第 36 卷增刊 1 岩土力学 Vol.36 Supp.1 15 年 6 月 Rock and Soil Mechanics Jun. 15 DOI:10.16285/j.rsm.15.S1.097 孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响 张 1, 芹 2 1,, 颜荣涛 2 1, 2,, 韦昌富 3 1,, 杨德欢 2 1,, 于明波 2, 杨丽雅 1, 2 (1. 桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室, 广西桂林 541004;2. 桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室, 广西桂林 541004; 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室, 武汉 430071) 摘要 : 针对桂林地区的粉质黏土, 运用液 塑限联合测定法探讨了不同孔隙溶液作用下土体的界限含水率, 并利用扫描电镜 (SEM) 技术从微观层面分析了水化学环境变异下土体的水化学 - 力学耦合作用对结构特性造成的影响 试验结果表明, 随着孔隙溶液浓度的增大, 粉质黏土的界限含水率均减小, 且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显, 随着阳离子价位的增高, 其下降的幅度更大 ; 该现象的产生主要是由于离子浓度及离子价位的增大, 使得扩散双电层的厚度减小, 而双电层对于土体界限含水率存在直接的控制作用 除此以外, 通过探测土体的微观结构发现, 水化学 - 力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝作用, 致使土粒形成粒团, 土颗粒间孔隙增大, 架空孔隙变多 关键词 : 粉质黏土 ; 孔隙溶液 ; 界限含水率 ; 扫描电镜 ; 化学 - 力学耦合中图分类号 :TU 443 文献标识码 :A 文章编号 :1000-7598-(15) 增 1-0558-05 Effects of pore fluids on consistency limits of silty clay ZHANG Qin 1, 2, YAN Rong-tao 1, 2, WEI Chang-fu 1, 2, 3, YANG De-huan 1, 2, YU Ming-bo 1, 2, YANG Li-ya 1, 2 (1. Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China; 2. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China; 3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China) Abstract: The fall cone tests are performed to determine the consistency limits of Guilin silty clay under different pore fluids; and scanning electron microscope(sem) analytic technique is used to revel the influence of the chemo-mechanical coupling interaction between water and soil under variable water-chemistry conditions on structure properties of silty clay at a micro scale. The results show that the consistency limits of silty clay would be decreased with the increase of concentration of pore fluids. Besides, it has been found that the atterberg limit decrease as the radius of cation decrease and cation valence increase, especially it s dominated by cation valence at the same concentration. These features of the sility clay behavior can be attributed to the mechanisms of the electric diffuse double layers which would be decreased after the ion concentration and ion valence increased. What s more, it can be seen that the flocculation among silty clay particles has been facilitated by the chemo-mechanical coupling interaction between water and soil, and it leads to the formation of granulosity and the pores between particles have been extended at a micro-level. Keywords: silty clay; pore fluid; consistency limits; scanning electron microscope(sem) 1 引言 随着现代化建设步伐的不断加快, 在人民生活得以改善的同时工业化间接或直接诱发的环境岩土工程问题愈来愈严重, 传统意义上的仅用蒸馏水或自来水来进行室内模拟试验已经远远无法取代原位 条件 [1] 因此, 探究孔隙溶液对土体性质变化的作用机制, 不仅是出于科学研究的需求, 更要用其指导工程实际, 保护环境及保证工程建设质量的安全性和稳定性 界限含水率的测定试验既是细粒土最基本的试验项目, 亦是分析土的性质的必测项目, 它能够 收稿日期 :15-03-10 基金项目 : 国家自然科学基金 (No.113778,No.51309055); 广西自然科学基金 (No.12GXNSFGA060001,No.12GXNSFBA053138); 广西岩土力学与工程重点实验室开放项目 (No.11-KF-07) 第一作者简介 : 张芹, 女,1990 年生, 硕士研究生, 从事化学 - 力学耦合的岩土工程方面研究 E-mail: ydyxzhangqin@163.com 通讯作者 : 颜荣涛, 男,1984 年生, 博士, 副教授, 从事化学 - 力学耦合的岩土工程方面研究 E-mail: yrt301@163.com
增刊 1 张芹等 : 孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响 559 反映土的干湿状况, 并与土的大多数工程性质相 联系, 如渗透性 胀缩性 抗剪强度以及土的压缩 性 [2-4], 尤其是塑性指数的大小可以直接映射出细 粒土具有可塑性的含水率的变化范围, 综合反映孔 隙水与土的粒度组成和矿物成份之间相互作用的特 征 很多学者针对土的界限含水率与其他物理力学 [5] 指标的相关关系进行了大量的研究, 王建秀等分析 了碳酸岩分布区残坡积黏性土液性指数与黏聚力的 [6] 相关关系 朱启银等发现黏土的塑性指数可以较 好地拟合土样的压缩指数 可见测定土的界限含水 率能够有助于更好地了解土的工程特性 国内外诸多学者就孔隙溶液对土的界限含水率 [7-8] 试验进行了大量研究,Sridharan 等探究了物理 - 化学作用对高岭土及蒙脱土液限变化的影响机制 ; [9] Schmitz 等讨论了黏土中的矿物成分对界限含水 率的影响 Arasan [10] 发现低塑性黏土的稠度界限会 跟随盐溶液浓度的增加而变大, 但高塑性黏土却表 [11] 现出了减小的趋势 Mishra 等和 Shariatmadari [12] 等分别探讨了无机盐溶液对黏土 - 膨润土混合土 液限的影响, 均发现混合土的液限随着孔隙盐溶液 [13] 浓度的增大而减小 Jefferson 等研究了蒙脱土 高岭土及蒙脱土 - 高岭土混合土的液限对温度的敏 感性, 发觉蒙脱土比高岭土对温度的变化更为敏感, 且蒙脱土的液限随温度的增加而变大, 而高岭土的 [14] 液限却略微减小 何俊等研讨了不同溶液作用对 膨润土改性黏土的界限含水率的影响, 认为 溶液及乙酸溶液都会使黏土的液限表现出减小的趋 [15] 势 罗春泳通过试验得出 K + Cu + 吸附量的增加 会促使黏土塑性指数变大, 且 Cu + 离子对塑性指数 的影响更大 本文针对粉质黏土研究中的不足, 探讨了 4 种 不同的孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响, 为 今后进一步讨论孔隙溶液的浓度和组分的变化对粉 质黏土工程特性的影响奠定了基础 2 试验 2.1 试验方案 日常生活中土体会遭受到生产及生活过程当中 所产生的三废污染物 ( 废气 废液 废渣 ) 的侵蚀, 如工厂排出的废弃物 垃圾淋滤液 被农药等污染 的地下水 Kjeldsen 等 [16] Ehrig 等 [17] Tchobanoglou [18] 等均发现填埋场渗滤液组分中阴离子中含量最 高的是 Cl - 离子, 阳离子含量相对较多的是 Na + K + Ca + 和 Mg + 离子 据此, 本次试验选用 分别调配成 0.01 0.5 1.0 2.0 mol /L 的溶液进行粉质黏土界限含水率的测试 试验, 分析孔隙溶液对界限含水率的影响 2.2 试验材料 本次选取桂林地区的粉质黏土作为研究对象, 基本的物理性质指标见表 1, 颗粒级配曲线如图 1 所示, 矿物组成见表 2 表 1 桂林地区粉质黏土的物理性质指标 Table 1 Physical indices of Guilin silty clay 名称液限 /% 塑限 /% 塑性指数土粒相对密度 粉质黏土 27.6 16.5 11.1 2.72 注 : 取圆锥入土深度为 10 mm 时对应的含水率为液限值 小于某粒径的土质量的百分数 /% 100 80 60 40 图 1 粉质黏土颗粒级配曲线 Fig.1 Grain-size distribution of the silty clay 表 2 桂林地区粉质黏土的矿物组成 Table 2 Mineral composition of Guilin silty clay 矿物名称石英高岭石伊利石蛭石伊 - 蛭混层 含量 /% 78.6 10.9 4.1 2.3 4.1 2.3 试验方法 2.3.1 界限含水率试验 测定土的界限含水率, 可采用碟式仪测定土的 液限 滚搓法测定塑限及收缩皿法测定土的缩限, 国内较为广泛的采用液 塑限联合测定法测定土的 液限和塑限 [19-21] 本次试验土样的黏粒含量高于 13%, 液 塑限联合测定法的试验结果真实有效, 故采用液 塑限联合测定法来确定桂林地区粉质黏 土的液 塑限, 进而计算出塑性指数以确定土的可 塑性 [22] 10 1 0.1 0.01 0.001 颗粒尺寸 /mm 根据 土工试验方法标准 [21], 本试验将风干 的粉质黏土过 0.5 mm 筛后放置于烘箱低温烘干 取 250 g 土样, 平均分配后分别放入 3 个盛土皿中, 加入不等量的去离子水将土样调成均匀膏状, 分别 控制 3 份土样的含水率在液限 略大于塑限和两者 的中间状态, 使得试验时圆锥入土深度可以分别控
560 岩土力学 15 年 制在 3~4 mm 7~9 mm 15~17 mm 范围以内 随后, 将调配好的不同稠度的土膏分别装入 3 个塑料袋中, 并放置于保湿缸中密封保存 24 h 后测其液 塑限, 与此同时, 进行多组平行试验以保证数据的准确性 重复上述步骤, 此时将去离子水依次换成浓度为 0.01,0.5,1.0,2.0 mol/l 的 溶液, 为使土体颗粒与水溶液充分反应, 须将调配好的土膏密封静置 30 d 再进行试验, 通过计算分析得到孔隙溶液对粉质黏土界限含水率变化的影响规律 2.3.2 微观结构试验微观结构是土体的一个重要特征亦是土体结构单元体性质的综合体现, 且土体复杂的物理力学性质都是其微观结构特性的集中体现, 土的工程特性从本质上来讲都取决于其微观结构 [23-24] 因此, 研究土体的微观结构对了解土的宏观表现, 认识孔隙溶液对粉质黏土特性变化的影响机制有着至关重要的作用 扫描电子显微镜 (SEM) 作为一种辅助手段, 用来观测土体中土颗粒 粒团及微小孔隙的大小 形状 排列情况及孔隙发育状况, 用 SEM 观测对比水溶液调制的粉质黏土与去离子水调配的土样之间的差异, 可从微观层面分析孔隙溶液的变化对土体颗粒及孔隙造成的影响 3 试验结果及分析 3.1 界限含水率试验孔隙溶液对桂林地区粉质黏土界限含水率的影响如图 2 3 所示 从图中可以看出, 当水溶液的浓度为 0 mol/l, 即孔隙溶液为去离子水时, 粉质黏土的液限及塑限值最大, 且随着 和 溶液浓度的逐步增大, 粉质黏土的界限含水率呈现出了不同程度的减小, 其中,0.01 mol/l 的水溶液使得土样的液 塑限下降的较为显著, 当水溶液的浓度在 0.01~2.0 mol/l 时, 溶液和 溶液对土体界限含水率的影响不是特别明显, 而 溶液和 溶液使得粉质黏土的液 塑限下降的较快, 对土体界限含水率的影响较为显著, 且在相同浓度下, 孔隙溶液为 的土样液 塑限最小, 说明 溶液调配的粉质黏土的液 塑限下降幅度最大, 其次是 溶液也使土体液 塑限减小的较为显著, 溶液对粉质黏土液 塑限的影响相对较小, 且 溶液对粉质黏土 液 塑限的影响最小, 由此说明不同的孔隙溶液对 粉质黏土界限含水率的影响从大到小依次为 : 溶液 > 溶液 > 溶液 > 溶液 液限 /% 图 2 孔隙溶液对粉质黏土液限的影响 Fig.2 Effect of pore fluids on the liquid limit of silty clay 塑限 /% 28 26 24 22 16.5 16.0 15.5 15.0 14.5 14.0 13.5 13.0 图 3 孔隙溶液对粉质黏土塑限的影响 Fig.3 Effect of pore fluids on the plastic limit of silty clay 图 4 为孔隙溶液对粉质黏土塑性指数 I p 的影 响 从图中可以看出, 孔隙溶液对土体 I p 的影响与 其对土体界限含水率的影响规律相似, 换言之, 相 同浓度尤其是高浓度下, 同价阳离子半径较小的水 溶液使得粉质黏土塑性指数下降的较为明显, 且随 着阳离子价位的增高, 其下降的幅度更大 塑性指数 Ip 11 10 9 8 7 6 图 4 孔隙溶液对粉质黏土塑性指数的影响 Fig.4 Effect of pore fluids on plasticity index of silty clay
增刊 1 张芹等 : 孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响 561 本试验所选取的粉质黏土主要由细砂 石英等 粉粒及黏土矿物等黏粒构成, 而粉粒和黏粒的含量 占据主导地位, 且黏粒对土体的可塑性起了至关重 要的作用 黏粒表面一般带负电荷, 遇水后形成扩 散双电层, 双电层对于土体界限含水率存在直接的 控制作用 图 5 为土颗粒之间的双电层模型示意图 在土 颗粒之间同时存在双电子层排斥力及范德华吸引 力 当孔隙溶液中阳离子浓度变大时, 阳离子被紧 密的吸附在黏粒表面, 使得热力学电位降低, 双电 层被压缩, 扩散层变薄, 降低了土体颗粒的持水能 力, 导致粉质黏土的液限降低, 且结合水层含量的 减少使得土的塑限和塑性指数减小, 土的可塑性降 低 并且价位较高的阳离子更容易被土颗粒表面的 静电引力吸引进入固定层, 其对双电层的影响更大, 对土体界限含水率的影响更为明显 黏土颗粒表面 固定层 图 5 平行土颗粒之间的双电层 Fig.5 Double layer formed by parallel soil particle surface 为了进一步分析离子浓度对界限含水率的影 响机制, 这里以 溶液和 溶液为例进行 分析 根据 Poisson-Boltzmann 公式可以计算出双 电层的厚度 [25] : 扩散层 1 0DkT 2 2 K 2n0e v 1/ 2 (1) 式中 :1/K 为双电层厚度 ;D 为介质的介电常数, [26] 可由 Rayleigh 模型计算, 见表 3;T 为温度 ; n 0 为 固定层 黏土颗粒表面 溶液浓度 ; 为离子化合价 ;k 为玻尔兹曼常数,k 1.38 10 J K 23 1 ; 0 12 2 1 1 10 C J m ;e 为电子电荷, e 溶液 为真空介电常数, 0 8.854 2 19 1.602 10 C 表 3 溶液的介电常数 D Table 3 Dielectric constant of solutions D 浓度 /(mol/l) 0 0.01 0.5 1 2 80 79.9 74.1 69 60.6 80 79.8 70.7 63.3 52.3 图 6 中为归一化双电层厚度随离子浓度的变 化, 其中归一化双电层厚度以去离子水调配的粉质 黏土为基数进行归一 从图中可以看出, 随着离子 浓度的增大, 双电层厚度逐渐减小, 并且在低浓度 阶段减小的幅度较大 ; 由于钙离子价位高于钠离子, 在相同浓度时其对双电层的影响大于钠离子, 充分 说明了离子溶液通过改变双电层的厚度来影响粉质 黏土的界限含水率 归一化双电层厚度 /% 100 80 60 40 图 6 孔隙溶液对归一化双电层厚度的影响 Fig.6 Effect of pore fluids on normalized double layer 3.2 微观结构试验 本次试验选择用扫描电子显微镜分别观察去离 子水调制的土样和 1 mol/l 调配土样 试验结 果如图 7 8 所示 CaCl 0 2 (a) 放大 100 倍 (b) 放大 800 倍 (c) 放大 2 000 倍 图 7 去离子水调配粉质黏土微观结构图 Fig.7 Microstructure diagram of silty clay permeated with deionized water
562 岩土力学 15 年 (a) 放大 100 倍 (b) 放大 800 倍 (c) 放大 2 000 倍 图 8 1 mol/l 溶液调配粉质黏土微观结构图 Fig.8 Microstructure diagram of silty clay permeated with 1 mol/l 当孔隙溶液为去离子水时, 小颗粒较多, 颗粒间的孔隙很少 ; 当孔隙溶液为 1 mol/l 的 时, 土体颗粒略微变大, 形成了粒团, 且孔隙有明显的增加, 架空孔隙变大, 说明 使粉质黏土颗粒间发生絮凝导致局部颗粒变大, 土体颗粒间孔隙增大, 孔隙率变大, 从微观层面阐释了水化学 - 力学耦合作用对粉质黏土结构特性的影响, 进一步解释了孔隙溶液的改变对粉质黏土界限含水率的影响机理 4 结论 (1) 随着孔隙溶液浓度的增大, 粉质黏土的液限 W L 塑限 W P 和塑性指数 I P 均减小 ; 且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显, 随着阳离子价位的增高, 其下降的幅度更大 (2) 水化学 - 力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝反应, 导致土体局部颗粒变大, 土颗粒间孔隙增大, 架空孔隙变多, 孔隙率变大, 从微观层面阐释了孔隙溶液的改变对粉质黏土结构特性的影响机制 参考文献 [1] YILMAZ G, ARASAN S, YETIMOGLU T. Hydraulic conductivity of compacted clay liners permeated with inorganic salt solutions[j]. Waste Management & Research, 08, 26: 464-473. [2] SRIDHARAN A, RAO S M, MURTHY N S. Liquid limit of kaolinitic soils[j]. Geotechnique, 1988, 38: 191-198. [3] SHARMA H D, LEWIS S P. Waste containment systems, waste stabilization, and landfills: Design and evaluation[j]. Canada: John Wiley & Sons Inc., 1994: 588-588. [4] ABDULLAH W S, ALSHIBLI K A, Al-Zoubi M S. Influence of pore water chemistry on the swelling behavior of compacted clays[j]. Applied Clay Science, 1999, 15: 447-462. [5] 王建秀, 杨立中, 何静. 碳酸岩分布区残积黏性土物理力学参数相关性分析 [J]. 工程勘察, 01, 29(4): 1-4. WANG Jian-xiu, YANG Li-zhong, HE Jing. The physical mechanic parameter correlation analysis on Karst distributed area residual clayey soil[j]. Geotechnical Investigation and Surveying, 01, 29(4): 1-4. [6] 朱启银, 尹振宇, 金银富, 等. 黏土液塑限与压缩指数相关性研究 [C]// 第四届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会暨第七届全国水利工程渗流学术研讨会论文集. 郑州 : 黄河水利出版, 12. [7] SRIDHARAN A, RAO S M, MURTHY N S. Liquid limit for montmorillonite soils[j]. Geotechnical Testing Journal, 1986, 9:156-159. [8] SRIDHARAN A, RAO S M, MURTHY N S. Liquid limit of kaolinitic soils[j]. Geotechnique,1988, 38: 191-198. [9] SCHMITZ R M, CHARLIER C H R. Chemo- mechanical interaction in clay: A correlation between clay mineralogy and atterberg limits[j]. Applied Clay Science, 04, 26: 351-358. [10] ARASAN S, YETIMOGLU T. Effects of inorganic salt solutions on the consistency limits of two clays[j]. Turkish J. Eng. Env. Sci., 08, 32: 107-115. [11] MISHRA A K, OHTSUBO M, LI L, et al. Effect of salt concentration on the permeability and of compressibility soil-bentonite mixtures[j]. Fac. Agr., Kyushu Univ., 05, 50(2): 837-849 [12] SHARIATMADARI N, SALAMI M, FARD M K. Effect of inorganic salt solutions on some geotechnical properties of soil-bentonite mixture as barriers[j]. International Journal of Civil Engineering, 11, 9(2): 103-110. 下转第 608 页