玄武岩散粒红土(HCP2e)的粒度成分试验研究

郑家毓，符必昌，刘 帅

(昆明理工大学，昆明 650032)

0 引言

红土是广泛存在于我国南方的一种区域性特殊土；红土与一般土相比具有较高的含水率、孔隙比以及低密度和较高的强度[1]。研究红土的工程性质离不开粒度组成，红土团粒的粒径大小、质量分数，以及组成团粒结构单元体的数量对分析红土的工程地质性质奠定了基础。然而现有的工程试验规程对红土粒度成分测试规定缺乏客观科学依据，目前国内大多数试验规程只适用于普通黏性土[2]，对于红土若按照现有的试验标准进行试验则无法准确反映出团粒粒径大小、数量及结构单元体质量分数[2-4]。本文重点对昆明呈贡大学城玄武岩散粒红土添加不同的分散剂，采用密度计法进行粒度成分测定，并借助分形几何理论，探讨红土在不同分散剂处理下粒度成分的变化规律以及粒度分维值的变化情况，确定红土最佳的分散剂类型及分散剂质量分数，为玄武岩散粒红土推荐使用合适的分散剂提供参考。

1 试验过程及其分析

颗粒分析试验起止时间为2018年9月23日至11月7日，试验地点在昆明理工大学岩土工程实验室行；试验所用土样取自昆明呈贡大学城，将所取土样共划分为五组；其中，在不添加分散剂的情况下单独开展一组试验，用于反映所取土样的真实粒度组成；其余四组分别使用六偏磷酸钠、磷酸三钠、氢氧化钠以及硅酸钠作为分散剂；参考《土工试验规程SL237-1999》[2]使用分散剂的建议质量分数，在此基础选取58种质量分数采用密度计法展开试验；最终选取最具代表性的21组作为试验结果。试验具体步骤依据《土工试验规程SL237-1999》[2]进行；试验结果如表1所示。

根据表1可知，在不使用分散剂的条件下，测得玄武岩散粒红土粉粒组质量分数为63%，黏胶粒组质量分数为34%，土颗粒主要集中在粉粒、黏粒组；表明土体颗粒在自然状态下不断裂化，形成了大量的粉粒，尤其是黏粒组份，使散粒红土主要以粉粒、黏粒粒组形式存在。在添加分散剂的条件下测得随着分散剂质量分数的增加，玄武岩散粒红土的黏胶粒质量分数开始逐渐上升，当上升达到峰值后，继续加大分散剂质量分数黏胶粒质量分数则开始下降，土的粒度成分向黏胶粒组集中，即粉粒组质量分数下降，黏胶粒组质量分数明显增加，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。

采用六偏磷酸钠作为分散剂时，增加六偏磷酸钠质量分数至6.0%时，黏胶粒质量分数上升至最大值69%(黏粒组15%，胶粒组54%)；继续增加六偏磷酸钠质量分数黏胶粒组质量分数开始下降，当质量分数增加至8%时，测得黏胶粒组的质量分数下降至65%(黏粒组11%，胶粒组54%)；该结果表明对玄武岩散粒红土采用六偏磷酸钠作为分散剂时，最佳分散质量分数为6.0%。

采用磷酸三钠作为分散剂时，增加磷酸三钠质量分数至2.0%时，黏胶粒组质量分数上升至最大值58%(黏粒组25%，胶粒组33%)；继续增加磷酸三钠质量分数黏胶粒组质量分数开始下降，当质量分数增加至3.0%时，测得黏胶粒组质量分数下降至43%(黏粒组12%，胶粒组31%)；该结果表明对玄武岩散粒红土采用磷酸三钠作为分散剂时，最佳分散质量分数为2.0%。

采用氢氧化钠作为分散剂时，增加氢氧化钠质量分数至3.0%时，黏胶组质量分数上升至最大值51%(黏粒组22%，胶粒组29%)；继续增加氢氧化钠质量分数黏胶粒组质量分数开始下降，当质量分数增加至4.0%时，测得黏胶粒组质量分数下降至48%(黏粒组23%，胶粒组25%)；该结果表明对玄武岩散粒红土采用氢氧化钠作为分散剂时，最佳分散质量分数为3.0%。

采用硅酸钠作为分散剂时，增加硅酸钠质量分数至1.5%时，黏胶组质量分数上升至最大值52%(黏粒组24%，胶粒组28%)；继续增加硅酸钠质量分数黏胶粒组质量分数开始下降，当质量分数增加至2.0%时，测得黏胶粒组质量分数下降至49%(黏粒组28%，胶粒组21%)；该结果表明对玄武岩散粒红土采用硅酸钠作为分散剂时，最佳分散质量分数为1.5%。

根据实际测得数据，作出玄武岩散粒红土在无分散剂、添加质量分数为6%的六偏磷酸钠、2%的磷酸三钠、3%的氢氧化钠以及质量分数为1.5%的硅酸钠时的粒度分布曲线(图1)。根据表1及图1可知，玄武岩散粒红土在未加分散剂情况下，粒度曲线在粒径为0.07～0.01 mm粒组区间较为缓直，在0.01～0.006 mm粒组区间变陡。采用质量分数为6.0%六偏磷酸钠作为分散剂时，其粒度曲线在0.05～0.002 mm粒组区间更为平缓；与未加分散剂时的粒度分析结果相比，黏胶粒组的质量分数增加35%。采用质量分数为2.0%磷酸三钠作为分散剂时，散粒红土粒度曲线在粒径为0.08～0.007 mm粒组区间仍然较为缓直，在0.007～0.002 mm粒组区间变陡，与未加分散剂时的粒度分析结果相比，黏胶粒组的质量分数增加24%。采用质量分数为3.0%氢氧化钠作为分散剂时，散粒红土粒度曲线在粒径为0.07～0.01 mm粒组区间粒度曲线平缓，在0.01～0.002 mm粒组区间变陡，与未加分散剂时的粒度分析结果相比，黏胶粒组的质量分数增加17%。采用质量分数为1.5%硅酸钠作为分散剂时，其粒度曲线在粒径为0.07～0.002 mm粒组区间同样较为缓直，与未加分散剂时的粒度分析结果相比，黏胶粒组的质量分数增加18%。综合以上结果表明，分散效果由好到差依次为六偏磷酸钠、磷酸三钠、硅酸钠、氢氧化钠。

图1 不同分散剂处理下红土粒度分布曲线Figure 1 Laterite particle size distribution curves under added with different dispersants

表1 粒度组分分析结果Table 1 Granularity composition analysis results

2 土粒度成分分维值计算与分析

大量的研究结果表明,土的粒度成分具有自相似特征，分维数可以作为描述土粒度分布的参数，为工程实践提供一定的理论依据[5-7]。设r表示为土颗粒的直径大小，设N(r)为样品中直径小于r的颗粒数量，根据分形的定义，有等式：

(1)

其中D为分维值，P(r)表示粒径大小为r的分布密度函数。经推导可得:

D=3-b

(2)

根据实际的颗粒分析试验结果，在双对数坐标上将粒径与小于某粒径的累积质量分数关系表示出来，对其进行线性拟合得到拟合直线的斜率b，即可计算出土颗粒得分维值[1, 6-9]。

根据表1所测得得粒度组分分析结果，选取添加不同分散剂最佳分散效果时的质量分数，依据实际测量得出的粒径r以及小于某粒径的质量分数M(r)/M，在双对数坐标上绘制得到两者的分布散点图，根据散点的分布情况进行线性拟合；得出二者的关系曲线(图2—图6)；依据拟合方程，得到各段斜率b，相关系数R2，以及计算出分维值D，结果见表2所示。

表2 不同分散剂处理下红土颗粒分维变化规律Table 2 Laterite particle size fractal variation patterns under added with different dispersants

图2 未加分散剂红土粒度分维曲线Figure 2 Laterite particle size fractal dimension curve under without dispersant added

图3 添加6.0%六偏磷酸钠红土粒度分维曲线Figure 3 Laterite particle size fractal dimension curve under added with 6.0% calgon

图4 添加2.0%磷酸三钠红土粒度分维曲线Figure 4 Laterite particle size fractal dimension curve under added with 2.0% trisodium phosphate

图5 添加3.0%氢氧化钠红土粒度分维曲线Figure 5 Laterite particle size fractal dimension curve under added with 3.0% sodium hydroxide

图6 添加1.5%硅酸钠红土粒度分维曲线Figure 6 Laterite particle size fractal dimension curve under added with 1.5% sodium silicate

由表2可知，不同处理方法下玄武岩散粒红土的分维值在2.448 6～2.895 0，相关系数R2在0.932 2～0.996 6，拟合效果好。由图2—图6可知，玄武岩散粒红土的分维值分为A、B两个区间，其中两区间的转折点为土中粗细颗粒的分界点所对应的粒径为粗细集合体界限粒径；可以看到，不论是否加分散剂在A区间内的玄武岩散粒红土分维值结果都处于2.8上下，这是由于分散剂的作用就是使团粒结构解体，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[3, 8]。而这些连结作用主要反映在较小的粒径区间上(<0.005mm)，分散剂对较大粒径区间的分散作用则不明显。在不同的分散剂作用下，B区间的分维值较未添加分散剂时较大，分维值越大表明分散效果越好；分散效果由好到差依次为6.0%六偏磷酸钠(分维值2.775 7)、2.0%磷酸三钠(分维值2.492 0)、1.5%硅酸钠(分维值2.466 5)、3.0%氢氧化钠(分维值2.461 0)。故使用6.0%的六偏磷酸钠作为分散剂时分维值达到最大值2.775 7；说明使用6.0%六偏磷酸钠的分散效果最好。

3 结论

(1)在未添加分散剂条件下，测得玄武岩散粒红土粉粒组质量分数为63%，黏胶粒组质量分数为34%，土颗粒主要集中在粉粒、黏粒组；表明土体颗粒在自然状态下不断裂化，形成了大量的粉粒，尤其是黏粒组份，使散粒红土主要以粉粒、黏粒粒组形式存在。

(2)玄武岩散粒红土分维值在2.448 6～2.895 0，且分维曲线分为两个不同区间。

(3)通过添加四种不同的分散剂，结果表明在质量分数为6.0%六偏磷酸钠作用下，玄武岩散粒红土达到最佳分散效果，因此可将添加6.0%六偏磷酸钠条件下测得的粒度组分(粉粒组28%，黏粒组15%，胶粒组54%)作为玄武岩散粒红土的特征值。