海水盐度对黏土矿物基本特性影响规律研究

苗永红，陆 强，朱 杰，徐桂中

(1.江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江212013；2.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江212003；3.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051)

海水盐度对黏土矿物基本特性影响规律研究

苗永红1，陆 强1，朱 杰2，徐桂中3

(1.江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江212013；2.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江212003；3.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051)

为研究海水盐度对黏土矿物的基本特性包括液限、塑限、塑性指数和颗粒级配的影响，测量了黏土矿物在不同浓度NaCl溶液中和不同浸泡时间下的液塑限，并进行了不同浓度NaCl溶液中的黏土矿物的颗分试验。结果表明：盐度对蒙脱土的液塑限影响非常显著，随着盐度增加，液塑限降低，并且降低的趋势变缓；与蒙脱土相比，盐度对伊利土和高岭土的液塑限的影响较小；当盐度一定时，不同的浸泡时间对黏土矿物的基本特性的影响很小；颗分试验显示不同盐度下蒙脱土的黏粒含量减小显著，高岭土和伊利土黏粒含量降低较小，表明NaCl溶液使蒙脱土土中细颗粒产生凝聚效果显著，而盐溶液对高岭土和伊利土中的细颗粒凝聚效果不明显。

岩土工程；黏土矿物；NaCl溶液；液塑限；颗粒级配

0 引 言

我国拥有绵长的海岸线，近年来海洋工程越来越多，经常会遇到海水环境下天然沉积软黏土的工程性质问题[1-3]。国内外诸多学者对黏土在海水环境中的工程性质开展了研究。

Y.YUKSELEN-AKSOY等[4]的研究表明：当黏土的液限，塑性指数，分别超过110%，70%时，黏土的物理性质受海水影响显著；与蒙脱土相比，高岭土，绿泥土以及混合黏土的基本特性受海水影响不是很显著。A.KAYA等[5]和A.H.ÖREN等[6]的研究表明：海水盐度对黏土工程性质尤其是膨胀土有很大的影响。文献[7-9]的研究数据表明：蒙脱土的液限受盐溶液影响产生显著的减小。在国内，柴寿喜等[10]和梁健伟等[11]认为：随着含盐量的增加，土中粗颗粒越来越多，总的比表面积越来越小，土颗粒表面的双电层受到压抑，使土粒间的斥力减弱，吸引力增强，颗粒的间距变小，结合水膜的厚度变薄，颗粒能吸附水的数量也就越来越少，总体上导致土的液限、塑限和塑性指数越来越低。谌文武等[12]认为随着盐度增大，含盐土样的液限、塑限以及塑性指数均逐渐减小，试样由粉质黏土变为粉土。由于盐分的加入，盐分作为电解质对土粒产生团聚作用。使得试样中黏粒含量相对减小。

需要指出，在研究海水盐度对土的物理力学特性研究时，都首先需要制备海水环境下的试样。传统离子环境下土的制样方法主要有浸泡置换法和离心萃取法。张文杰等[13]将土样浸泡在不同浓度的NaCl溶液中，浸泡不同时间后取出土样测量不同深度土样中的氯离子浓度；在环境岩土中，刘志彬等[14]为研究锌离子对膨润土性质的影响，将干燥膨润土与不同浓度的硝酸锌溶液混合并充分搅拌，恒温养护规定时间后取样；张建红等[15]将土样和氯化铜溶液放入离心机中，在离心加速度下旋转进行充分的排水固结，转动一定的时间后取样。其中，浸泡置换法因其简便有效，得到很多学者的采用。

黏土矿物是影响黏土工程性质的重要组成成分，天然沉积软黏土中各种黏土矿物含量影响着黏土的基本特性。通过研究海水盐度对黏土矿物基本性质的影响可以为海洋工程中预测黏土的工程性质和解决工程问题提供一定的依据和参考。

1 试验概况

1.1 土样介绍

试验采用的3种黏土矿物分别为高岭土、伊利土及钙基蒙脱土。其中：高岭土取自中国江苏徐州地区；伊利土取自于中国浙江绍兴市；钙基蒙脱土取于中国河南灵寿县。这3种土样的基本物理指标见表1。

表1 3种黏土矿物的基本物理指标

1.2 土样制备

为模拟海水环境，本试验采用不同浓度的NaCl溶液浸泡3种黏土矿物土样来研究海水盐度对黏土矿物基本特性的影响。为确定合适的浸泡时间，试验制样采用将黏土矿物浸泡在4%浓度的NaCl溶液中0，15，30 D(D表示天数)。0 D表示直接用风干的黏土矿物与NaCl溶液测量液塑限。浸泡过程中连续搅拌使其与溶液离子进行充分的离子交换。搅拌充分后将盛器用塑料袋密封保存防止水分蒸发导致溶液中盐度的变化，待溶液澄清后用吸管将水排出，再加入相应浓度的NaCl溶液后搅拌均匀，反复进行5次，使黏土矿物与盐溶液进行充分的离子置换。浸泡到规定的时间取出土样进行液塑限的测定。选择黏土矿物液塑限基本稳定时的浸泡时间为比较合适的制样时间。

确定制样时间后，再将黏土矿物风干土浸泡在2%，4%，6%，8%，10%浓度的NaCl溶液中，按照上述方法进行制样，浸泡到比较合适的制样时间后测定液塑限。

1.3 试验方法

试验采用液塑限联合测定法。测量过程中为保持土粒周围孔隙液浓度不变，将经过规定时间浸泡后的土样用土工布包裹后用重物进行静置压缩，待其进行充分排水固结后取出土样进行液塑限的测试。试验中采用的也是加入相应浓度的NaCl溶液进行液塑限的测量。

2 试验结果与分析

2.1 浸泡时间对黏土矿物液塑限的影响

黏土矿物液塑限随浸泡时间变化规律如图1。

图1(a)为蒙脱土液塑限随时间变化规律。蒙脱土液限在加入NaCl溶液后从淡水中的275.5%下降到106.0%左右，表明盐度对蒙脱土的液限影响很大。在4%盐度下，在15 D前，蒙脱土的液限有很小的增加，15 D后蒙脱土的液限基本保持不变。不同的浸泡时间下测得的各项数据相差较小，最大差值远小于液限的5%。表明NaCl溶液对蒙脱土液限的影响是瞬时性的，浸泡时间对液限影响很小，是可以忽略的。蒙脱土塑限基本在52.0%左右，同时，塑性指数变化规律与液限一致。浸泡时间虽然对蒙脱土的液塑限和塑性指数有一定的影响，但是在一定的盐度下这样影响较小，没有显著地改变蒙脱土的物理性质。

图1(b)为高岭土液塑限随时间变化规律。高岭土加入NaCl溶液后液限从淡水中的55.8%降到53.1%，减小了将近2.5%。在浸泡了15 D后其液限下降了接近2.0%左右，15 D之后液限基本不变，液限也基本接近51.0%。在15 D内，高岭土液限虽然下降了2.0%，但是下降值小于液限的5%。高岭土塑限也呈现同样规律。同时，高岭土的塑性指数基本不受浸泡时间影响。

图1(c)为伊利土液塑限随时间变化规律。伊利土加入NaCl溶液后液限由淡水中的54.5%下降到了53.5%，变化很小。在15 d前液限下降了2.0%左右，15 D之后伊利土的液限基本在51.0%左右，基本不变。伊利土的塑限也显示同样的变化。同样，伊利土的塑性指数没有很大的变化。

图1 黏土矿物液塑限随浸泡时间变化Fig.1 Liquid and plastic limits change with soaking times

由图1还可看出：蒙脱土在盐水中液限比在淡水中下降较大；而高岭土和伊利土在盐水中的液限比淡水中有所减小。蒙脱土显著变化可能是因为蒙脱石黏土片层间是由分子间的相互作用，连接力很弱，盐溶液较易进入其间，导致在盐溶液中比在淡水中蒙脱土性质改变更快。而高岭土和伊利土黏土片层间是氢键连接，连接力较强，盐溶液难以进入其间，所以在盐溶液中比在淡水中高岭土和伊利土的液塑限改变较小。通过试验可知15 D后黏土矿物的液塑限变化很小，以15 D浸泡后的土样进行测定的液塑限就可以代表在该盐度下土的基本性质，因此以15 D作为制样时间是比较合适的。

2.2 盐度对黏土矿物液塑限的影响

分别使用蒙脱土、高岭土、伊利土与不同浓度NaCl溶液浸泡15 D后进行液塑限的测量，如图2。

图2(a)为蒙脱土液塑限随盐度变化规律。蒙脱土液限随NaCl溶液浓度变化差异很大，总体上降低近200%。当盐度在0%～6%时，蒙脱土液限变化极为明显，说明海水环境下对蒙脱土的物理性质影响很大；当盐度超过6%时，蒙脱土液限下降减缓，趋于平缓。同时，蒙脱土塑性指数随盐度与液限变化规律一致，表明蒙脱土物理性质随着盐度增加产生了显著地变化。蒙脱土塑限整体上也随着盐度减小，盐度在0%～4%时塑限减小较多，在6%～10%塑性基本不变。

图2(b)为高岭土液塑限随盐度变化规律。高岭土液限在不同盐度下随盐度增加总体上降低约6%，当盐度超过8%时，变化趋于平缓，盐度对高岭土的性质影响很小。在不同盐度下高岭土的塑限和塑性指数均降低较小，基本保持不变。这表明盐度对高岭土的物理性质有一定的影响，但是没有蒙脱土那么显著。

图2(c)为伊利土液塑限随盐度变化规律。伊利土液限随盐度增加降低很小，为4%左右，在盐度超过6%后基本保持不变，表明盐度对伊利土的影响较小。同时塑限和塑性指数也基本保持不变。这说明虽然盐度对伊利土的物理性质有一定影响，但影响较小。

图3为蒙脱土、高岭土和伊利土在不同盐度下的塑性关系。图3中：M代表蒙脱土；G代表高岭土；Y代表伊利土，后面的数字表示盐度。

由图3(a)可以看出：当盐度是0时，蒙脱土位于A线之上，B线之右，但是盐度在2%～10%情况下位于A线之下，B线之右，并且拟合曲线基本平行于A线。这表明：在盐水中蒙脱土由高液限黏土变成粉土性质，物理性质变化很大，而且在不同盐度下蒙脱土的液限随着塑性指数呈现规律性变化。

图3(b)中，当盐度为0%～6%时，高岭土位于A线之下，B线之右；当盐度为8%和10%时，高岭土位于A线之下，B线之左。所测点都很接近A线，并且变化范围与蒙脱土相比较小。此外，图3(b)中伊利土所有点在A线以下，B线之右，并且也很接近A线。伊利土的变化幅度很小，也没有蒙脱土变化那么明显。从图3(b)中还可以看出：盐度虽然对高岭土和伊利土的物理性质有一定的影响，但是变化的范围在塑性图中较小，表明高岭土和伊利土基本性质没有显著地改变。

图2 黏土矿物液塑限随盐度变化Fig.2 Liquid and plastic limits change with salinities

图3 黏土矿物塑性示意Fig.3 Plastic map of clay minerals

2.3 盐度对黏土矿物颗粒级配的影响

图4为蒙脱土颗粒大小分布曲线。

图4 蒙脱土颗粒大小分布曲线Fig.4 Particle size distribution curve of montmorillonite

由图4可知，常规的密度计法测量出的蒙脱土的黏粒含量为43.3%，在0%，2%，4%，6%这4种不同盐度的对比试验中，可以看到不同盐度下的曲线差异很大。

由于对比试验没有经过煮沸和添加分散剂，所以与常规的颗分曲线有着很大区别，图4中的数据不能代表蒙脱土在不同盐度下真正的小于某粒径质量百分数，但是可以进行对比得到不同盐度蒙脱土黏粒含量的相对大小。

笔者选定横坐标为0.015时纵坐标值X0.015来代表不同盐度下蒙脱土黏粒含量的相对大小。0%，2%，4%，6%分别对应60.8%，21.3%，17.1%，15.1%。盐度从0%到2%时，X0.015大大减小，从2%到6%时，X0.015减小缓慢。说明盐溶液使蒙脱土中黏粒含量降低非常明显，土粒粒径变化很大，表明颗粒凝聚现象显著，并且随着盐度增大，黏粒含量降低变缓，表明当盐度超过一定数值后颗粒凝聚现象就不明显了。

图5为高岭土颗粒大小分布曲线。由图5可知：常规的密度计法测量出的高岭土的黏粒含量为48.8%，与盐度为0%，不加热不加分散剂的分布曲线差异很大。所以跟蒙脱土一样，笔者选定横坐标为0.015时纵坐标值X0.015代表不同盐度高岭土黏粒含量的相对大小。盐度为0%，2%，4%，6%时X0.015分别为66.9%，61.0%，51.3%，45.5%。从X0.015减小规律可以看到高岭土在不同盐度下黏粒含量是减小的，但是相差没有蒙脱土那么明显。

图5 高岭土颗粒大小分布曲线Fig.5 Particle size distribution curve of kaolinite

图6为伊利土颗粒大小分布曲线。由图6可知，常规的密度计法测量出的伊利土的黏粒含量为67.2%，横坐标为0.015时0%，2%，4%，6%的X0.015为79.9%，77.1%，75.6%，70.1%。可以看出不同盐度下伊利土的X0.015变化不大，说明随着盐度增加，伊利土的黏粒含量也减小。与高岭土相似，伊利土在不同盐度下黏粒含量变化并不大。

图6 伊利土颗粒大小分布曲线Fig.6 Particle size distribution curve of illite

2.4 黏土矿物基本特性变化机理分析

黏土矿物颗粒表面扩散双电层厚度会随着NaCl溶液中离子浓度的增大而变薄。随着离子浓度的增大，降低了Zeta电位，使得土粒之间排斥力减小，颗粒间距变小，促使絮凝现象产生[16]。

在3种常见的黏土矿物中，蒙脱土的絮凝程度最高。作为单个黏土片的蒙脱石晶体一般是由几层晶胞叠加形成，两层晶胞之间是靠范德华力连接，连接力很弱，水分子容易进入晶胞之间。蒙脱土具有较大的表面电荷密度和比表面积，表面活性高，还具有较好的分散性、吸附性、离子交换性和膨胀性，能形成较厚的具有黏滞性的吸附结合水膜，相应的液塑限较高。孔隙液离子浓度的增大可能会引起结合水膜迅速变薄，颗粒产生絮凝，黏粒含量减小，颗粒能吸附水的数量也就明显减小，因此蒙脱土的液塑限产生急剧的降低。当盐度开始增加时，黏粒含量变化很大，颗粒集聚效应显著。随着盐度继续增加到一定浓度时，盐度的增加不会进一步地促进絮凝，反而有可能起到微小的絮散作用[17]。所以蒙脱土的液塑限变化很小，几乎不变。

而高岭石晶胞之间是氢键连接，性质是较稳定的。同样，伊利石晶胞之间是钾键连接，性质也较稳定。高岭土和伊利土的电荷密度、比表面积、液塑限及表面活性均次于蒙脱土，在NaCl溶液中形成的结合水膜厚度有限，当溶液浓度增大时，结合水膜的厚度可能变薄地不明显，所以高岭土和伊利土颗粒絮凝现象不显著，使得高岭土颗粒的吸水能力减弱，液塑限减小，但没有蒙脱土那样明显。盐度增大到一定量时，高岭土和伊利土的物理性质变化也趋于稳定，影响就很小。

3 结 论

1)在一定盐度下黏土矿物液限、塑限和塑性指数在NaCl溶液中随浸泡时间变化较小，其中蒙脱土与NaCl溶液反应是瞬时性的，液限相比在淡水中有着显著下降。而高岭土和伊利土液限与在淡水中相比有很小的降低，但是不显著，并且15 D后黏土矿物的物理性质基本不变，因此确定15 D为制样的浸泡时间。

2)蒙脱土在不同浓度的NaCl溶液中液限有着显著的变化；随着盐度增加明显地降低，在不同盐度下蒙脱土在塑性图中变化非常大，由高液限黏土变为粉土的性质，物理性质变化显著。高岭土与伊利土在不同的盐度下的NaCl溶液中液限无显著变化，随着盐度增加降低较小，在塑性图中变化不大，物理性质变化也不明显。

3)盐度对蒙脱土颗粒粒径影响很大，使蒙脱土细颗粒产生絮凝现象，黏粒含量减小，蒙脱土的液塑限等物理性质变化明显；并且盐度在0%～6%时蒙脱土基本特性变化显著，超过6%时变化平缓。而盐度对高岭土和伊利土颗粒粒径虽有影响，使得土中黏粒含量减小，但减小不明显，凝聚现象不显著，因此高岭土与伊利土的物理性质变化不大。

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(责任编辑 刘 韬)

Research on Influence of Seawater Salinity on Basic Characteristics of Clay Minerals

MIAO Yonghong1, LU Qiang1, ZHU Jie2, XU Guizhong3

(1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, P.R.China; 2. School of Architecture and Civil Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, P.R.China; 3. School of Civil Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, Jiangsu, P.R.China)

In order to investigate the effect of seawater salinity on such essential characteristics as liquid and plastic limits,plasticity index, and particle size distribution,the liquid and plastic limits of clay minerals under different sodium chloride concentrations and in different soaking durations were measured and the grain size analysis tests of clay minerals with different sodium chloride concentrations were also conducted. The results indicate that the salinity influences greatly liquid and plastic limits of montmorillonite. The liquid and plastic limits decrease with the increase of salinity, and such decreasing trend slows down. Compared with montmorillonite, less salinity effects on kaolinite and illite are found. With certain salinity different soaking durations have little impact on the essential characteristics of clay minerals.The grain size analysis tests show considerable reduction of clay content of montmorillonite with different salinity and small reduction of clay content of kaolinite and illite and the invisible effect of saline solution on fine particle concention in kaolinite and illite.

geotechnical engineering; clay mineral; sodium chloride solution; liquid and plastic limits; particle size distribution

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.13

2015-09-25；

2015-11-10

国家自然科学基金项目(51408524)

苗永红(1973—)，男，山西阳泉人，副教授，博士，主要从事岩土工程勘测、设计、监测等方面的研究。E-mail：yhmiao@ujs.edu.cn。

陆 强(1990—)，男，江苏扬州人，硕士研究生，主要从事固化疏浚淤泥方面的研究。E-mail：729952594@qq.com。

TU442

A

1674-0696(2017)02- 072- 06