分散剂对砂页岩残积红土（■2d）粒度组成影响研究

Effect of Dispersant on Particle Size Composition of Sandy Shale Laterite （■2d）

周志彬 ZHOU Zhi-bin；符必昌 FU Bi-chang；牛志文 NIU Zhi-wen

（昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

摘要：砂页岩残积红土（■2d）性质特殊，其粒度组成复杂。本文优选 4 种分散剂对砂页岩残积红土（■2d）进行对比试验，讨论分散剂种类和浓度对砂页岩残积红土（■2d）团粒体的分散效果，以此获得其粒度组成特征值。试验结果表明，浓度为 4.0%的六偏磷酸钠使砂页岩残积红土（■2d）达到最佳分散效果，并获得了相对应的粒度组成特征值。

Abstract： The sandy shale laterite （■2d） is of special nature and its grain size is complex. In this paper， four kinds of dispersants are used for comparative test of sandy shale laterite （■2d）， and the dispersion effect of dispersant type and concentration on sandy shale laterite （■2d） is discussed to obtain its grain size composition characteristic value. The results show that the best dispersion effect is achieved by the addition of sodium hexametaphosphate at the concentration of 4.0%， and the corresponding grain size composition characteristic value is obtained.

關键词：残积红土；红土分类；粒度组成测定；分散剂；六偏磷酸钠

Key words： residual laterite；classification of laterite；particle size determination；dispersant；sodium hexametaphosphate

中图分类号：P642.13+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）05-0175-03

0 引言

红土是热带、亚热带湿热地区广泛分布的具有特殊工程地质性质的土体[1]。至今，红土学术界对用以解释形成红土的红土化作用的认识仍是模糊的，特别是中国一致把红土定名为红黏土，且把红黏土定义为碳酸盐岩风化壳，致使碳酸盐岩地区分布区之外的砂页岩等大量硅酸盐岩上覆红土被忽视[1-3]。可以用密度法测定红土的粒度组成，从而对红土进行正确的分类和命名，在其粒度组成测定过程，所用分散剂种类和浓度对砂页岩残积红土（■2d）粒度组成测定结果影响很大。本工作对4种分散剂进行研究，最终确定该类型红土粒度组成的特征值。可为砂页岩残积红土（■2d）粒度组成的分析测试推荐合适的分散剂。

1 粒度组成试验方法

1.1 试验土样的化学组成及矿物组成

试验土样采用昆明长水国际机场砂页岩残积红土（■2d），其化学及矿物组成见表1所示，全风化砂页岩中的SiO2、Al2O3和Fe2O3含量分别为56.69%、20.38%和8.07%。红土中的SiO2、Al2O3和Fe2O3含量分别为62.26%、18.27%、8.20%。由此可知，二者之间具有非常密切的成因联系和继承性，符合母岩与残积红土之间的形成模式。本文所选用的土样也是云贵高原昆明长水机场砂页岩残积红土中的散粒红土[1]。

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1.2 试验研究方法

为了客观真实地反映由昆明长水机场选取砂页岩残积红土散粒红土（■2d）的粒度组成，首先在未加分散剂条件下，进行粒度组成的试验。然后分别利用4种分散剂（六偏磷酸钠、硅酸钠、双氧水和氨水）分别在不同浓度下进行试验。此次试验采用密度计法，密度计均为TM-85甲种密度计。试验流程按照《土工试验规程》（SL237-1999）[4]或《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）[5]进行，具体步骤是：

称干质量为30g的风干试样倒入锥形瓶中，注入水200mL，浸泡过夜。然后将锥形瓶放在煮沸设备上，连接冷凝管进行煮沸约1h。将冷却后的悬液倒入瓷杯中，静置约1min将上部悬液倒入量筒。杯底沉淀物用带橡皮头研杵细心研散，加水，经搅拌后静置约1min再将上部悬液倒入量筒。如此反复操作，直至杯内悬液澄清为止。当土中大于0.075mm的颗粒估计超过试样总质量的15%时，应将其全部倒至0.075mm筛上冲洗，直至筛上仅留大于0.075mm的颗粒为止。将留在洗筛上的颗粒洗入蒸发皿内，倾去上部清水，烘干称量，然后按规程进行细筛筛析。将过筛悬液倒入量筒，加入分散剂约10mL于量筒溶液中，再注入纯水，使筒内悬液达1000mL。用搅拌器在量筒内沿整个悬液深度上下搅拌1min左右，往复30次，以确保悬液内土粒分布均匀。取出搅拌器，在悬液中置入密度计，开动秒表。六偏磷酸钠的浓度以1%、3%、4%、6%和8%为主（4%为《土工试验规程SL237-1999》的建议浓度）；硅酸钠采用的浓度以0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%为主（1%为《土工试验规程SL237-1999》的建议浓度）；双氧水采用的浓度以3%、5%、6%、7%和9%为主（6%为《土工试验规程SL237-1999》的建议浓度）；氨水采用的浓度以4%、6%、8%、10%和12%为主（10%的浓度值被采用较多）。为了更加详细地显示粒度组成的变化规律，特增加10min和60min时的密度计读数时间，同时多组试验在1440min后增加了13个读数（如2600min、4300min、5500min时的读数），这将有利于显示粒度组成曲线分布特征及规律。

2 砂页岩散粒红土粒度组成试验结果

2.1 砂页岩散粒红土（■2d）在未加分散剂条件下的粒度组成分析结果

由表2显示在未加分散剂条件下，散粒红土（■2d）粗粒组（粒度大于0.075mm）含量为8%，粉粒组（粒度0.075～0.005mm）含量为74%，粘胶粒组（粒度小于0.005mm）含量为18%；土颗粒主要集中在粉粒和黏粒组，表明散粒红土（■2d）土体颗粒极不均一，粉粒组团粒体在未加分散剂条件下较稳定，主要以粉粒团粒体为主的状态存在。

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2.2 不同分散剂对砂页岩散粒红土（■2d）各粒组含量的影响

2.2.1 六偏磷酸钠对红土粒度组成的影响

在一定浓度范围内，随着六偏磷酸钠浓度的增加，散粒红土（■2d）黏粒组含量不断增大。在其浓度为4.0%时，黏粒组含量增至最大值58%，反映了土体中结构单元体存在大量的胶体颗粒，表明该类型红土的红土化作用程度较高。从表2可以看出，六偏磷酸钠浓度为4%、时，散粒红土的黏、胶粒组含量达到58%峰值。为此，特把4.0%当作散粒红土在六偏磷酸钠作用下的最佳分散剂浓度。

2.2.2 硅酸钠对红土粒度组成的影响

采用硅酸钠作为分散剂时，在一定浓度范围内，黏粒含量随着硅酸钠的浓度增大，散粒红土（■2d）黏胶粒组含量不断增大，在硅酸钠浓度为2.0%时，黏粒组含量增至最大值45%，黏粒组含量比无分散剂条件下的黏粒组含量增加27%。与六偏磷酸钠相比，硅酸钠对散粒红土的分散作用效果明显较差。为此，特把2.0%当作散粒红土在硅酸钠作用下的最佳分散剂浓度。

2.2.3 双氧水对红土粒度组成的影响

双氧水作为分散剂时，在一定浓度范围内，随着双氧水浓度的增大，散粒红土（■2d）黏粒组含量不断增大。在双氧水浓度为7.0%时，黏粒组含量增至最大值22%，黏粒组含量比无分散剂条件下的黏粒组含量增加4%。与六偏磷酸钠、硅酸钠相比，双氧水对散粒红土（的分散作用效果明显较差。为此，特把7.0%当作散粒红土在双氧水作用下的最佳分散剂浓度。

2.2.4 氨水作用下的粒度成分试验成果

氨水作为分散剂时，在一定浓度范围内，随着氨水浓度的增大，散粒红土（■2d）黏胶粒组含量不断增大。在氨水浓度为8.0%时，黏粒组含量增至最大值25%。与六偏磷酸钠、硅酸钠、双氧水相比，氨水对散粒红土（的分散作用效果弱于六偏磷酸钠、硅酸钠，但比双氧水分散效果好。为此，特把8.0%当作散粒红土在氨水作用下的最佳分散剂浓度。

2.3 分散剂对砂页岩散粒红土（■2d）级配影响

由圖1显示，该土样在未加分散剂的条件下分散效果很不理想，粉粒组含量高达74%，按红土粒度分类应该属于粉土。粒度分布曲线在粒径为0.1～0.20mm粒组区间较为平缓，在0.02～0.01mm粒组区间较为陡直，颗分曲线总体连续度和光滑度与设计预期有一定差距，曲线的斜率并不是连续的，颗粒级配也不符合试验要求。特别是在添加六偏磷酸钠浓度为4.0%后，其粒度曲线在0.02～0.002mm粒组区间变缓，曲线斜率变化很小且连续黏粒组含量增至最大值。从而得知该分散剂对粉粒组团粒作用效果很显著，颗粒级配良好，按红土粒度分类应该属于“黏土”。当硅酸钠浓度为2.0%时，其粒度曲线在粒径为0.1～0.002mm粒组区间变缓，曲线斜率居中，黏粒组含量达到45%，黏粒组含量比未加分散剂条件下的黏粒组含量增加27%，按红土粒度分类应该属于“粉黏”。当双氧水浓度为7%时，得到的分散效果相比未加分散剂时有所加强但不明显，曲线类似未加分散剂形状，颗粒级配不良，且斜率变化幅度较大，粉粒含量达到71%，按红土粒度分类应该属于“粉土”。采用氨水浓度为8.0%时，其粒度曲线在粒径为0.02～0.005 mm粒组区间较陡，在黏粒组含量中，黏粒组含量达到25%，黏粒组含量比未加分散剂条件下的黏粒组含量增加7%，按红土粒度分类应该属于“粉土”。

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从本质来讲，化学分散就是通过破坏团粒结构内部微细粒黏土矿物之间的结合水连结以及游离氧化铁与黏土矿物之间的静电引力而形成的包膜胶结（具有很强的水稳性，作用力是静电引力，机械力不能使其分开）来打散团粒结构的分散方法[6]。添加分散剂后，我们会发现粉粒组明显减少，而黏粒却有一定程度的增多。这是因为加入的分散剂与氧化铁发生了反应，并生成一种络合物，该物质能够打散胶结的土颗粒。黏土胶体吸附溶液中的离子具有选择性[7]，如果在溶液中掺入分散剂六偏磷酸钠，其遇水离解成Na+、PO3-，而黏性土中通常都含有钠、钾矿物质，具有选择吸附作用的土粒的离子首先会将钠离子吸收，当扩散层达到一定厚度时，黏胶粒会相互分离，团粒结构逐渐解体。但是相对来讲，氨水和双氧水离子的选择吸附作用极少发生，所以这两种物质不适合作为分散剂使用[8]。

3 结论

①在用密度法测定红土粒度时，随所用分散剂种类和浓度的不同，所得黏粒含量差别较大，从而影响红土分类和命名，由此可见分散剂种类和浓度的选择是至关重要的。

②在所4种分散剂对比试验结果表明，使该土样达到的特殊黏胶粒含量的分散剂浓度分别为：4%六偏磷酸钠（黏粒组含量58%）、2%硅酸钠（黏粒组含量45%）、8%氨水（黏粒组含量25%）、7%双氧水（黏粒组含量22%）、未加分散剂（黏粒组含量为18%）。砂页岩残积红土散粒红土（■2d）在六偏磷酸钠作为分散剂所得黏粒含量最高，硅酸钠次之，其他两种分散剂的黏粒含量较低，几乎与无分散剂条件下持平，分散效果不理想。六偏磷酸钠对散粒红土（■2d）分散作用效果最好。为此，可将4.0%六偏磷酸钠作用下获得的粉粒组含量36%、黏粒组含量58%、数值作为散粒红土（■2d）最佳分散状态下的粒度成分特征值。

参考文献：

[1]符必昌，黄英，方丽萍，等.云南高原岩溶区红土成因重大创新研究[M].北京：中国科技出版社，2013.

[2]黄英，符必昌.红土化作用及红土的工程地质特性研究[J].岩土工程学报，1998，20（3）：40-44.

[3]符必昌，黄英，方丽萍.红土化作用及红土的工程地质分类[J].云南地质，1997（2）：197-206.

[4]中华人民共和国水利部.《土工试验规程》（SL237-1999）[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

[5]中华人民共和国建设部.《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）[M].北京：中国计划出版社，1999.

[6]周训华，廖义玲.红黏土颗粒之间结构连结的胶体化学特征[J].贵州工业大学学报（自然科学版），2004，33（1）：26-29.

[7]王继庄.游离氧化铁对红黏土工程特性的影响[J].岩土工程学报，1983，5（1）：147-156.

[8]李明和，符必昌，廖永军，等.不同分散剂对红土粒度成分的影响[J].科学技术与工程，2014（16）：300-303.