李国楠
(甘肃省建筑设计研究院有限公司,甘肃 兰州 730030)
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。
《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)。
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。
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。
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。
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。
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。