分散性土分類與鑒別的室內(nèi)試驗研究

岳嬋 唐紅 姚海林 劉杰 楊玉婳

摘 要：采取5項土樣的分散性鑒別試驗，即針孔試驗、雙比重計試驗、碎塊試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗，以及標準吸濕含水率和pH值的測定，對東北某大壩心墻土料進行分散性鑒定試驗研究。試驗和分析結果表明，10個土壤樣品中，3個呈分散性，1個呈過渡性，其余6個呈非分散性。通過分析土壤樣品的理化特性發(fā)現(xiàn)：3個分散性土壤樣品發(fā)生分散的主要原因是交換性鈉離子含量較高，pH值較高，屬于強堿性土壤;另外7個土樣中的黏粒含量和有機質(zhì)含量高，pH值偏低，抑制了分散性，因此土樣表現(xiàn)為不分散或過渡性土的特征。標準吸濕含水率試驗能較為準確地測定出土樣中的蒙脫石含量，再結合pH值和交換性鈉離子百分比試驗，可對土樣的分散性進行初步推測。

關鍵詞：分散性土;標準吸濕含水率;酸堿度;蒙脫石;交換性鈉離子

中圖分類號：TV443 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.029

引用格式：岳嬋，唐紅，姚海林，等.分散性土分類與鑒別的室內(nèi)試驗研究[J].人民黃河，2021，43（7）：149-153，159.

Abstract： The dispersibility of soil samples obtained from the core wall of dam in the northeast area of China was studied by the chemical properties of soil analysis and the tests for identification of dispersive clay soils. The tests included double-hydrometer test， pinhole test， crumb test， the test to determine salt contents of pore water and percentage of exchangeable sodium， standard moisture absorption water content and pH. The results of experiments and analysis show that three soil samples are dispersive type， one is transition and six are non-dispersive by the five test methods. These three dispersive soil samples contain a large amount of exchangeable sodium， have rather high pH values and indicate strongly alkaline， which can promote dispersivity. Their high contents of clay， organic matter and low pH values and lower dispersivity have inhibited dispersion， showing transitional and non-dispersive characteristics. The amount of montmorillonite can be detected by the standard moisture absorption water content accurately， combining pH and exchangeable sodium can predict the dispersion of soil preliminarily.

Key words： dispersive clay; standard moisture absorption water content; pH; montmorillonite; exchangeable sodium

分散性黏土是一種特殊土，可以在低鹽度水中大部分或全部分散成原級顆粒，容易被水流沖蝕。它最早于20世紀50年代被發(fā)現(xiàn)并開展試驗研究[1-3]。分布分散性土的地區(qū)的堤壩、渠道和道路邊坡等都存在一定安全隱患[2]。目前，我國尚未對分散性土壤的分類方法和鑒別標準給出權威且明確的規(guī)定。一般來說，國內(nèi)外專家均采用美國水土保持局（SCS）提出的5項測定分散土壤的室內(nèi)試驗方法即雙比重計試驗、針孔試驗、碎塊試驗、孔隙水可溶鹽陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗開展分散性土的分類與判別研究，但這些判別方法費時費力，試驗數(shù)據(jù)還會因土性、試驗方法的不同而千差萬別。一些學者提出了新的分類想法：樊恒輝等[4]提出應該在5種“判別試驗結果”相互矛盾的情況下根據(jù)土的物理力學性質(zhì)及野外調(diào)查情況進行判斷，從而獲得準確結果;Arulanandon推薦了旋轉(zhuǎn)圓筒沖蝕試驗[5];秦曰章[6]提出用鈉量比判別黏性土的分散性等。

有關分散性土分散的主要原因，國內(nèi)外學者[7-10]給出了既統(tǒng)一又有些不同的觀點，綜合分析后認為分散性土中含有一定量的鈉蒙脫石，交換性鈉離子含量豐富，土壤中鈉離子的賦存環(huán)境屬于堿性介質(zhì)環(huán)境，且土顆粒間沒有足以抑制分散的膠結物。筆者通過鑒別試驗綜合判定了東北某大壩心墻土料的分散情況，并對土樣進行標準吸濕含水率試驗和pH值的測定，從分散機理上分析土樣產(chǎn)生分散的原因。土壤的標準吸濕含水率能夠反映土中蒙脫石礦物組成[11]，pH值能確定鈉離子的賦存環(huán)境[12]，分析了兩者與土壤分散程度之間的關系。

1 土樣的基本性質(zhì)

1.1 土樣的基本物理化學性質(zhì)

試驗用土選自東北某大壩心墻土料，共取土樣20個，其中10個土樣用于分散性鑒別試驗。土壤樣品的基本物理性質(zhì)見表1，化學性質(zhì)見表2。

表觀上43、44、45號土壤樣品呈灰黑色，其余7個土樣呈褐黃色。

1.2 土樣的黏土礦物成分分析

為了研究樣品的礦物組成，使用德國BRUK-AXS有限公司的D8 ADVANCE型X射線衍射儀半定量分析44、61號兩個土壤樣品的礦物成分，結果見表3?？梢钥闯?，土壤樣品中的礦物成分主要有蒙脫石、石英、鈉長石和方解石，蒙脫石含量較高，且都不含高嶺石，其中44號土壤樣品中不含伊利石。

2 土樣的分散性鑒別

目前，中國還沒有制定有關分散性土的試驗規(guī)范，本次采用美國水土保持局（SCS）提出的雙比重計試驗（ASTM D4221—99）[13]、針孔試驗（ASTM D4647—93（1998））[14]、碎塊試驗（ASTM D6572—00）[15]、孔隙水可溶鹽陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗[2，16]5項試驗來綜合鑒別土樣的分散性，試驗結果見表4。根據(jù)表4的試驗結果和5項試驗的判別標準，得到土樣分散程度最終鑒別結果，見表5。

注：①雙比重計試驗：非分散性土，分散度<30%;過渡性土，分散度=30%～50%;分散性土，分散度>50%。②針孔試驗：非分散性土，針孔在380～1 020 mm水頭下孔徑不變，出水澄清;過渡性土，針孔在180～380 mm水頭下孔徑變化小，出水略渾濁;分散性土，針孔在50 mm水頭下迅速變大，出水渾濁。終了孔徑為試驗后與試驗前土樣孔徑的比值。③碎塊試驗：分散性土，在整個量杯的底部出現(xiàn)分散的土壤顆粒和云狀黏土懸浮液;過渡性土，膠體懸浮液產(chǎn)生的混濁水在量杯底部略微可見;非分散性土，量杯底部沒有反應，土塊散落后水沒有渾濁或渾濁后很快變清。④交換性鈉離子百分比試驗：ESP=7%～10%，中等分散土;ESP≥15%，高分散性土。⑤孔隙水可溶鹽陽離子試驗：非分散土，PS<40%;過渡性土，PS=40%～60%;分散性土，PS>60%。表中n為陽離子化合價價數(shù);TDS為孔隙水中陽離子總量

3 土樣的標準吸濕含水率和pH值

3.1 土樣的標準吸濕含水率

標準吸濕含水率是指在標準條件下，即溫度為（25±2）℃、相對濕度為60%±3%，土樣從天然含水率脫濕或吸濕到穩(wěn)定質(zhì)量后的含水率，是土樣在標準條件下能保持的最大含水率。通過試驗驗證得知，膨脹類土壤的礦物組成特性能被標準吸濕含水率很好地體現(xiàn)出來，且標準吸濕含水率與蒙脫石含量具有良好的線性關系[17]。目前，標準吸濕含水率作為膨脹土的新的分類方法已經(jīng)被寫入有關規(guī)范中，包括《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）、《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）、《公路土工試驗規(guī)范》（JTG E40—2007）等。

理論上，標準吸濕含水率可通過下式計算[18]：

式中：ωa為標準吸濕含水率，%;d為吸附單分子水層的厚度，;A為蒙脫石礦物理論比表面積，m2/g;C為黏土礦物的含量，%;ρa為吸附水的密度，g/cm3;β為修正因子，取值范圍為0.70～0.98，如果是蒙脫石含量轉(zhuǎn)換的比表面積，則β取較大的值。

膨脹土的膨脹潛勢與其蒙脫石含量為線性關系[19]，利用標準吸濕含水率能快速并準確地測出土壤中蒙脫石含量，進而對膨脹土進行分類。具有分散性的土壤一般都含有一定量的蒙脫石，研究表明，當土壤中蒙脫石含量高于5%時，就會對土壤的工程特性造成影響，主要表現(xiàn)在土壤的膨脹性和分散性上[20]?；谏鲜鲅芯?，將應用在膨脹土分類上的標準吸濕含水率應用于分散性土分類上，利用其確定分散性土中蒙脫石含量，觀察土壤的標準吸濕含水率與分散性之間的關系。在測出分散性土的標準吸濕含水率之后，可以根據(jù)上述公式推算出分散性土中蒙脫石的含量。將推算出的蒙脫石含量與用X射線衍射儀測定出的蒙脫石含量進行比較，對比分析其準確性。測試裝置為一玻璃干燥器，含有土壤樣品的鋁盒放置在干燥器中的多孔板隔板之上，將飽和溴化鈉溶液置于多孔隔板之下，并將整個干燥器置于室溫25 ℃的測試室中，干燥器內(nèi)便成為一個相對濕度接近60%的恒溫恒濕密封空間。有關詳細的操作方法參閱《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007），土樣的標準吸濕含水率測試結果和推算出的蒙脫石含量見表6。

3.2 土樣的pH值

在進行土壤化學性質(zhì)分析時，pH值是非常重要的一項指標，它可以通過影響雙電層的厚度進而影響土壤顆粒的分散和絮凝。pH值對土壤分散的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，暴露在黏土顆粒表面和邊緣上的羥基具有分解的傾向，它受pH值的影響很大，pH值越大，顆粒的有效負電荷就越大，雙電層厚度增大，顆粒之間的排斥力增大;另一方面，黏土礦物邊緣暴露的氧化鋁是兩性的，隨pH值的變化而變化，低pH值使顆粒從懸液中絮凝，高pH值使黏土顆粒分散。因此，當土壤處于堿性環(huán)境時，土壤顆粒的表面傾向于形成擴散雙電層，從而使顆粒趨于分散。分散性土的堿度高，pH值一般在8.5～10.6之間，因此在對土樣進行分散性判定試驗時，往往會把pH值作為一個輔助性的判斷指標[21]。

按土水比為1∶5制備土水懸液，振蕩3 min后靜置30 min，用離心機將土水懸液中的水溶液提取出來，用pH計進行測定，詳細的操作步驟見《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999）。本次試驗采用雷磁pHS-3C型pH計對土壤樣品進行pH值測試，測試結果見表6。

4 試驗結果與分析

4.1 土樣分散性鑒別結果分析

從表5可以看出，除41、44、45、61號土樣外5項試驗得出來的結果并不完全一致，有的甚至是相互矛盾的。通過大量試驗結果統(tǒng)計出來的鑒別標準對于大多土壤樣品來說，5項試驗結果是基本一致的，但對于某些土壤樣品也會出現(xiàn)不統(tǒng)一的情況。如42、63、64號土樣PS>60%、ESP在2.8%～4.5%之間，除孔隙水可溶性陽離子試驗結果為分散性土外，其余4項試驗結果均為非分散性土（63、64號土樣的雙比重計試驗結果為過渡性土），試驗結果相互矛盾。通常，孔隙水溶液中鈉離子與層間交換性鈉離子應該是保持一定平衡的。但若鈉離子的代換能力弱或者孔隙水中的離子種類和濃度發(fā)生變化時，鈉離子就很難進入層間置換鈣離子，那么交換性鈉離子就會低于孔隙水中的鈉離子，而造成蒙脫石分散的是交換性鈉離子而不是孔隙水溶液[22]，因此土樣表現(xiàn)為非分散性。由此可綜合判定41、42、61～64號土樣為非分散性土。43、44、45號土樣的5項試驗結果較為一致，除43號土樣的雙比重計試驗結果為過渡性土外，其余試驗結果均為分散性土，所以判定為分散性土。65號土樣的孔隙水可溶性陽離子試驗結果為分散性土，雙比重計和針孔試驗的結果為過渡性土，理論上這兩種試驗可靠程度高，所以判定為過渡性土。綜合判定結果為43、44、45號土樣為分散性土，65號土樣為過渡性土，其余6個土樣為非分散性土。

4.2 土樣標準吸濕含水率試驗結果分析

將表3中用X衍射測得的蒙脫石含量與表6中由標準吸濕含水率理論公式計算出的蒙脫石含量進行比較。44號土樣ωa=6.3%，計算得土樣蒙脫石含量為20.37%，X衍射測得蒙脫石含量為21.50%，誤差5.2%。61號土樣ωa=5.4%，計算得土樣蒙脫石含量為18.45%，X衍射測得蒙脫石含量為19.14%，誤差3.6%。兩種試驗方法得到的結果誤差很小，說明利用標準吸濕含水率測試結果計算出的土壤蒙脫石含量是較為準確的。

4.3 土樣分散原因分析

分析表6結果發(fā)現(xiàn)，分散土壤樣品的標準吸濕含水率、pH值和可交換鈉離子百分比都高于其他土壤樣品的。3個分散性土樣的標準吸濕含水率在6.0%～6.3%之間，推算得到蒙脫石含量在19.46%～20.37%之間，pH值在9.1～9.3之間，呈強堿性（pH值范圍為8.5～9.5），交換性鈉離子百分比在8.9%～13.8%之間。6個非分散性土樣標準吸濕含水率在5.1%～5.7%之間，推算得到蒙脫石含量在16.59%～18.97%之間，pH值在8.2～8.5之間，呈弱堿性（pH值范圍為7.5～8.5），交換性鈉離子百分比在0.7%～4.5%之間。1個過渡性土壤樣品的標準吸濕含水率為5.4%，推算得到蒙脫石含量為17.54%，交換性鈉離子百分比為4.1%，pH值為8.6，呈強堿性。

10個土壤樣品中蒙脫石含量差別不大，但表現(xiàn)出分散、過渡和非分散三種現(xiàn)象。原因是蒙脫石含量不是造成土壤分散的必要條件，決定土壤分散的物質(zhì)基礎是蒙脫石中的鈉蒙脫石，且與土壤所處的環(huán)境（即鈉離子和pH值）密切相關。土壤黏粒中蒙脫石礦物經(jīng)常發(fā)生同晶置換作用，因而會生成永久負電荷，必須吸附帶有相反電荷的離子（即交換性陽離子）來平衡過量的負電荷。若吸附鈉離子的是鈉蒙脫石、吸附鈣離子的是鈣蒙脫石，則土壤層間以水分子結合，晶層間的連接力很弱，親水性強，一遇到水就會開始膨脹。若土壤中含有大量可交換性鈣離子，鈣離子雙電層的厚度較薄，則鈣蒙脫石吸附水分子到一定程度后就會停止，這就是土壤發(fā)生膨脹的原因。若土壤中含有大量可交換性鈉離子，則鈉離子會與土壤顆粒孔隙中的水分子發(fā)生水化反應，形成比鈣離子更厚的擴散層和水化膜，使鈉蒙脫石繼續(xù)吸附水分子到膨脹水化，直至分解成一個一個單獨的晶胞而使土壤顆粒分散，這就是分散性土[23]。此外，土顆粒所處環(huán)境的pH值越高，黏土顆粒之間的靜電吸引力越小，靜電斥力越大，土壤的分散趨勢也就越明顯。由此可以得出造成這3個土壤樣品具有分散性的主要原因是，其有一定含量的蒙脫石且交換性鈉離子含量高，同時其所處的強堿性介質(zhì)環(huán)境對分散起到了促進作用。

6個非分散性土壤樣品也含有一定量的蒙脫石，但其不具備分散性，與分散性土壤樣品對比后發(fā)現(xiàn)，這6個土壤樣品的交換性鈉離子含量比較低，鈉蒙脫石的含量相對較低，且土壤所處環(huán)境呈弱堿性，對土壤的分散沒有明顯的促進作用。此外，這6個土樣的黏粒（粒徑<0.005 mm）含量在36.5%～50.0%之間，有機質(zhì)含量在7.08～10.86 g/kg之間，含量較高，黏粒和有機質(zhì)是抑制土壤分散的膠體，往往會使土顆粒膠結形成團粒，兩者含量越高，抑制土樣分散的程度就越高。由此可以得出這6個土壤樣品不分散的主要原因是，其交換性鈉離子含量少，pH值偏低，以及較高的黏粒和有機質(zhì)含量。1個過渡性土壤樣品中同樣也含有一定量的蒙脫石，且土壤所處環(huán)境呈強堿性，但其交換性鈉離子含量少，黏粒含量和有機質(zhì)含量都較高，土壤顆粒膠結在一起，對分散性起到了抑制作用，因此該土樣最終顯現(xiàn)為過渡性。

通過10個土壤樣品的鑒別試驗以及標準吸濕含水率和pH值的聯(lián)合測定發(fā)現(xiàn)，當土樣含有一定量的蒙脫石時，土樣的分散程度與其交換性鈉離子含量和pH值密切相關。蒙脫石含量雖然不是土樣分散的必要條件，但若蒙脫石含量很低，其中鈉蒙脫石含量相對更低，造成土壤分散的物質(zhì)基礎沒有達到一定的量，土壤便不會發(fā)生分散。交換性鈉離子含量和pH值都決定土壤所處的介質(zhì)環(huán)境，可交換的鈉離子為鈉蒙脫石的形成創(chuàng)造了條件，pH值影響土壤顆粒間的分散和絮凝，兩者越高，土樣呈分散性的可能性就越大。

5 結 論

（1）綜合分析5項分散性鑒別試驗結果后認為，10個土壤樣品中43、44、45號是分散性土，65號是過渡性土，其余6個是非分散性土。

（2）蒙脫石含量并不是土壤發(fā)生分散的必要條件。含有一定量的蒙脫石，且交換性鈉離子含量較高，呈強堿性，即鈉蒙脫石的含量高，同時滿足土壤發(fā)生分散的物質(zhì)基礎和環(huán)境條件時，土壤才會發(fā)生分散。

（3）依據(jù)標準吸濕含水率測試結果可以較為準確地推算出分散性土的蒙脫石含量，且測試裝置經(jīng)濟，測試方法簡單易操作，測試耗時短。通過對土樣標準吸濕含水率和pH值的聯(lián)合測定，再結合交換性鈉離子含量可以對土樣的分散性進行初步推測，即含有一定量的蒙脫石，交換性鈉離子含量越高，且呈強堿性的土是分散性土的可能性較大，這或許可以作為一種從分散機理入手的新分類方法。當然，這種推測的準確性如何，交換性鈉離子、pH值和蒙脫石含量超過多少時土樣才會發(fā)生分散，即聯(lián)合指標界限值的確定，還待進一步研究。

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【責任編輯 張華巖】