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有著緊密的聯系，不同工程、不同的工程部位對土料級配有不一樣的要求，如《堤防工程設計規范》GB 50286—2013,對均質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)以百分數表示的相對含量。土的級配數據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果，但是，對于粘粒、膠粒的含量，即使嚴格按試驗規程、試驗標準進行操作，可能仍不能得到令人滿意的試驗結果。經過多年實踐發現，產生這種情況的原因，主要是由于試驗規程、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，使土呈保持強結合水的顆粒狀。分散劑不能與土顆粒發生氧化、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、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，影響試驗結果。這里只報告能夠獲得比較穩定的分散效果的分散劑用量，及其試驗結果。為使試驗結果具有可比性，統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果，本次對比試驗沒出現粗差現象，試驗操作方法基本排除了重復性條件的影響。試驗結果見表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(%)試驗結果

表2 土的物理性指標

注：土分類用到的顆粒分析試驗結果，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 試驗結果分析

從表1可見，6種分散劑所得的粘粒含量試驗結果有明顯差別，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，加氨水試驗結果與工程經驗比較吻合，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計結果。

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反應，生成新物質。

表3 各種分散劑粘粒含量(%)與粘粒含量均值之差統計

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。

最為公認的研究結果是根據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，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定，適合工程實踐的常規試驗。根據多年實踐經驗，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果。

表4 沖積土Z235不同分散劑粘粒含量(%)試驗結果

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 結語

能使試驗結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生化學反應，生成新物質，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合水及部分弱結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反應，無法確保試驗結果準確可靠。焦磷酸納平均分散效果需好，但不穩定。六偏磷酸鈉分散效果好且穩定，最適合常規試驗，劑量為4%六偏磷酸鈉10 mL。對少數特殊土壤，比如一些河流相沖積土、部分被工業污染的土壤，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，在常規試驗中，無須作分散劑修正。