氯化鈉溶液對(duì)膨脹土膨脹特性的影響

于海浩,馬慧龍,雷 杰

(桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,桂林 541004)

顆粒表面帶電性使得黏土顆粒在微觀層次存在復(fù)雜的作用,在顆粒與顆粒、顆粒與孔隙溶液之間存在多種物理化學(xué)作用力,如范德華力、擴(kuò)散雙電層排斥力、電子力等。當(dāng)黏土孔隙中的化學(xué)環(huán)境改變后,顆粒與顆粒之間在微觀上保持的平衡被打破,形成環(huán)境荷載。環(huán)境荷載指的是土體中溶液濃度、溶質(zhì)、溫度等改變引起的應(yīng)力變化。而微觀上的變化最終表現(xiàn)出的是黏土宏觀力學(xué)的改變。

朱春鵬等[1]就酸堿污染下黏土的性質(zhì)進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明:酸濃度的增加,導(dǎo)致土粒比重減小,塑性增大而液限減小,液性指數(shù)減??；同時(shí)隨著酸濃度的增加,酸污染土軟化特性愈顯著；但是堿濃度的增加并不能引起明顯的軟化,而是呈現(xiàn)塑性破壞。王洋等[2]發(fā)現(xiàn)酸性水溶液使紅黏土強(qiáng)度提高,堿性水溶液使紅黏土的強(qiáng)度降低。Pillai等[3]通過(guò)對(duì)在不同濃度NaCl溶液中形成的高齡土樣進(jìn)行研究,高嶺土主要形成了凝聚結(jié)構(gòu)和集聚結(jié)構(gòu),這兩種結(jié)構(gòu)的高嶺土強(qiáng)度差別很大。Maio等[4]對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),當(dāng)有鹽溶液侵蝕土樣時(shí),土試樣的殘余強(qiáng)度增加,這是由于溶液向土試樣內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致的。雖然,對(duì)于高嶺土和膨脹土受到酸堿溶液或是無(wú)機(jī)鹽溶液侵蝕,土試樣的力學(xué)性質(zhì)等均會(huì)發(fā)生改變,但是卻存在著不同機(jī)理影響。膨脹土與高嶺土的差別在于雙電層,由于膨脹土顆粒比表面積極大,表面大量的雙電層的存在,而高嶺土比表面積相對(duì)較小,顆粒表面擴(kuò)散雙電層發(fā)育程度不大。于海浩等[5]對(duì)不同初始含水率的膨脹土進(jìn)行氯化鈉飽和膨脹試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)只有強(qiáng)結(jié)合水存在時(shí),不同濃度氯化鈉溶液飽和土樣后,土顆粒會(huì)吸附水化陽(yáng)離子,導(dǎo)致膨脹性增加。隨著溶液濃度增加,雙電層厚度和膨脹力減小,抑制試樣的膨脹性。張德恒等[6]對(duì)堿激發(fā)秸稈灰渣改良膨脹土的性質(zhì)進(jìn)行研究,試驗(yàn)表明:由于秸稈灰渣中存在的大量高價(jià)陽(yáng)離子在堿溶液的激發(fā)下與土顆粒進(jìn)行離子交換作用,促進(jìn)絮凝體的形成,從而減小土體的比表面積,降低土的膨脹性。常錦等[7]研究發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境作用下,土中游離SiO2、Al2O3等膠體礦物出現(xiàn)不同程度的溶蝕和淋濾,降低疊聚體結(jié)構(gòu)間的聯(lián)結(jié)作用,增大土體膨脹性。馬鵬等[8]通過(guò)外加電場(chǎng)作用,使羥基鋁離子通過(guò)吸附作用進(jìn)入雙電層并附著在土顆粒表面,置換出礦物顆粒表面吸附的水化陽(yáng)離子,使得雙電層厚度變小,膨脹性降低。

Von Helmholtz[9]最早提出了膠體中帶電表面附近離子分布的理論,之后Gouy[10]和Chapmand[11]對(duì)其進(jìn)行了修正。由于黏土顆粒表面帶有負(fù)電荷,因此黏土顆粒表面會(huì)吸附陽(yáng)離子和水分子,顆粒表面的陽(yáng)離子濃度高于距離表面較遠(yuǎn)位置的濃度,為了保持濃度平衡,顆粒表面的陽(yáng)離子有掙脫顆粒吸附向遠(yuǎn)離顆粒表面方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),黏土顆粒這一性質(zhì)與帶電膠體表面離子分布非常類似,學(xué)者已經(jīng)驗(yàn)證了雙電層理論在土顆粒中的實(shí)用性[12-13]。

可見(jiàn),在微觀尺度,土顆粒與溶液的相互作用,導(dǎo)致了黏土的宏觀性質(zhì)的改變,而傳統(tǒng)的有效應(yīng)力理論只考慮顆粒間的機(jī)械作用,忽略了物理化學(xué)力的作用。因而在黏土化學(xué)力學(xué)耦合作用研究中,傳統(tǒng)的太沙基有效應(yīng)力理論受到了限制,為了能夠滿足實(shí)際的需要,許多學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)有效應(yīng)力進(jìn)行了修正。Sridharan等[14]對(duì)太沙基有效應(yīng)力原理進(jìn)行修正,認(rèn)為黏土的有效應(yīng)力是吸引力和排斥力的函數(shù),隨著吸引力與排斥力之差增加而增加。Warkentin等[15]分析了孔隙溶液對(duì)黏土強(qiáng)度的影響機(jī)理,認(rèn)為黏聚強(qiáng)度只與顆粒間的斥力有關(guān),所以只有顆粒間的排斥力對(duì)有效應(yīng)力有影響。有些學(xué)者則把滲透壓差考慮到了有效應(yīng)力中[16-17],由于顆粒表面帶電,導(dǎo)致顆粒表面的可溶鹽濃度與孔隙中平衡溶液的濃度不同,形成了滲透壓差。影響有效應(yīng)力的因素不是單一的,是顆粒間的電子力、廣義滲透壓、擴(kuò)散雙電層作用共同作用,Wei[18]從表面勢(shì)能出發(fā),理論上推導(dǎo)了考慮物理化學(xué)作用的有效應(yīng)力公式,修正后的有效應(yīng)力公式能夠?qū)︷ね恋奈锢砘瘜W(xué)作用進(jìn)行很好的預(yù)測(cè)[19]。

雖然,許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)膨脹土的化學(xué)力學(xué)耦合方面進(jìn)行了大量的研究,但是對(duì)化學(xué)力的定量試驗(yàn)研究較少,限制了水土化學(xué)力學(xué)耦合研究的發(fā)展,因此有必要進(jìn)行試驗(yàn)研究,對(duì)黏土中產(chǎn)生的化學(xué)力進(jìn)行定量化。

現(xiàn)對(duì)3種不同初始含水率的膨脹土進(jìn)行浸水加載膨脹試驗(yàn),用不同濃度的氯化鈉溶液飽和試樣使其膨脹。以此來(lái)研究化學(xué)力與溶液濃度、孔隙比等的關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的土樣為商用膨潤(rùn)土,其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示?？刂婆蛎浀闹饕V物蒙脫石的含量為30.9%,石英含量為29.5%,同時(shí)還含有云母、斜發(fā)沸石、方英石、方解石、長(zhǎng)石等礦物。

表1 土樣的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of clay

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用試樣為壓實(shí)樣,首先將風(fēng)干的土樣放在烘箱中12 h以上,烘箱溫度為105 ℃,土樣烘干后按照目標(biāo)含水率均勻加入蒸餾水調(diào)拌土樣,土樣的目標(biāo)含水率為分別為6%、13%、24%,將調(diào)拌好的土樣放置于密封袋中48 h進(jìn)行悶料,48 h后測(cè)量土樣的含水率,然后用自制模具進(jìn)行壓樣,壓實(shí)樣的目標(biāo)干密度為1.60 g/cm3。試樣直徑為61.8 mm,高度為10 mm,試驗(yàn)前將試樣置于高度為20 mm的環(huán)刀中間位置,使試樣在膨脹過(guò)程中只有豎直方向膨脹。

加載膨脹試驗(yàn)在常規(guī)固結(jié)儀上完成,試驗(yàn)步驟:①將制好的環(huán)刀試樣裝入固結(jié)盒中；②施加3 kPa的接觸壓力,記錄百分表讀數(shù)；③將試樣的垂直壓力,分別逐級(jí)加載到目標(biāo)壓力,目標(biāo)壓力為12.5、25、50、100 kPa,記錄百分表讀數(shù)；④向固結(jié)盒中加入氯化鈉溶液,濃度n0分別為0、0.1、0.5、1.0 mol/L,水位不超過(guò)環(huán)刀高度,使試樣從底部吸水膨脹；⑤待試樣接近穩(wěn)定后,加入蒸餾水淹沒(méi)過(guò)環(huán)刀；⑥試樣達(dá)到最終穩(wěn)定后,記錄百分表讀數(shù)；⑦繪制飽和孔隙比與垂直壓力關(guān)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加載膨脹試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1所示為加載膨脹試驗(yàn)的結(jié)果,不同初始含水率w0試樣,用不同濃度鹽溶液飽和后的孔隙比e與垂直壓力σv的關(guān)系,從圖1(a)中可以看出,初始含水率w0=6.3%試樣,在孔隙比與垂直壓力的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中,飽和孔隙比與垂直壓力為線性關(guān)系,而在同垂直壓力下,用鹽溶液飽和試樣的飽和孔隙比相對(duì)于用蒸餾水飽和的飽和孔隙要稍微小一些,但是不是很明顯。同樣,初始含水率w0為12.3%和24.7%試樣的飽和孔隙比與垂直壓力均為線性關(guān)系,如圖1(b)、圖1(c)所示。但是,在同一垂直壓力下,用鹽溶液飽和后的飽和孔隙比明顯小于用蒸餾水飽和后試樣的飽和孔隙比,與初始含水率w0=6.3%試樣相比,鹽溶液對(duì)初始含水率w0為12.3%、24.7%試樣影響明顯強(qiáng)烈,并且對(duì)初始含水率w0=24.7%試樣的影響比對(duì)初始含水率w0=12.3%試樣強(qiáng)烈,也就是隨著初始含水率的增加,試樣的受到鹽溶液影響程度增加。

圖1 試樣飽和孔隙比與垂直壓力關(guān)系Fig.1 Relationship between saturated void ratio and vertical stress

土樣與固結(jié)儀組成的系統(tǒng)中,土樣孔隙中的溶液與固結(jié)盒中的溶液保持熱動(dòng)力平衡,可簡(jiǎn)化為圖2的熱動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),在該熱力學(xué)系統(tǒng)中,氯化鈉溶液能夠自由的移動(dòng),而顆粒表面帶有的電荷則不能移動(dòng),因此在圖2中氯化鈉溶液能夠自由穿越半透膜,而電荷pk-則不能穿過(guò)半透膜。由于電荷pk-的存在,導(dǎo)致了該熱動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)左右兩邊的滲透壓不相等,這個(gè)差值為Donnan滲透壓,此時(shí)試樣的顆粒間應(yīng)力張量為[18]

圖2 固結(jié)儀與試樣組成的理想化熱動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Idealized thermodynamics system constituted by consolidometer and specimen

(1)

(2)

式(2)中：Ωl為與孔隙溶液無(wú)關(guān)的量；∏D為孔隙溶液濃度的函數(shù)；∏為滲透壓。圖3所示為計(jì)算出的∏D與孔隙溶液濃度、顆粒表面單位體積固定電荷數(shù)的關(guān)系[19],cfix為固定電荷數(shù)。從圖3中可以看出,當(dāng)顆粒表面單位體積固定電荷數(shù)不變時(shí),∏D隨著溶液濃度的增加而降低,而當(dāng)濃度一定時(shí),顆粒表面單位固定電荷數(shù)越大,∏D也越大。也就是說(shuō),當(dāng)孔隙溶液濃度增加時(shí),膨脹力會(huì)隨之降低,因此在一定垂直壓力下,試樣的飽和孔隙比會(huì)降低,如圖1中在同一垂直壓力下,隨著鹽溶液濃度的增加,試樣的飽和孔隙比降低。

圖3 滲透壓與溶液濃度變化規(guī)律Fig.3 Change of ΠD versus n0

2.2 氯化鈉對(duì)膨脹土影響定量化

圖4所示為飽和孔隙比和垂直壓力關(guān)系示意圖。在垂直壓力P1下,當(dāng)試樣的飽和溶液為蒸餾水時(shí),此時(shí)飽和孔隙比為e1,而飽和試樣的溶液為鹽溶液時(shí),同樣在垂直壓力P1下,試樣的飽和孔隙比只能達(dá)到e2,顯然e1>e2。而如果飽和試樣的溶液為蒸餾水,飽和孔隙比達(dá)到e2所需的垂直壓力應(yīng)該為P2,P2要大于P1,而P2與P1的差值即為由于鹽溶液產(chǎn)生的化學(xué)力Pc。因此,可以以用蒸餾水飽和試樣的飽和孔隙比與垂直壓力關(guān)系為基礎(chǔ),將鹽溶液飽和后試樣的孔隙比投射到其關(guān)系直線上,算出需要的壓力,然后再減去該試樣實(shí)際施加的垂直壓力,得到化學(xué)力Pc,需要指出的是,Pc因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)蒸餾水飽和后試樣作為參考而求出的,因此,Pc是相對(duì)量,而不是絕對(duì)的量。

圖4 飽和孔隙比與垂直壓力關(guān)系Fig.4 Relationship between saturated void ratio and vertical

圖5所示為通過(guò)上述方法計(jì)算出的化學(xué)力Pc與所用飽和鹽溶液濃度n0的關(guān)系,在圖5(a)中,不同濃度溶液中,初始含水率6.3%試樣的化學(xué)力沒(méi)有表現(xiàn)出一致的規(guī)律性,垂直壓力為12.5、25 kPa時(shí),各濃度溶液產(chǎn)生的化學(xué)力很接近,垂直壓力為50 kPa時(shí),隨著溶液濃度增加,Pc略微減小,而當(dāng)垂直壓力為100 kPa時(shí),隨著溶液濃度增加,Pc先稍微增大,而又稍微減小。但是在同一飽和濃度下,垂直壓力越大,產(chǎn)生的Pc越大。

圖5 飽和溶液濃度與化學(xué)力Pc關(guān)系Fig.5 Relationship between solution concentration and chemical force

初始含水率增加到12.3%時(shí),試驗(yàn)結(jié)果與初始含水率6.3%結(jié)果有了明顯區(qū)別,如圖5(b)所示。在同一垂直壓力下,Pc隨著飽和溶液濃度增加而降低,同樣在同一飽和濃度下,垂直壓力越大,Pc越大。而在較低壓力12.5 kPa下,Pc隨飽和溶液濃度的變化幅度較小。同樣初始含水率24.7%試樣所表現(xiàn)出的規(guī)律與初始含水率12.3%試樣相同,如圖5(c)所示。

圖6所示為飽和孔隙比與Pc關(guān)系,從圖6中可以看出,孔隙比對(duì)Pc影響非常明顯,在圖6(a)中,初始含水率6.3%試樣,用同一溶液飽和試樣的Pc,隨著孔隙比增加迅速降低,初始含水率12.3%和24.7%試樣也為同樣的結(jié)果。

圖6 飽和孔隙比與化學(xué)力關(guān)系Fig.6 Relationship between saturated void ratio and chemical force

從圖7可以看出,在同一垂直壓力下,用同一溶液飽和試樣的Pc,初始含水率越大,Pc越大。并且,初始含水率6.3%試樣和12.3%試樣的Pc較為接近,初始含水率24.7%試樣Pc明顯大于初始含水率6.3%和12.3%的。

圖7 飽和溶液濃度與化學(xué)力關(guān)系Fig.7 Relationship between solution concentration and chemical force

總結(jié)上述結(jié)果,試樣的初始含水率、飽和溶液濃度、孔隙比和垂直壓力都對(duì)Pc有影響,初始含水率增加Pc增大,飽和溶液濃度增加Pc增大,孔隙比增加Pc減小,垂直壓力增加Pc增大。但是,初始含水率增加,試樣的飽和孔隙比減小,垂直壓力增加,試樣的飽和孔隙比減小,因此,初始含水率和垂直壓力對(duì)Pc的影響本質(zhì)上是孔隙比對(duì)Pc的影響。所以,Pc大小與飽和溶液濃度及孔隙比有關(guān),以Pc、溶液濃度、孔隙比為3個(gè)軸,即z、x、y,建立Pc、溶液濃度、孔隙比關(guān)系,如圖8所示,對(duì)其進(jìn)行擬合,結(jié)果如式(3)所示,擬合度為98.5%。

圖8 Pc與溶液濃度和孔隙比關(guān)系Fig.8 Relationship among Pc,solution concentration and void ratio

z=-z0+Be-e(-c-x)/D-Ee-e(F-y)/G+He-e(C-x)/D)-e(F-y)/G

(3)

式(3)中參數(shù)數(shù)值如表2所示。

表2 擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters

3 結(jié)論

對(duì)不同初始含水率的膨脹土壓實(shí)樣進(jìn)行一系列不同濃度鹽溶液飽和的加載試驗(yàn),得到以下結(jié)論。

(1)同一垂直壓力下,試樣的飽和孔隙比隨著鹽溶液濃度增加而減??；用不同濃度飽和后試樣的飽和孔隙與垂直壓力在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系。

(2)試樣的初始含水率、孔隙比、飽和溶液濃度、垂直壓力均會(huì)對(duì)化學(xué)力產(chǎn)生影響。而初始含水率和垂直壓力與試樣的孔隙不是獨(dú)立,因此影響化學(xué)力的主要因素為飽和溶液的濃度和試樣的孔隙比。