基于热分解机理的氯盐渍土有机质试验对比分析

李国楠

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 概述

盐渍土的定义是土体中含盐量大于0.3%的土，土体的含盐量是单位土体内含盐质量与土体质量的百分比。当盐渍土中Cl-摩尔数与2倍SO42-摩尔数之比c(cl-)/2c(SO2-4)大于2时为氯盐渍土[1]。氯盐渍土的腐蚀性、溶陷性等均会对工程产生不利影响[2]。

土体中的有机质主要为腐殖质以及微生物新陈代谢的产物：以C、N、H、O等元素为主的有机化合物[3,4]。土体孔隙比随着有机质含量的增加而增加，导致土体压缩性增大、固结性降低、强度降低等，从而影响工程建设[5]。

土体有机质含量测定方法有很多，涉及建筑业、农业、林业等多个行业。如质量法、容量法、比色法、光度法、过氧化氢氧化法等[6]，以及近年来新发展的红外光谱法、核磁共振法及同位素示踪法[7]。本文主要讨论 《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009年版）及 《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）中规定的灼矢量法和重铬酸钾法。

2 有机质试验方法简介

2.1 灼矢量法

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009年版）续表A.0.5要求有机质含量Wu按灼矢量法确定。其原理为通过恒温灼烧土试样，计算灼矢量与干试样质量之比。灼烧温度根据不同要求，其范围为350～1000℃[8]。计算公式如下：

式中：Wu——试样灼矢量（%）；

m1——干试样与容器质量（g）；

m2——灼烧后试样与容器质量（g）；

m3——容器质量（g）。

2.2 重铬酸钾法

重铬酸钾法是在170～180℃高温条件下，过量的重铬酸钾——硫酸（K2Cr2O7—H2SO4）溶液与土试样中的C元素发生氧化还原反应。然后利用硫酸亚铁 （FeSO4）标准溶液滴定反应后剩余的重铬酸钾（K2Cr2O7），从而计算出有机质中的C元素质量，再乘以经验系数1.724，得到土试样中的有机质含量[9]。

式中：O.M.——有机质含量（g·kg-1）；

Vhb8——空白试验中硫酸亚铁（FeSO4）标准滴定溶液的体积的数值（mL）；

Vhb9——硫酸亚铁（FeSO4）标准滴定溶液的体积的数值（mL）；

0.003——1moL硫酸亚铁（FeSO4）所相当的有机质C元素质量（kg）；

1.724——有机C元素换算成有机质的经验系数；

10-3——将g换算成kg的系数。

3 试验结果对比及分析

3.1 有机质含量及氯化盐含量对比分析

本文选取兰州某场地氯化盐含量不同的6组氯盐渍土试样，分别进行灼矢量法及重铬酸钾法测定土试样有机质含量。测定结果见表1：

表1 有机质含量测定结果对比表

6组土试样采用灼矢量法，灼烧前后氯化盐含量结果见表2：

表2 灼烧前后氯化盐含量结果对比表

由表1可知，采用灼矢量法测定的土体有机质含量均高于重铬酸钾法测定的结果。同时根据表2所得，采用灼矢量法灼烧后的土试样氯化盐含量有所降低，其表现为：6组土试样的Cl-含量均出现不同程度的下降现象。表2中灼烧前后Mg2+含量的细微变化是由于试验的系统误差所致，实际含量未发生变化。

结合表1、表2，灼矢量法测定的土体有机质含量高于重铬酸钾法测定的结果，其原因之一是：高温灼烧使得土体中部分氯化盐挥发，灼矢量中既包含有机质，又存在已挥发的氯化盐，导致根据式（1）计算出的有机质含量偏高。

3.2 氯化盐含量对灼矢量法结果影响的规律

图1给出了不同氯化盐含量（Cl-含量）下，灼矢量法与重铬酸钾法测定结果差值的曲线。

图1 氯化盐含量与测定结果差值曲线

由图1可知，随着土体氯化盐含量的增大，两种试验方法测定有机质含量的差值呈增大趋势。

这是因为：高温灼烧氯化盐含量较高的土试样，其灼失的挥发性氯化盐更多，从而导致根据灼矢量计算出的有机质含量更大。最终体现在两种试验方法测定结果的差值更大。

4 基于氯化盐热分解机理分析

灼矢量法在灼失土体中有机质的同时，还灼失部分挥发性盐类及结合水，导致测定的有机质含量偏大[11]。为了进一步探讨土体中氯化盐对灼矢量法测定结果的影响，本文以氯化镁（MgCl2）为例，基于其热分解机理进行分析。

氯化镁（MgCl2）在自然界中，主要以六水氯化镁（MgCl2·6H2O）的形式存在。其在高温灼烧条件下，不同温度段的热分解机理如下[10]：

式（3）、（4）是在 129℃灼烧条件下的反应式，为脱水反应。可以看出，部分结合水被灼失。

式（5）、（6）、（7）是 167～235℃灼烧条件下的反应式，同时进行脱水和水解反应。该温度段，结合水全部灼失，部分Cl-以HCl的形式被灼失。

式（8）是415℃灼烧条件下的反应式，为热分解反应。此温度下，剩余的Cl-以HCl的形式被灼失。

结合式（3）～（8），采用灼矢量法时，随着灼烧温度的逐渐增加：在较低温度，即129℃时，仅发生脱水反应，部分结合水被灼失；在中间温度，即167～235℃时，同时进行脱水和水解反应，结合水全部灼失、部分Cl-灼失；在较高温度，即415℃时，仅剩余的Cl-灼失。

综上可知，土体中氯化盐对灼矢量法测定有机质含量结果的影响，伴随着灼烧全过程。即从灼烧开始的升温阶段到恒温阶段均有影响。同时，对于采用不同温度进行的灼矢量法试验，土体中氯化盐对其有着不同程度的影响，影响规律为：灼烧恒定温度越低，影响越小。

5 结论

1）通过灼矢量法与重铬酸钾法测定结果对比，氯盐渍土采用前者测定的有机质含量较后者的结果偏高；

2）随着土体氯化盐含量的增大，采用灼矢量法测定氯盐渍土有机质含量的正误差呈增大趋势；

3）土体中氯化盐对灼矢量法测定有机质含量产生影响，该影响伴随着灼烧升温阶段至恒温阶段的全过程；

4）随着灼矢量法的灼烧恒定温度降低，土体中氯化盐对其测定结果的影响也逐渐减弱。