結(jié)果，其他離子的可交換陽離子量基本一致.根據(jù)GB/T 20973—2007《膨潤土》[14]，懷俄明膨潤土為鈉質(zhì)膨潤土.

1.1.2 試驗(yàn)溶液

收集測試了江蘇沿海多地的地下水陽離子濃度，見表2.Na+和Ca2+為濃度最多的陽離子，故采用NaCl和CaCl2兩種溶液作為試驗(yàn)溶液，對比一價和二價陽離子對膨潤土膨脹特性、界限含水量和滲透性的影響規(guī)律.另外，采用去離子水進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，為化學(xué)相容性的試驗(yàn)結(jié)果對比分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).由表2可知，調(diào)查城市的地下水中一價陽離子和二價離子的常見濃度分別為100和20 mmol/L.為獲取較為完整的變化規(guī)律，試驗(yàn)選取較大的濃度范圍，見表3.

表2 江蘇典型沿海城市地下水陽離子濃度

表3 鈉質(zhì)膨潤土工程特性相關(guān)性試驗(yàn)方案

1.1.3 膨潤土泥漿制備

本文試驗(yàn)的泥漿由質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的膨潤土和94%的鹽溶液或去離子水制成，其制備方法為：采用自動攪拌器將懷俄明膨潤土與鹽溶液或去離子水以800 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌15 min制成泥漿，將所制泥漿倒入燒杯中密封靜置24 h后，再次用自動攪拌器以800 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min，然后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 自由膨脹試驗(yàn)

自由膨脹試驗(yàn)參照ASTM D5890[15]，將2 g烘干的膨潤土加入100 mL鹽溶液中，靜置24 h后記錄量筒中沉降后膨潤土的體積.還測試上清液中Na+、K+、Ca2+、Mg2+4種陽離子的濃度.

1.2.2 界限含水率試驗(yàn)

采用液、塑限聯(lián)合測定法測定膨潤土的界限含水量，試驗(yàn)步驟參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16].用鹽溶液將鈉質(zhì)膨潤土調(diào)成3種不同稠度狀態(tài)的試樣，放入調(diào)土皿中，浸潤24 h.使用聯(lián)合測定儀測試圓錐在3個試樣中的下沉深度，并測量3個試樣的含水量.

1.2.3 滲透試驗(yàn)

結(jié)合改進(jìn)濾失試驗(yàn)和柔壁滲透儀測試方法進(jìn)行滲透試驗(yàn).改進(jìn)濾失試驗(yàn)源自濾失試驗(yàn)[17]，該方法能夠快速、簡便地測試膨潤土泥餅的滲透系數(shù)[18-20].由于膨潤土泥餅的有效應(yīng)力沿高度方向變化——泥餅頂部的有效應(yīng)力為零，泥餅底部的有效應(yīng)力等于施加的氣壓，泥餅的孔隙比沿高度方向是不均勻的，泥餅的滲透系數(shù)沿高度方向變化[18].采用改進(jìn)濾失試驗(yàn)只能得到膨潤土試樣的垂直等效滲透系數(shù).使用柔壁滲透儀測試膨潤土泥餅的滲透系數(shù)，可得到整個試樣在有效應(yīng)力相同條件下的滲透系數(shù).

柔壁滲透試驗(yàn)中膨潤土泥餅的制作方法是整個過程的關(guān)鍵步驟，本文提出了以下方法.將泥漿注入RCLF-1A型中壓濾失儀中，接通氣壓并將壓力調(diào)至12 kPa進(jìn)行壓濾.壓濾結(jié)束后抽取剩余的上覆泥漿，將定制的杯型橡膠膜套在中壓濾失儀上(見圖1(a)).向橡膠膜中注滿水，并在泥餅頂部放置表面平整的重物(見圖1(b))，接通氣壓并將壓力調(diào)至12 kPa.橡膠膜中的水將壓力傳遞給膨潤土泥餅使其繼續(xù)固結(jié)，固結(jié)時間為24 h(見圖1(c))，可得到有效應(yīng)力均勻的膨潤土泥餅，泥餅的高度約為20 mm(見圖1(d)).

圖1 膨潤土泥餅的制備過程

將直徑為70 mm的環(huán)刀緩慢的垂直壓入膨潤土泥餅中，獲得直徑為70 mm的膨潤土泥餅.將取得的膨潤土泥餅試樣放置在柔壁滲透儀底座的透水石上進(jìn)行裝樣.采用柔壁滲透儀對膨潤土泥餅分級加載，施加的有效固結(jié)應(yīng)力為12，25，50，100，200，400，800 kPa，對應(yīng)的滲透系數(shù)測試采用的壓差為6，14，24，60，126，260，260 kPa.

當(dāng)試驗(yàn)滿足ASTM D5084[21]標(biāo)準(zhǔn)后即可計算膨潤土泥餅的滲透系數(shù)，需同時滿足：1) 在最后連續(xù)3次的測試中，每個滲透壓差下的頂帽入流量與底座出流量的比值在0.75～1.25;2)每個壓差下的滲透試驗(yàn)，最后3次測的得流量值應(yīng)在平均流量值的0.75～1.25;3)在最后3次測試中，頂帽入流量和底座出流量不應(yīng)該有顯著的上升或下降的趨勢.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 膨脹指數(shù)

2.1.1 溶液陽離子濃度對膨脹指數(shù)的影響

采用不同濃度NaCl和CaCl2溶液測得的膨脹指數(shù)見圖2.膨潤土在去離子水中的膨脹指數(shù)26.5 mL/2 g.隨著NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加，膨脹指數(shù)都先增長再減小：在20 mmol/L NaCl溶液中膨脹指數(shù)達(dá)到峰值42.5 mL /2 g，比在去離子水中增加了16 mL/2 g.當(dāng)NaCl溶液的濃度從200 mmol/L增加到500 mmol/L時，膨脹指數(shù)下降速度最為顯著，從28.5 mL/2 g陡降至11.5 mL/2 g，占總下降值的45.3%.當(dāng)NaCl溶液濃度大于1 000 mmol/L時，膨脹指降低至5 mL/2 g左右，趨于穩(wěn)定不再變化；在5 mmol/L CaCl2溶液中，膨脹指數(shù)達(dá)到峰值38 mL/2 g，比在去離子水中增大了11.5 mL/2 g.當(dāng)CaCl2溶液的濃度從5 mmol/L增加到10 mmol/L時，膨脹指數(shù)下降速度最為顯著，從38 mL/2 g陡降至18 mL/2 g，占總下降值的62.5%.當(dāng)CaCl2溶液的濃度大于100 mmol/L時，膨脹指降低至6 mL/2 g左右，陽離子濃度的變化對膨脹指數(shù)的影響較小.

2.1.2 溶液陽離子價態(tài)對膨脹指數(shù)的影響

陽離子價態(tài)對膨潤土膨脹指數(shù)的影響見圖2.除了濃度很低(≤5 mmol/L)時，相同濃度下，膨潤土在NaCl溶液中的膨脹指數(shù)均高于CaCl2溶液中的膨脹指數(shù).因此，二價陽離子對膨潤土膨脹性能的抑制作用強(qiáng)于一價陽離子.膨潤土在不同濃度的溶液中，其膨脹指數(shù)受陽離子價態(tài)的影響程度不同.從試驗(yàn)結(jié)果上看，中等濃度(20～100 mmol/L)下陽離子價態(tài)對膨脹指數(shù)的影響最大.膨潤土在NaCl溶液中的膨脹指數(shù)比CaCl2溶液中高出22～28 mL/2 g，差距非常明顯；當(dāng)溶液濃度很高(≥1 000 mmol/L)時，膨潤土在NaCl溶液和CaCl2溶液中的膨脹指數(shù)都下降至5 mL/2 g左右，二者非常接近，陽離子價態(tài)的變化對膨脹指數(shù)基本沒有影響.

圖2 陽離子濃度和價態(tài)對膨潤土膨脹指數(shù)的影響

總體上，一價陽離子溶液中膨潤土的膨脹指數(shù)變化程度更大：當(dāng)膨脹指數(shù)呈上升趨勢時，膨潤土的膨脹體積在NaCl溶液中增加了16.5 mL/2 g，在CaCl2溶液中只增加了8 mL/2 g；當(dāng)膨脹指數(shù)呈下降趨勢時，膨潤土的膨脹體積在NaCl溶液中減少了38.5 mL/2 g，在CaCl2溶液中減少了32 mL/2 g.

2.1.3 討 論

鈉質(zhì)膨潤土水化膨脹分為兩個階段：結(jié)晶膨脹和滲透膨脹[1,22-23].滲透膨脹是影響鈉質(zhì)膨潤土膨脹特性的關(guān)鍵因素，而蒙脫石層間一價陽離子的數(shù)量及陽離子的總濃度是影響滲透膨脹的關(guān)鍵因素[24-25].一價陽離子數(shù)量越多、陽離子總濃度越低，滲透膨脹發(fā)生后蒙脫石層間距離越大，膨潤土的膨脹特性越好[6,11,13,26].

根據(jù)試驗(yàn)溶液的原濃度和上清液中離子濃度的測試結(jié)果，可計算出膨潤土中蒙脫石層間陽離子的變化，結(jié)果見圖3.在NaCl溶液中，當(dāng)溶液濃度很低(<20 mmol/L)時，膨潤土釋放Na+、K+、Ca2+、Mg2+，陽離子總濃度降低，層間一價陽離子數(shù)量減少，二者對滲透膨脹起相反的作用.當(dāng)溶液濃度較高(≥20 mmol/L)時，膨潤土釋放K+、Ca2+、Mg2+，吸收Na+，吸收陽離子量大于釋放陽離子量，因此，陽離子總濃度升高，層間一價陽離子數(shù)量增加，二者也對滲透膨脹起相反的作用.因此，存在某一最優(yōu)濃度(c(Na+)=20 mmol/L)，最有助于膨潤土的滲透膨脹，在該濃度下鈉質(zhì)膨潤土的膨脹指數(shù)達(dá)到峰值.當(dāng)溶液濃度很低(<20 mmol/L)時，蒙脫石層間一價陽離子數(shù)量是影響滲透膨脹的主要因素，隨濃度增加，Na+釋放量減小，一價陽離子數(shù)量增加，因此，膨脹指數(shù)增大.當(dāng)溶液濃度較高(>20 mmol/L)時，蒙脫石層間陽離子總濃度是影響滲透膨脹的主要因素，隨濃度增加，Na+吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過K+、Ca2+、Mg2+釋放量的總和，陽離子總濃度增加，因此，膨脹指數(shù)減小.

圖3 膨潤土自由膨脹試驗(yàn)中陽離子變化量

在CaCl2溶液中，Ca2+會置換蒙脫石層間的Na+.隨溶液濃度增加，膨潤土吸收Ca2+量和釋放Na+、K+、Mg2+量增大.相比Na+和Ca2+，K+和Mg2+的變化量很小.膨潤土釋放的Na+量高于吸收的Ca2+，中低濃度(≤100 mmol/L)下，陽離子總濃度降低，層間一價陽離子數(shù)量減少，二者對滲透膨脹起相反的作用，存在某一最優(yōu)濃度(c(Ca2+)=5 mmol/L)，最有助于膨潤土的滲透膨脹，在該濃度下膨潤土的膨脹指數(shù)達(dá)到峰值.當(dāng)溶液濃度很低(<5 mmol/L)時，蒙脫石層間陽離子總濃度是影響滲透膨脹的主要因素，隨濃度增加，陽離子的凈釋放量增加，陽離子總濃度減小，膨脹指數(shù)增大.當(dāng)溶液濃度較高(>5 mmol/L)時，蒙脫石層間一價陽離子數(shù)量是影響滲透膨脹的主要因素，隨濃度增加，Na+釋放量增大,一價陽離子數(shù)量減少，膨脹指數(shù)降低.當(dāng)溶液濃度很高(=500 mmol/L)時，膨潤土吸收的Ca2+量高于釋放的Na+量，陽離子總濃度升高，層間一價陽離子數(shù)量減少，二者皆不利于滲透膨脹，膨脹指數(shù)減小.因此，膨潤土的膨脹指數(shù)在CaCl2溶液中先增大再減小.

Ca2+會置換蒙脫石層間的一價陽離子(Na+、K+)，導(dǎo)致層間距離被壓縮.因此，在相同濃度下(除濃度很低(≤5 mmol/L)時)，相比NaCl溶液，在CaCl2溶液中膨潤土的膨脹性更差.當(dāng)溶液濃度很高(≥1 mol/L)時，蒙脫石層間距離被壓縮至極限，因此，膨潤土的膨脹指數(shù)不受價態(tài)的影響.

2.2 界限含水量

2.2.1 溶液陽離子濃度對界限含水量的影響

陽離子濃度對膨潤土塑限和液限的影響見圖4.塑限隨NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加而增大，當(dāng)NaCl溶液的濃度從20 mmol/L增加到1 000 mmol/L時，塑限從31.4增加到41.0；當(dāng)CaCl2溶液的濃度從5 mmol/L增加到500 mmol/L時，塑限從29.5增加到37.9.膨潤土塑限增長的速度隨溶液濃度的增加變緩.

圖4 陽離子濃度和價態(tài)對膨潤土塑限和液限的影響

液限隨NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加而減小，當(dāng)NaCl溶液濃度從20 mmol/L增加到1 000 mmol/L時，液限從269.2下降到95.6；當(dāng)CaCl2溶液的濃度從5 mmol/L增加到500 mmol/L時，液限從259.2下降到101.1 .當(dāng)濃度較低(c(Na+)≤200 mmol/L、c(Ca2+)≤100 mmol/L)時，液限下降的速度十分顯著.隨著溶液濃度的增加，液限下降的速度逐漸變緩.陽離子濃度的變化對膨潤土塑限的影響不大，對膨潤土液限的影響明顯.

2.2.2 溶液陽離子價態(tài)對界限含水量的影響

陽離子價態(tài)對膨潤土塑限和液限的影響見圖4.去離子水制成的膨潤土試樣的塑限和液限分別為24.8和267.0.相同濃度下，CaCl2溶液制成試樣的塑限大于NaCl溶液制成的試樣，且二者的塑限都大于去離子水配成試樣的塑限.由此可見，離子價態(tài)越高，塑限越大.但是，總體上離子價態(tài)對膨潤土塑限的影響較小.相同濃度下，CaCl2溶液和NaCl溶液制成的試樣，二者之間塑限的差距不超過5.當(dāng)溶液的濃度很高(≥500 mmol/L)時，二者的塑限基本相同.

相同濃度下，NaCl溶液制成試樣的液限大于CaCl2溶液制成的試樣，且二者的液限都小于去離子水配成試樣的液限(除20 mmol/L NaCl溶液配成試樣的液限為269.2，略高于去離子水制成的試樣).結(jié)果表明，離子價態(tài)越高，液限越小.隨著濃度的增加，兩種溶液制成試樣液限之間的差異減小，其他研究也得到相同的規(guī)律[27].中等濃度(≤100 mmol/L)下，NaCl溶液制成試樣液限比CaCl2溶液制成試樣的液限高70左右.當(dāng)溶液濃度很高(=500 mmol/L)時，NaCl溶液制成試樣的液限僅比CaCl2溶液制成試樣的液限高22.5.

當(dāng)黏土的含水量接近液限時，土顆粒之間被自由水隔開，土體不能承受任何剪應(yīng)力，而呈流動狀態(tài).鹽溶液濃度增加會導(dǎo)致膨潤土中蒙脫石層間結(jié)合水含量減小，即膨潤土水化所需結(jié)合水含量降低、自由水更早出現(xiàn).因此，隨著溶液濃度增加，液限下降明顯.相同濃度下，在CaCl2溶液中膨潤土水化所需結(jié)合水含量更少.因此，離子價態(tài)越高，液限越小.

2.2.3 溶液陽離子對膨潤土結(jié)合水含量的影響

由于陽離子的存在會使膨潤土的塑限增大、液限減小，所以，隨著溶液濃度的增加，塑性指數(shù)呈下降趨勢.當(dāng)NaCl溶液的濃度從20 mmol/L增加到500 mmol/L時，塑性指數(shù)從237.8下降到54.6；當(dāng)CaCl2溶液的濃度從5 mmol/L增加到200 mmol/L時，塑性指數(shù)從229.7下降到63.2.相比液限，陽離子價態(tài)和濃度對塑限的影響非常小.因此，膨潤土塑性指數(shù)的變化規(guī)律與液限非常接近，見圖5.

圖5 陽離子濃度和價態(tài)對膨潤土塑性指數(shù)的影響

塑性指數(shù)越小，膨潤土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍越小，這就代表膨潤土中結(jié)合水的可能含量越小.當(dāng)溶液濃度很低時，陽離子對于塑性指數(shù)的影響很小.隨著溶液濃度的增加，溶液中的陽離子與膨潤土中的陽離子發(fā)生置換，使膨潤土中蒙脫石層間結(jié)合水含量降低.溶液中的陽離子價態(tài)越高，置換后結(jié)合水含量越低.所以，表現(xiàn)為相同濃度下，CaCl2溶液制成試樣的塑性指數(shù)小于NaCl溶液制成試樣的塑性指數(shù).

2.3 滲透系數(shù)

2.3.1 固結(jié)壓力對滲透系數(shù)的影響

測定的固結(jié)壓力與膨潤土滲透系數(shù)的關(guān)系如圖6所示.隨著固結(jié)壓力的增加，膨潤土的滲透系數(shù)降低，二者在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系.膨潤土的滲透系數(shù)降低是由于固結(jié)壓力增加導(dǎo)致其孔隙比降低[28].當(dāng)固結(jié)壓力為800 kPa時，相比12 kPa，其滲透系數(shù)降低1/1 000～1/500.由此可見，固結(jié)壓力對滲透系數(shù)的影響很大.當(dāng)固結(jié)壓力由12 kPa增加到800 kPa時，膨潤土在1 000 mmol/L NaCl溶液中滲透系數(shù)與20 mmol/L NaCl溶液中滲透系數(shù)的比值(k1 000/k20)由5.8降低到2.7，二者之間滲透系數(shù)的差距減小.當(dāng)滲透溶液為CaCl2溶液時也可觀察到類似的現(xiàn)象：當(dāng)固結(jié)壓力由12 kPa增加到800 kPa時，膨潤土在500 mmol/L CaCl2溶液中滲透系數(shù)與20 mmol/L CaCl2溶液中滲透系數(shù)的比值(k500/k20)由8.4降低到3.7.由此可見，固結(jié)壓力越大，鹽溶液濃度變化對膨潤土滲透性的影響越小，Shackelford等[13]的試驗(yàn)結(jié)果也反映了該規(guī)律.

圖6 固結(jié)壓力與膨潤土滲透系數(shù)的關(guān)系

2.3.2 溶液陽離子濃度對滲透系數(shù)的影響

溶液陽離子濃度對膨潤土滲透系數(shù)的影響見圖7.在12～800 kPa的固結(jié)壓力下，隨著溶液濃度的增加，膨潤土的滲透系數(shù)增大, 且都高于其在去離子水中的滲透系數(shù)(除12 kPa下200 mmol/L NaCl溶液中的滲透系數(shù)較明顯地低于去離子水中的滲透系數(shù)，由于二者非常接近，這個現(xiàn)象是由儀器誤差造成的)，當(dāng)溶液處于中低濃度(≤200 mmol/L)時，Na+濃度的變化對滲透系數(shù)的影響很小，滲透系數(shù)在NaCl溶液中幾乎沒有明顯的變化，并且與去離子水中的滲透系數(shù)十分接近.當(dāng)溶液濃度很高(≥500 mmol/L)時，膨潤土在NaCl溶液中的滲透系數(shù)顯著上升(k1000/k200=3.6～11.5).當(dāng)溶液濃度較低(≤20 mmol/L)時，膨潤土在CaCl2溶液中的滲透系數(shù)顯著上升(k20/k5=2.6～4.7).當(dāng)溶液處于中等濃度和高濃度時，膨潤土在CaCl2溶液中滲透系數(shù)的增長速度變緩(k100/k20=1～1.9,k500/k100=1.2～1.4).

圖7 陽離子濃度對膨潤土滲透系數(shù)的影響

2.3.3 溶液陽離子價態(tài)對滲透系數(shù)的影響

溶液陽離子價態(tài)對膨潤土滲透系數(shù)的影響見圖8.在12～800 kPa的固結(jié)壓力范圍內(nèi)，膨潤土在CaCl2溶液中的滲透系數(shù)均高于相同濃度NaCl溶液中的滲透系數(shù)(kCaCl2/kNaCl=2～7.7).由此可見，膨潤土的滲透系數(shù)隨陽離子價態(tài)升高而增大.當(dāng)溶液濃度較低(=20 mmol/L)時，陽離子價態(tài)對滲透系數(shù)的影響較弱(kCaCl2/kNaCl=2.6～3.5).在中等濃度(100 mmol/L)下，陽離子價態(tài)對滲透系數(shù)的影響最大(kCaCl2/kNaCl=4.2～7.7).隨著溶液濃度的升高，在高濃度(500 mmol/L)下，陽離子價態(tài)對滲透系數(shù)的影響作用降低(kCaCl2/kNaCl=2.0～6.1).

圖8 陽離子價態(tài)對膨潤土滲透系數(shù)的影響

上述試驗(yàn)表明，陽離子的濃度和價態(tài)均會影響膨潤土的滲透系數(shù)，這是由于影響蒙脫石層間結(jié)合水導(dǎo)致的.如圖9所示，陽離子濃度增加或價態(tài)上升均會導(dǎo)致膨潤土中蒙脫石層間的結(jié)合水含量減小，層間距被壓縮[26,29-30]，膨潤土顆粒間自由水占比增大，微流徑發(fā)展成較大流徑[31]，流通空間增大，因此，膨潤土的滲透系數(shù)增大.

1—膨潤土顆粒;2—蒙脫石層間距;3—自由水流通空間

3 結(jié)果分析

鹽溶液會影響膨潤土的基本物理特性和滲透性，其根本原因是鹽溶液會影響膨潤土中蒙脫石層間結(jié)合水的含量.這些結(jié)合水分子被蒙脫石結(jié)構(gòu)層間的負(fù)電荷緊緊吸附，其性質(zhì)接近固體、不可流動.當(dāng)結(jié)合水含量增加時，蒙脫石層間距離變大，在宏觀尺度上表現(xiàn)為膨脹指數(shù)增加；同時結(jié)合水占據(jù)更多孔隙空間，可供自由水流動的孔隙體積減小，流動的路徑更小、更曲折[32]，導(dǎo)致滲透系數(shù)降低.膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)的相關(guān)性如圖10所示.由于在12～800 kPa下，膨脹指數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線趨勢非常相似，選擇50和100 kPa下的關(guān)系曲線作為代表曲線進(jìn)行說明.

在NaCl溶液中，膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)之間的變化規(guī)律可分為3個階段.首先，隨著溶液濃度的增加，膨脹指數(shù)減小，滲透系數(shù)基本不變.到達(dá)臨界濃度(200 mmol/L)后，膨脹指數(shù)發(fā)生陡降，滲透系數(shù)發(fā)生變化開始增大.當(dāng)濃度較高(>500 mmol/L)時，膨脹指數(shù)下降速度變緩，滲透系數(shù)顯著增大.總體上，膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)在NaCl溶液中的相關(guān)性較弱，但膨潤土的滲透系數(shù)和膨脹指數(shù)在NaCl溶液中的敏感濃度基本一致，超過臨界濃度后二者都發(fā)生較為顯著的變化.

圖10 膨潤土滲透系數(shù)和膨脹指數(shù)的關(guān)系

在CaCl2溶液中，膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)在半對數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出較良好的相關(guān)性.除溶液濃度很高(≥100 mmol/L)時，滲透系數(shù)的變化幅度高于膨脹指數(shù).因此，可根據(jù)膨脹指數(shù)在CaCl2溶液中的試驗(yàn)結(jié)果推測滲透系數(shù)的變化規(guī)律，這在工程上具有重要的意義.自由膨脹試驗(yàn)操作簡單、試驗(yàn)周期短，滲透試驗(yàn)操作復(fù)雜、耗時長，建立膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)之間的關(guān)系后，可以用自由膨脹試驗(yàn)代替滲透試驗(yàn)進(jìn)行測試.雖然膨脹指數(shù)和滲透系數(shù)在NaCl溶液中的線性相關(guān)性較弱，但二者的臨界濃度相同，故可根據(jù)膨脹指數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果推測滲透系數(shù)的臨界濃度，即當(dāng)溶液濃度高于臨界濃度后，滲透系數(shù)將發(fā)生較為明顯的變化.

塑性指數(shù)代表膨潤土處于可塑狀態(tài)含水量的變化范圍，因此，膨潤土可吸附的結(jié)合水含量越多，可塑狀態(tài)含水量變化范圍越大.隨著膨潤土中蒙脫石層間結(jié)合水含量的增加，在宏觀尺度上表現(xiàn)為滲透系數(shù)降低，塑性指數(shù)增加.塑性指數(shù)和滲透系數(shù)之間的相關(guān)性如圖11所示.由于在12～800 kPa下，塑性指數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線趨勢非常相似，選擇50和100 kPa下的關(guān)系曲線作為代表曲線進(jìn)行說明.

在NaCl溶液中，塑性指數(shù)和滲透系數(shù)之間的變化規(guī)律可分為3個階段.首先，隨著溶液濃度的增加，塑性指數(shù)減小，透系數(shù)基本不變.到達(dá)臨界濃度(200 mmol/L)后，塑性指數(shù)保持相同的速度繼續(xù)減小，滲透系數(shù)發(fā)生變化開始增大.當(dāng)濃度較高(>500 mmol/L)時，塑性指數(shù)減小的速度變緩，滲透系數(shù)顯著增大.塑性指數(shù)和滲透系數(shù)在NaCl溶液中的敏感濃度并不一致，塑性指數(shù)在試驗(yàn)中未表現(xiàn)出突變的趨勢.

圖11 膨潤土滲透系數(shù)和塑性指數(shù)的關(guān)系

在CaCl2溶液中，塑性指數(shù)和滲透系數(shù)在半對數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出較為良好的相關(guān)性.除溶液濃度較低(≤20 mmol/L)時，滲透系數(shù)的變化幅度高于膨脹指數(shù).同樣地，可根據(jù)塑性指數(shù)在CaCl2溶液中的試驗(yàn)結(jié)果推測滲透系數(shù)的變化規(guī)律.界限含水量試驗(yàn)操作簡單、試驗(yàn)周期短，也可作為滲透試驗(yàn)的替代選項(xiàng).

以上結(jié)果表明，懷俄明膨潤土在CaCl2溶液中的膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)均與滲透系數(shù)之間存在較為良好的相關(guān)性.雖然懷俄明膨潤土在NaCl溶液中的膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)和滲透系數(shù)之間的整體相關(guān)性較差，但當(dāng)溶液濃度超過臨界濃度(200 mmol/L)后，膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)均和滲透系數(shù)也存在較好的相關(guān)性.由此可見，用簡單的界限含水量測試和膨脹指數(shù)測試代替滲透試驗(yàn)具有較好的可行性.

4 結(jié) 論

1)隨著NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加，膨潤土的膨脹指數(shù)先增大再減小.除了濃度很低(≤5 mmol/L)時，相同濃度下，膨潤土在NaCl溶液中的膨脹指數(shù)都高于CaCl2溶液中的膨脹指數(shù).

2)隨著NaCl溶液和CaCl2溶液濃度增加，膨潤土的塑限增大、液限和塑性指數(shù)減小.溶液中陽離子濃度的變化對膨潤土塑限的影響不大，對膨潤土液限和塑性指數(shù)的影響明顯.相同濃度下，膨潤土在CaCl2溶液中的塑限更大、液限和塑性指數(shù)更小.

3)隨著固結(jié)壓力的增加，膨潤土的滲透系數(shù)降低，二者在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系.隨著溶液濃度的增加，膨潤土的滲透系數(shù)增大.膨潤土在CaCl2溶液中的滲透系數(shù)均高于相同濃度NaCl溶液中的滲透系數(shù).

4)膨潤土在CaCl2溶液中的膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)均和滲透系數(shù)之間存在較為良好的相關(guān)性.在NaCl溶液中膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)與滲透系數(shù)之間的整體相關(guān)性較差，但是當(dāng)溶液濃度超過臨界濃度(200 mmol/L)后，膨脹指數(shù)、塑性指數(shù)均與滲透系數(shù)也存在較好的相關(guān)性.因此，自由膨脹試驗(yàn)和界限含水量試驗(yàn)可作為工程中初選滲透系數(shù)的手段.