粘土分散性试验研究

佟全志

一、前言

分散性粘土在世界各地均有分布，20世纪50年代在澳大利亚首先发现了分散性粘土，并认识到对水利工程的破坏作用。1949年，美国wister大坝发生管涌，渗出的水是浑浊的，事故后发现是由于防渗土料的分散性导致严重管涌。70年代我国黑龙江省在兴建引嫩工程时遇到冲蚀破坏现象。80年代在南部引嫩工程中土坝和水渠发生严重的管涌破坏，经调查试验鉴定筑坝土料为分散性粘土。除此之外，黑龙江省北部引嫩工程乌北段75km渠堤的管涌破坏，齐齐哈尔汇东灌区6支渠堤管涌破坏，黑龙江省富裕县繁荣灌区引水破坏比均由分散性粘土导致。

分散性粘土（Dispersive Clay）是一种在低含盐量的水（或纯净水）中由于离子的相互排斥力超过相互吸引力，导致土体颗粒分散的粘性土。大部分分散性土由蒙脱石组成，并且含有大量的钠离子，具有较低的耐冲蚀性、低的抗剪强度和抗渗性能，较强的收缩潜势。在低含盐量的水中，分散性土分散迅速，土颗粒极易被水流带走，甚至比细砂或粉土更为严重，这就为土体渗透和渗透破坏提供了条件，造成工程破坏，随着水中盐浓度的增加，分散程度逐渐减小，当盐浓度达到一定程度时，分散性土就不再分散。工程实践证明，分散性粘土对水利工程的破坏是严重的、迅速的，但只要采取正确，适合的措施，用分散性粘土修筑挡水工程是安全可行的。以往发生的破坏都是在不了解分散性粘土的性质和没有采取防治措施的情况下发生的，对分散性粘土进行鉴定，并采取一定的措施后就能有效的防止分散性粘土的破坏作用，国内外都有成功的经验，因此用它来筑坝是可以的，本文将介绍分散粘土的各项鉴定试验方法，以及初步探析土分散性机理。

二、分散性粘土的鉴定试验方法

（1）针孔试验：

针孔试验是模拟在一定的水头下，土壤的孔隙壁上的颗粒所具有承受一定动能的水流的冲蚀能力，它表示分离颗粒所需的力。这个试验方法和判断标准是通过对大量的样品试验得到的。针孔试验直观地模拟了天然土体中的孔隙在渗透水流作用下所承受的冲蚀条件，具有广泛的工程显示意义，被认为是最可靠的鉴定方法，同时也是分散性其它鉴定方法最直接和可靠的验证。针孔试验是在特制的针孔装置中，将土样按试验要求压实到最大干密度，在试样的中部穿一直径1.0mm的轴向细孔，然后用蒸馏水进行冲蚀试验，分别在50mm、180mm、380mm、1020mm水头下观察针孔受水流蚀的情况，水流的流量和颜色，然后根据针孔的变化、水流的流量和颜色来判断土样的分散性。土分散性的标准如表2-1所示。

表2-1 针孔试验评价土分散性的标准

（2）碎块试验

碎块试验简便易行，在野外和室内均可快速简单的操作，而且可以模拟各种含盐浓度的河水和水库水，研究含盐水对分散性土的影响。此试验方法有良好的再现性。但是，碎块试验只是定性的判定，不能给予定量的数据，而且在判定时需要丰富的经验。

方法为将原状土样或变塑土样放置在浸入静止的蒸馏水的烧杯中，使其自然水化崩解。10min中内观察试样状况，碎块试验的评价标准见表2-2。

碎块试验是从胶体化学的基本观点出发的，认为某些粘土在此中产生分散的原因是胶体颗粒析出，因而采用胶体析出的程度不同作为判别标准。土壤胶体是指颗粒直径小于0.001mm或0.002mm的土壤微粒。土壤胶体在一定条件下可以分散在介质中，呈溶胶状态；有时可以相互凝聚，呈凝胶状态，这种凝聚一般是在阳离子的作用下产生的。但不同阳离子的凝聚能力不同，凝聚作用对土壤结构的形成极为重要，从胶体化学的基本观点出发，采用胶体析出得程度不同作为判别标准。

表2-2 碎块试验的评价标准

等级划分 类别 浸水后特征

等级1 非分散性粘土 没有反应。土粒崩解，水解和扩散散，但在水中没有由于胶粒悬液而出现在浑浊或稍浑浊后很快又变清。所有土粒在1h内均保持原状。

等级2 过度性粘土 轻微反应。在土崩解得表面附近或周围有轻微的肉眼可见的胶粒悬液产生浑浊水。如果“云雾状”明显，则划分为第3等级；如果“云雾状”不明显，则划分为第1等级。

等级3 分散性粘土 中等反应。在土粒周围或表面可以明显地看到粘粒悬液的产生的云雾状。云雾状离土块在杯底扩散10mm左右。

等级4 高分散性粘土 严重反应。在整个杯底大量的浓粘粒悬液呈云雾状出现。有时，由于土粒的分散而无法看到原来土块的表面。通常，在烧杯的各个方向均可容易的看见土粒胶粒悬液。

（3）双比重计试验

双比重计试验使用于塑性指数大于4和粘粒含量大于12%的土。它是考虑到分散性粘土在水中粘粒部分极易分散而被水流带走，而通常普通的粘性土往往呈团粒结构，遇水不易分解成单个粘粒，因而在试验过程中除煮沸外，同时还要施加化学分散剂进行分散。

双比重计试验也叫SCS法（即美国水土保持局推荐使用的），是用不加分散剂和常规加分散剂的两种方法测定土中小于0.005mm颗粒含量的。

1、按常规煮沸，加分散剂用搅拌器搅拌1min，计算粘粒（小于0.005mm）百分含量；

2、试样不经煮沸，不加分散剂，在负的1个大气压下保持10min脱气，不用搅拌器搅拌，密封量筒口，用反复倒转量筒30次的方法代替搅拌法，计算粘粒（小于0.005mm）百分含量。

以上两种方法一定不要烘干试样，需要风干时，风干后试样的含小率不得低于塑限含小率，计算分散度：

分散度(%)=不加分散剂时粘粒含量/加分散剂时粘粒含量×100

目前分散度判别尚无统一标准，一般认为分散度小于30%时非分散性土、分散性大于50%时为分散性土，在30%—50%之间的为过渡性土。

（4）交换性钠离子百分含量（ESP）的测定

土壤具有吸附溶液中阳离子的能力，当土壤用一种盐溶液（例如：醋酸铵）淋洗时，可以同时释放出等量的其它阳离子如（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）等。它们称为交换性阳离子。土壤交换性能是土壤胶体的属性。此方法用来鉴定分散性粘土时，方法为取100g干土，测出其中的阳离子交换总量（CEC）和交换性钠离子含量，根据式（2-1）求出交换性钠百分比。

ESP=Na/CEC%.............................................(2-1)

CEC用常规醋酸铵法测定，交换钠离子含量测定是先用50℃的50%的酒精溶液淋湿样品，然后用PH=9的醋酸铵——氧化铵溶液淋湿，淋湿液在电热板上蒸干以分解破坏醋酸铵，再用1:3盐酸溶解烧杯内的残渣，并定容在50mm量瓶中，其后在原子吸收光谱上测定换性钠容量。根据美国与澳大利亚试验，当ESP=7~10，土料属中等分散性土；ESP≥ 15，为有严重管涌可能的分散性土。

三、分散性粘土分散机理探究

土是一种复杂的分散剂，其中大大小小的固相颗粒均直接或通过液相间接地联结在一起，在水中分散的实质是土粒间的连接在水的作用下破坏的过程，也是土粒间斥力超过吸引力，使得相互排斥作用占优势的结果。土的分散性机理非常复杂，分散过程与土、水间的物理化学特征性有关，并促使土粒表面势能增高的各种因素的控制。

（1）土的酸碱性因素

土的酸碱程度对土的分散性的影响是通过改变土粒表面的所变电荷来实现的。土粒表面的所变电荷随PH值的增高，负电荷量增大，正电荷量减少，亦即土粒净负电荷量随PH值增高而加大。所以高PH值有利于土粒表面双电层的发育和分散作用。土呈碱性时，土粒表面易于形成扩散双电层使颗粒超于分散，这种土一般分散较高，塑性较大，遇水易于膨胀，失水易于收缩。我国北方土壤的酸碱度多呈碱性，是由于土壤中有弱酸强碱的水外性盐类存在，其中最多的时弱酸根碳酸和碳酸氢根。PH对土的分散性影响主要表现在以下两个方面：①粘土颗粒表面和边缘有可能暴露出来的羟基具有分解的趋势，SiOH→SiO-+H+。它受到PH值的强烈影响，PH值越高，H+进入溶液的趋势越大，颗粒的有效负电荷就越大。②暴露在粘土矿物边缘的氧化铝是两性的，在高PH值下表现为负电性，在低PH值下表现为正电性，PH值对粘土悬液性状具有重要的影响，因此，PH值高是土样分散的原因之一。

（2）粘土矿物的因素

在土的固相成分中，粘土矿物的物理化学性质较活跃，不同种类的粘土矿物其作用的大小是不一样的，常见的矿物有高岭石类，伊利石类和蒙脱石类，蒙脱石是2:1型粘土矿物，由两个硅氧四面体中间夹一铝氧八面体组成，这时电荷是平衡的。蒙脱石晶体中的元素常发生置换，由于低价离子置换高价离子使晶胞内产生多余的负电荷，需要吸附阳离子来平衡，吸附 Ca2+的是钙蒙脱石，吸附Na+的是钠蒙脱石。蒙脱石吸水后膨胀，其中钙蒙脱石吸水膨胀到一定程度而停止，这就是膨胀土；钠蒙脱石继续膨胀水化，直至分解成单独的晶胞，成为分散土。

伊利石类粘土矿物与蒙脱石类粘土矿物一样也属于2:1型矿物，在许多方面都是蒙脱石的一种特殊情况，它与蒙脱石的主要差别在于伊利石晶层与晶层之间结合的不是水而是K+或Na+，通常为K+。由于K+多半是联结在个晶格的中间，所以伊利石晶层之间的联结在各晶格的中间，所以伊利石晶层之间的联结比蒙脱石为牢固，伊利石遇水膨胀或失水收缩均不如蒙脱石那样显著，伊利石是比较不稳定的风化中间产物，是云母向蒙脱石转化的中间产物。加之伊利石也有同晶置换，产生负电性而吸附阳离子，伊利石大量吸附钠离子后，也会像钠蒙脱土那样具有强分散性。有澳大利亚学者认为“某些伊利土也是高度分散性的”。

另外，易溶盐含量高，孔隙溶液电解质浓度大，可以压抑土粒表面的双电层，土粒间斥力减弱，引力增大，但一旦遭受水的溶滤，土粒间的结构联结将发生破坏，使土的物理力学性质发生变异，易使土产生分散作用。

可溶解盐类的总量也是影响粘土分散性管涌的一项原因，该总量越低，对水的溶滤性越强，孔隙溶液中电件质浓度越小，土粒表面双电层随之扩展，斥力增大，结构联结减弱，土坝的分散性管涌可能性也会有所增加。

四、结语

分散性粘土对于土坝修建某水利工程会产生很大的影响，使用这种土作为能坝或路基材料，往往会同为雨水或渗透作用导致坡面和坡角处产生冲沟和冲蚀孔洞，从而给工程带来重大损失和安全隐患。所以研究分散性粘土的鉴定显得非常重要，本文上述分别介绍了各项鉴定方法，其中针孔试验和碎块试验人为因素较多，在今后的试验中有待遇一步研究。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。