基于熱分解機(jī)理的氯鹽漬土有機(jī)質(zhì)試驗(yàn)對比分析

李國楠

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

鹽漬土的定義是土體中含鹽量大于0.3%的土，土體的含鹽量是單位土體內(nèi)含鹽質(zhì)量與土體質(zhì)量的百分比。當(dāng)鹽漬土中Cl-摩爾數(shù)與2倍SO42-摩爾數(shù)之比c(cl-)/2c(SO2-4)大于2時(shí)為氯鹽漬土[1]。氯鹽漬土的腐蝕性、溶陷性等均會對工程產(chǎn)生不利影響[2]。

土體中的有機(jī)質(zhì)主要為腐殖質(zhì)以及微生物新陳代謝的產(chǎn)物：以C、N、H、O等元素為主的有機(jī)化合物[3,4]。土體孔隙比隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，導(dǎo)致土體壓縮性增大、固結(jié)性降低、強(qiáng)度降低等，從而影響工程建設(shè)[5]。

土體有機(jī)質(zhì)含量測定方法有很多，涉及建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等多個(gè)行業(yè)。如質(zhì)量法、容量法、比色法、光度法、過氧化氫氧化法等[6]，以及近年來新發(fā)展的紅外光譜法、核磁共振法及同位素示蹤法[7]。本文主要討論 《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009年版）及 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）中規(guī)定的灼矢量法和重鉻酸鉀法。

2 有機(jī)質(zhì)試驗(yàn)方法簡介

2.1 灼矢量法

《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009年版）續(xù)表A.0.5要求有機(jī)質(zhì)含量Wu按灼矢量法確定。其原理為通過恒溫灼燒土試樣，計(jì)算灼矢量與干試樣質(zhì)量之比。灼燒溫度根據(jù)不同要求，其范圍為350～1000℃[8]。計(jì)算公式如下：

式中：Wu——試樣灼矢量（%）；

m1——干試樣與容器質(zhì)量（g）；

m2——灼燒后試樣與容器質(zhì)量（g）；

m3——容器質(zhì)量（g）。

2.2 重鉻酸鉀法

重鉻酸鉀法是在170～180℃高溫條件下，過量的重鉻酸鉀——硫酸（K2Cr2O7—H2SO4）溶液與土試樣中的C元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)。然后利用硫酸亞鐵 （FeSO4）標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定反應(yīng)后剩余的重鉻酸鉀（K2Cr2O7），從而計(jì)算出有機(jī)質(zhì)中的C元素質(zhì)量，再乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.724，得到土試樣中的有機(jī)質(zhì)含量[9]。

式中：O.M.——有機(jī)質(zhì)含量（g·kg-1）；

Vhb8——空白試驗(yàn)中硫酸亞鐵（FeSO4）標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積的數(shù)值（mL）；

Vhb9——硫酸亞鐵（FeSO4）標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積的數(shù)值（mL）；

0.003——1moL硫酸亞鐵（FeSO4）所相當(dāng)?shù)挠袡C(jī)質(zhì)C元素質(zhì)量（kg）；

1.724——有機(jī)C元素?fù)Q算成有機(jī)質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

10-3——將g換算成kg的系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果對比及分析

3.1 有機(jī)質(zhì)含量及氯化鹽含量對比分析

本文選取蘭州某場地氯化鹽含量不同的6組氯鹽漬土試樣，分別進(jìn)行灼矢量法及重鉻酸鉀法測定土試樣有機(jī)質(zhì)含量。測定結(jié)果見表1：

表1 有機(jī)質(zhì)含量測定結(jié)果對比表

6組土試樣采用灼矢量法，灼燒前后氯化鹽含量結(jié)果見表2：

表2 灼燒前后氯化鹽含量結(jié)果對比表

由表1可知，采用灼矢量法測定的土體有機(jī)質(zhì)含量均高于重鉻酸鉀法測定的結(jié)果。同時(shí)根據(jù)表2所得，采用灼矢量法灼燒后的土試樣氯化鹽含量有所降低，其表現(xiàn)為：6組土試樣的Cl-含量均出現(xiàn)不同程度的下降現(xiàn)象。表2中灼燒前后Mg2+含量的細(xì)微變化是由于試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差所致，實(shí)際含量未發(fā)生變化。

結(jié)合表1、表2，灼矢量法測定的土體有機(jī)質(zhì)含量高于重鉻酸鉀法測定的結(jié)果，其原因之一是：高溫灼燒使得土體中部分氯化鹽揮發(fā)，灼矢量中既包含有機(jī)質(zhì)，又存在已揮發(fā)的氯化鹽，導(dǎo)致根據(jù)式（1）計(jì)算出的有機(jī)質(zhì)含量偏高。

3.2 氯化鹽含量對灼矢量法結(jié)果影響的規(guī)律

圖1給出了不同氯化鹽含量（Cl-含量）下，灼矢量法與重鉻酸鉀法測定結(jié)果差值的曲線。

圖1 氯化鹽含量與測定結(jié)果差值曲線

由圖1可知，隨著土體氯化鹽含量的增大，兩種試驗(yàn)方法測定有機(jī)質(zhì)含量的差值呈增大趨勢。

這是因?yàn)椋焊邷刈茻然}含量較高的土試樣，其灼失的揮發(fā)性氯化鹽更多，從而導(dǎo)致根據(jù)灼矢量計(jì)算出的有機(jī)質(zhì)含量更大。最終體現(xiàn)在兩種試驗(yàn)方法測定結(jié)果的差值更大。

4 基于氯化鹽熱分解機(jī)理分析

灼矢量法在灼失土體中有機(jī)質(zhì)的同時(shí)，還灼失部分揮發(fā)性鹽類及結(jié)合水，導(dǎo)致測定的有機(jī)質(zhì)含量偏大[11]。為了進(jìn)一步探討土體中氯化鹽對灼矢量法測定結(jié)果的影響，本文以氯化鎂（MgCl2）為例，基于其熱分解機(jī)理進(jìn)行分析。

氯化鎂（MgCl2）在自然界中，主要以六水氯化鎂（MgCl2·6H2O）的形式存在。其在高溫灼燒條件下，不同溫度段的熱分解機(jī)理如下[10]：

式（3）、（4）是在 129℃灼燒條件下的反應(yīng)式，為脫水反應(yīng)?？梢钥闯?，部分結(jié)合水被灼失。

式（5）、（6）、（7）是 167～235℃灼燒條件下的反應(yīng)式，同時(shí)進(jìn)行脫水和水解反應(yīng)。該溫度段，結(jié)合水全部灼失，部分Cl-以HCl的形式被灼失。

式（8）是415℃灼燒條件下的反應(yīng)式，為熱分解反應(yīng)。此溫度下，剩余的Cl-以HCl的形式被灼失。

結(jié)合式（3）～（8），采用灼矢量法時(shí)，隨著灼燒溫度的逐漸增加：在較低溫度，即129℃時(shí)，僅發(fā)生脫水反應(yīng)，部分結(jié)合水被灼失；在中間溫度，即167～235℃時(shí)，同時(shí)進(jìn)行脫水和水解反應(yīng)，結(jié)合水全部灼失、部分Cl-灼失；在較高溫度，即415℃時(shí)，僅剩余的Cl-灼失。

綜上可知，土體中氯化鹽對灼矢量法測定有機(jī)質(zhì)含量結(jié)果的影響，伴隨著灼燒全過程。即從灼燒開始的升溫階段到恒溫階段均有影響。同時(shí)，對于采用不同溫度進(jìn)行的灼矢量法試驗(yàn)，土體中氯化鹽對其有著不同程度的影響，影響規(guī)律為：灼燒恒定溫度越低，影響越小。

5 結(jié)論

1）通過灼矢量法與重鉻酸鉀法測定結(jié)果對比，氯鹽漬土采用前者測定的有機(jī)質(zhì)含量較后者的結(jié)果偏高；

2）隨著土體氯化鹽含量的增大，采用灼矢量法測定氯鹽漬土有機(jī)質(zhì)含量的正誤差呈增大趨勢；

3）土體中氯化鹽對灼矢量法測定有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生影響，該影響伴隨著灼燒升溫階段至恒溫階段的全過程；

4）隨著灼矢量法的灼燒恒定溫度降低，土體中氯化鹽對其測定結(jié)果的影響也逐漸減弱。