氯化鈉溶液對膨脹土膨脹特性的影響

于海浩,馬慧龍,雷 杰

(桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室,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作用力,如范德華力、擴散雙電層排斥力、電子力等。當黏土孔隙中的化學環境改變后,顆粒與顆粒之間在微觀上保持的平衡被打破,形成環境荷載。環境荷載指的是土體中溶液濃度、溶質、溫度等改變引起的應力變化。而微觀上的變化最終表現出的是黏土宏觀力學的改變。

朱春鵬等[1]就酸堿污染下黏土的性質進行的試驗研究表明:酸濃度的增加,導致土粒比重減小,塑性增大而液限減小,液性指數減小；同時隨著酸濃度的增加,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,而是呈現塑性破壞。王洋等[2]發現酸性水溶液使紅黏土強度提高,堿性水溶液使紅黏土的強度降低。Pillai等[3]通過對在不同濃度NaCl溶液中形成的高齡土樣進行研究,高嶺土主要形成了凝聚結構和集聚結構,這兩種結構的高嶺土強度差別很大。Maio等[4]對膨潤土進行了抗剪強度試驗,當有鹽溶液侵蝕土樣時,土試樣的殘余強度增加,這是由于溶液向土試樣內部擴散導致的。雖然,對于高嶺土和膨脹土受到酸堿溶液或是無機鹽溶液侵蝕,土試樣的力學性質等均會發生改變,但是卻存在著不同機理影響。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較小,顆粒表面擴散雙電層發育程度不大。于海浩等[5]對不同初始含水率的膨脹土進行氯化鈉飽和膨脹試驗,發現當只有強結合水存在時,不同濃度氯化鈉溶液飽和土樣后,土顆粒會吸附水化陽離子,導致膨脹性增加。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]對堿激發秸稈灰渣改良膨脹土的性質進行研究,試驗表明:由于秸稈灰渣中存在的大量高價陽離子在堿溶液的激發下與土顆粒進行離子交換作用,促進絮凝體的形成,從而減小土體的比表面積,降低土的膨脹性。常錦等[7]研究發現酸性環境作用下,土中游離SiO2、Al2O3等膠體礦物出現不同程度的溶蝕和淋濾,降低疊聚體結構間的聯結作用,增大土體膨脹性。馬鵬等[8]通過外加電場作用,使羥基鋁離子通過吸附作用進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]對其進行了修正。由于黏土顆粒表面帶有負電荷,因此黏土顆粒表面會吸附陽離子和水分子,顆粒表面的陽離子濃度高于距離表面較遠位置的濃度,為了保持濃度平衡,顆粒表面的陽離子有掙脫顆粒吸附向遠離顆粒表面方向運動的趨勢,黏土顆粒這一性質與帶電膠體表面離子分布非常類似,學者已經驗證了雙電層理論在土顆粒中的實用性[12-13]。

可見,在微觀尺度,土顆粒與溶液的相互作用,導致了黏土的宏觀性質的改變,而傳統的有效應力理論只考慮顆粒間的機械作用,忽略了物理化學力的作用。因而在黏土化學力學耦合作用研究中,傳統的太沙基有效應力理論受到了限制,為了能夠滿足實際的需要,許多學者對傳統有效應力進行了修正。Sridharan等[14]對太沙基有效應力原理進行修正,認為黏土的有效應力是吸引力和排斥力的函數,隨著吸引力與排斥力之差增加而增加。Warkentin等[15]分析了孔隙溶液對黏土強度的影響機理,認為黏聚強度只與顆粒間的斥力有關,所以只有顆粒間的排斥力對有效應力有影響。有些學者則把滲透壓差考慮到了有效應力中[16-17],由于顆粒表面帶電,導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。影響有效應力的因素不是單一的,是顆粒間的電子力、廣義滲透壓、擴散雙電層作用共同作用,Wei[18]從表面勢能出發,理論上推導了考慮物理化學作用的有效應力公式,修正后的有效應力公式能夠對黏土的物理化學作用進行很好的預測[19]。

雖然,許多學者已經對膨脹土的化學力學耦合方面進行了大量的研究,但是對化學力的定量試驗研究較少,限制了水土化學力學耦合研究的發展,因此有必要進行試驗研究,對黏土中產生的化學力進行定量化。

現對3種不同初始含水率的膨脹土進行浸水加載膨脹試驗,用不同濃度的氯化鈉溶液飽和試樣使其膨脹。以此來研究化學力與溶液濃度、孔隙比等的關系。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗用的土樣為商用膨潤土,其物理性質指標如表1所示。控制膨脹的主要礦物蒙脫石的含量為30.9%,石英含量為29.5%,同時還含有云母、斜發沸石、方英石、方解石、長石等礦物。

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

1.2 試驗方法

試驗所用試樣為壓實樣,首先將風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含水率均勻加入蒸餾水調拌土樣,土樣的目標含水率為分別為6%、13%、24%,將調拌好的土樣放置于密封袋中48 h進行悶料,48 h后測量土樣的含水率,然后用自制模具進行壓樣,壓實樣的目標干密度為1.60 g/cm3。試樣直徑為61.8 mm,高度為10 mm,試驗前將試樣置于高度為20 mm的環刀中間位置,使試樣在膨脹過程中只有豎直方向膨脹。

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

2 試驗結果及分析

2.1 加載膨脹試驗結果分析

圖1所示為加載膨脹試驗的結果,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數坐標中,飽和孔隙比與垂直壓力為線性關系,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,鹽溶液對初始含水率w0為12.3%、24.7%試樣影響明顯強烈,并且對初始含水率w0=24.7%試樣的影響比對初始含水率w0=12.3%試樣強烈,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系Fig.1 Relationship between saturated void ratio and vertical stress

土樣與固結儀組成的系統中,土樣孔隙中的溶液與固結盒中的溶液保持熱動力平衡,可簡化為圖2的熱動力學系統,在該熱力學系統中,氯化鈉溶液能夠自由的移動,而顆粒表面帶有的電荷則不能移動,因此在圖2中氯化鈉溶液能夠自由穿越半透膜,而電荷pk-則不能穿過半透膜。由于電荷pk-的存在,導致了該熱動力學系統左右兩邊的滲透壓不相等,這個差值為Donnan滲透壓,此時試樣的顆粒間應力張量為[18]

圖2 固結儀與試樣組成的理想化熱動力學系統Fig.2 Idealized thermodynamics system constituted by consolidometer and specimen

(1)

(2)

式(2)中：Ωl為與孔隙溶液無關的量；∏D為孔隙溶液濃度的函數；∏為滲透壓。圖3所示為計算出的∏D與孔隙溶液濃度、顆粒表面單位體積固定電荷數的關系[19],cfix為固定電荷數。從圖3中可以看出,當顆粒表面單位體積固定電荷數不變時,∏D隨著溶液濃度的增加而降低,而當濃度一定時,顆粒表面單位固定電荷數越大,∏D也越大。也就是說,當孔隙溶液濃度增加時,膨脹力會隨之降低,因此在一定垂直壓力下,試樣的飽和孔隙比會降低,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律Fig.3 Change of ΠD versus n0

2.2 氯化鈉對膨脹土影響定量化

圖4所示為飽和孔隙比和垂直壓力關系示意圖。在垂直壓力P1下,當試樣的飽和溶液為蒸餾水時,此時飽和孔隙比為e1,而飽和試樣的溶液為鹽溶液時,同樣在垂直壓力P1下,試樣的飽和孔隙比只能達到e2,顯然e1>e2。而如果飽和試樣的溶液為蒸餾水,飽和孔隙比達到e2所需的垂直壓力應該為P2,P2要大于P1,而P2與P1的差值即為由于鹽溶液產生的化學力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系為基礎,將鹽溶液飽和后試樣的孔隙比投射到其關系直線上,算出需要的壓力,然后再減去該試樣實際施加的垂直壓力,得到化學力Pc,需要指出的是,Pc因為是通過蒸餾水飽和后試樣作為參考而求出的,因此,Pc是相對量,而不是絕對的量。

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

圖5所示為通過上述方法計算出的化學力Pc與所用飽和鹽溶液濃度n0的關系,在圖5(a)中,不同濃度溶液中,初始含水率6.3%試樣的化學力沒有表現出一致的規律性,垂直壓力為12.5、25 kPa時,各濃度溶液產生的化學力很接近,垂直壓力為50 kPa時,隨著溶液濃度增加,Pc略微減小,而當垂直壓力為100 kPa時,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,產生的Pc越大。

圖5 飽和溶液濃度與化學力Pc關系Fig.5 Relationship between solution concentration and chemical force

初始含水率增加到12.3%時,試驗結果與初始含水率6.3%結果有了明顯區別,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%試樣所表現出的規律與初始含水率12.3%試樣相同,如圖5(c)所示。

圖6所示為飽和孔隙比與Pc關系,從圖6中可以看出,孔隙比對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%試樣也為同樣的結果。

圖6 飽和孔隙比與化學力關系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力關系Fig.7 Relationship between solution concentration and chemical force

總結上述結果,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Pc的影響本質上是孔隙比對Pc的影響。所以,Pc大小與飽和溶液濃度及孔隙比有關,以Pc、溶液濃度、孔隙比為3個軸,即z、x、y,建立Pc、溶液濃度、孔隙比關系,如圖8所示,對其進行擬合,結果如式(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)中參數數值如表2所示。

表2 擬合參數Table 2 Fitting parameters

3 結論

對不同初始含水率的膨脹土壓實樣進行一系列不同濃度鹽溶液飽和的加載試驗,得到以下結論。

(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小；用不同濃度飽和后試樣的飽和孔隙與垂直壓力在半對數坐標中呈線性關系。

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