氯化钠溶液对膨胀土膨胀特性的影响

于海浩,马慧龙,雷 杰

(桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室,桂林 541004)

颗粒表面带电性使得黏土颗粒在微观层次存在复杂的作用,在颗粒与颗粒、颗粒与孔隙溶液之间存在多种物理化学作用力,如范德华力、扩散双电层排斥力、电子力等。当黏土孔隙中的化学环境改变后,颗粒与颗粒之间在微观上保持的平衡被打破,形成环境荷载。环境荷载指的是土体中溶液浓度、溶质、温度等改变引起的应力变化。而微观上的变化最终表现出的是黏土宏观力学的改变。

朱春鹏等[1]就酸碱污染下黏土的性质进行的试验研究表明:酸浓度的增加,导致土粒比重减小,塑性增大而液限减小,液性指数减小；同时随着酸浓度的增加,酸污染土软化特性愈显著；但是碱浓度的增加并不能引起明显的软化,而是呈现塑性破坏。王洋等[2]发现酸性水溶液使红黏土强度提高,碱性水溶液使红黏土的强度降低。Pillai等[3]通过对在不同浓度NaCl溶液中形成的高龄土样进行研究,高岭土主要形成了凝聚结构和集聚结构,这两种结构的高岭土强度差别很大。Maio等[4]对膨润土进行了抗剪强度试验,当有盐溶液侵蚀土样时,土试样的残余强度增加,这是由于溶液向土试样内部扩散导致的。虽然,对于高岭土和膨胀土受到酸碱溶液或是无机盐溶液侵蚀,土试样的力学性质等均会发生改变,但是却存在着不同机理影响。膨胀土与高岭土的差别在于双电层,由于膨胀土颗粒比表面积极大,表面大量的双电层的存在,而高岭土比表面积相对较小,颗粒表面扩散双电层发育程度不大。于海浩等[5]对不同初始含水率的膨胀土进行氯化钠饱和膨胀试验,发现当只有强结合水存在时,不同浓度氯化钠溶液饱和土样后,土颗粒会吸附水化阳离子,导致膨胀性增加。随着溶液浓度增加,双电层厚度和膨胀力减小,抑制试样的膨胀性。张德恒等[6]对碱激发秸秆灰渣改良膨胀土的性质进行研究,试验表明:由于秸秆灰渣中存在的大量高价阳离子在碱溶液的激发下与土颗粒进行离子交换作用,促进絮凝体的形成,从而减小土体的比表面积,降低土的膨胀性。常锦等[7]研究发现酸性环境作用下,土中游离SiO2、Al2O3等胶体矿物出现不同程度的溶蚀和淋滤,降低叠聚体结构间的联结作用,增大土体膨胀性。马鹏等[8]通过外加电场作用,使羟基铝离子通过吸附作用进入双电层并附着在土颗粒表面,置换出矿物颗粒表面吸附的水化阳离子,使得双电层厚度变小,膨胀性降低。

Von Helmholtz[9]最早提出了胶体中带电表面附近离子分布的理论,之后Gouy[10]和Chapmand[11]对其进行了修正。由于黏土颗粒表面带有负电荷,因此黏土颗粒表面会吸附阳离子和水分子,颗粒表面的阳离子浓度高于距离表面较远位置的浓度,为了保持浓度平衡,颗粒表面的阳离子有挣脱颗粒吸附向远离颗粒表面方向运动的趋势,黏土颗粒这一性质与带电胶体表面离子分布非常类似,学者已经验证了双电层理论在土颗粒中的实用性[12-13]。

可见,在微观尺度,土颗粒与溶液的相互作用,导致了黏土的宏观性质的改变,而传统的有效应力理论只考虑颗粒间的机械作用,忽略了物理化学力的作用。因而在黏土化学力学耦合作用研究中,传统的太沙基有效应力理论受到了限制,为了能够满足实际的需要,许多学者对传统有效应力进行了修正。Sridharan等[14]对太沙基有效应力原理进行修正,认为黏土的有效应力是吸引力和排斥力的函数,随着吸引力与排斥力之差增加而增加。Warkentin等[15]分析了孔隙溶液对黏土强度的影响机理,认为黏聚强度只与颗粒间的斥力有关,所以只有颗粒间的排斥力对有效应力有影响。有些学者则把渗透压差考虑到了有效应力中[16-17],由于颗粒表面带电,导致颗粒表面的可溶盐浓度与孔隙中平衡溶液的浓度不同,形成了渗透压差。影响有效应力的因素不是单一的,是颗粒间的电子力、广义渗透压、扩散双电层作用共同作用,Wei[18]从表面势能出发,理论上推导了考虑物理化学作用的有效应力公式,修正后的有效应力公式能够对黏土的物理化学作用进行很好的预测[19]。

虽然,许多学者已经对膨胀土的化学力学耦合方面进行了大量的研究,但是对化学力的定量试验研究较少,限制了水土化学力学耦合研究的发展,因此有必要进行试验研究,对黏土中产生的化学力进行定量化。

现对3种不同初始含水率的膨胀土进行浸水加载膨胀试验,用不同浓度的氯化钠溶液饱和试样使其膨胀。以此来研究化学力与溶液浓度、孔隙比等的关系。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验用的土样为商用膨润土,其物理性质指标如表1所示。控制膨胀的主要矿物蒙脱石的含量为30.9%,石英含量为29.5%,同时还含有云母、斜发沸石、方英石、方解石、长石等矿物。

表1 土样的物理性质Table 1 Physical properties of clay

1.2 试验方法

试验所用试样为压实样,首先将风干的土样放在烘箱中12 h以上,烘箱温度为105 ℃,土样烘干后按照目标含水率均匀加入蒸馏水调拌土样,土样的目标含水率为分别为6%、13%、24%,将调拌好的土样放置于密封袋中48 h进行闷料,48 h后测量土样的含水率,然后用自制模具进行压样,压实样的目标干密度为1.60 g/cm3。试样直径为61.8 mm,高度为10 mm,试验前将试样置于高度为20 mm的环刀中间位置,使试样在膨胀过程中只有竖直方向膨胀。

加载膨胀试验在常规固结仪上完成,试验步骤:①将制好的环刀试样装入固结盒中；②施加3 kPa的接触压力,记录百分表读数；③将试样的垂直压力,分别逐级加载到目标压力,目标压力为12.5、25、50、100 kPa,记录百分表读数；④向固结盒中加入氯化钠溶液,浓度n0分别为0、0.1、0.5、1.0 mol/L,水位不超过环刀高度,使试样从底部吸水膨胀；⑤待试样接近稳定后,加入蒸馏水淹没过环刀；⑥试样达到最终稳定后,记录百分表读数；⑦绘制饱和孔隙比与垂直压力关。

2 试验结果及分析

2.1 加载膨胀试验结果分析

图1所示为加载膨胀试验的结果,不同初始含水率w0试样,用不同浓度盐溶液饱和后的孔隙比e与垂直压力σv的关系,从图1(a)中可以看出,初始含水率w0=6.3%试样,在孔隙比与垂直压力的半对数坐标中,饱和孔隙比与垂直压力为线性关系,而在同垂直压力下,用盐溶液饱和试样的饱和孔隙比相对于用蒸馏水饱和的饱和孔隙要稍微小一些,但是不是很明显。同样,初始含水率w0为12.3%和24.7%试样的饱和孔隙比与垂直压力均为线性关系,如图1(b)、图1(c)所示。但是,在同一垂直压力下,用盐溶液饱和后的饱和孔隙比明显小于用蒸馏水饱和后试样的饱和孔隙比,与初始含水率w0=6.3%试样相比,盐溶液对初始含水率w0为12.3%、24.7%试样影响明显强烈,并且对初始含水率w0=24.7%试样的影响比对初始含水率w0=12.3%试样强烈,也就是随着初始含水率的增加,试样的受到盐溶液影响程度增加。

图1 试样饱和孔隙比与垂直压力关系Fig.1 Relationship between saturated void ratio and vertical stress

土样与固结仪组成的系统中,土样孔隙中的溶液与固结盒中的溶液保持热动力平衡,可简化为图2的热动力学系统,在该热力学系统中,氯化钠溶液能够自由的移动,而颗粒表面带有的电荷则不能移动,因此在图2中氯化钠溶液能够自由穿越半透膜,而电荷pk-则不能穿过半透膜。由于电荷pk-的存在,导致了该热动力学系统左右两边的渗透压不相等,这个差值为Donnan渗透压,此时试样的颗粒间应力张量为[18]

图2 固结仪与试样组成的理想化热动力学系统Fig.2 Idealized thermodynamics system constituted by consolidometer and specimen

(1)

(2)

式(2)中：Ωl为与孔隙溶液无关的量；∏D为孔隙溶液浓度的函数；∏为渗透压。图3所示为计算出的∏D与孔隙溶液浓度、颗粒表面单位体积固定电荷数的关系[19],cfix为固定电荷数。从图3中可以看出,当颗粒表面单位体积固定电荷数不变时,∏D随着溶液浓度的增加而降低,而当浓度一定时,颗粒表面单位固定电荷数越大,∏D也越大。也就是说,当孔隙溶液浓度增加时,膨胀力会随之降低,因此在一定垂直压力下,试样的饱和孔隙比会降低,如图1中在同一垂直压力下,随着盐溶液浓度的增加,试样的饱和孔隙比降低。

图3 渗透压与溶液浓度变化规律Fig.3 Change of ΠD versus n0

2.2 氯化钠对膨胀土影响定量化

图4所示为饱和孔隙比和垂直压力关系示意图。在垂直压力P1下,当试样的饱和溶液为蒸馏水时,此时饱和孔隙比为e1,而饱和试样的溶液为盐溶液时,同样在垂直压力P1下,试样的饱和孔隙比只能达到e2,显然e1>e2。而如果饱和试样的溶液为蒸馏水,饱和孔隙比达到e2所需的垂直压力应该为P2,P2要大于P1,而P2与P1的差值即为由于盐溶液产生的化学力Pc。因此,可以以用蒸馏水饱和试样的饱和孔隙比与垂直压力关系为基础,将盐溶液饱和后试样的孔隙比投射到其关系直线上,算出需要的压力,然后再减去该试样实际施加的垂直压力,得到化学力Pc,需要指出的是,Pc因为是通过蒸馏水饱和后试样作为参考而求出的,因此,Pc是相对量,而不是绝对的量。

图4 饱和孔隙比与垂直压力关系Fig.4 Relationship between saturated void ratio and vertical

图5所示为通过上述方法计算出的化学力Pc与所用饱和盐溶液浓度n0的关系,在图5(a)中,不同浓度溶液中,初始含水率6.3%试样的化学力没有表现出一致的规律性,垂直压力为12.5、25 kPa时,各浓度溶液产生的化学力很接近,垂直压力为50 kPa时,随着溶液浓度增加,Pc略微减小,而当垂直压力为100 kPa时,随着溶液浓度增加,Pc先稍微增大,而又稍微减小。但是在同一饱和浓度下,垂直压力越大,产生的Pc越大。

图5 饱和溶液浓度与化学力Pc关系Fig.5 Relationship between solution concentration and chemical force

初始含水率增加到12.3%时,试验结果与初始含水率6.3%结果有了明显区别,如图5(b)所示。在同一垂直压力下,Pc随着饱和溶液浓度增加而降低,同样在同一饱和浓度下,垂直压力越大,Pc越大。而在较低压力12.5 kPa下,Pc随饱和溶液浓度的变化幅度较小。同样初始含水率24.7%试样所表现出的规律与初始含水率12.3%试样相同,如图5(c)所示。

图6所示为饱和孔隙比与Pc关系,从图6中可以看出,孔隙比对Pc影响非常明显,在图6(a)中,初始含水率6.3%试样,用同一溶液饱和试样的Pc,随着孔隙比增加迅速降低,初始含水率12.3%和24.7%试样也为同样的结果。

图6 饱和孔隙比与化学力关系Fig.6 Relationship between saturated void ratio and chemical force

从图7可以看出,在同一垂直压力下,用同一溶液饱和试样的Pc,初始含水率越大,Pc越大。并且,初始含水率6.3%试样和12.3%试样的Pc较为接近,初始含水率24.7%试样Pc明显大于初始含水率6.3%和12.3%的。

图7 饱和溶液浓度与化学力关系Fig.7 Relationship between solution concentration and chemical force

总结上述结果,试样的初始含水率、饱和溶液浓度、孔隙比和垂直压力都对Pc有影响,初始含水率增加Pc增大,饱和溶液浓度增加Pc增大,孔隙比增加Pc减小,垂直压力增加Pc增大。但是,初始含水率增加,试样的饱和孔隙比减小,垂直压力增加,试样的饱和孔隙比减小,因此,初始含水率和垂直压力对Pc的影响本质上是孔隙比对Pc的影响。所以,Pc大小与饱和溶液浓度及孔隙比有关,以Pc、溶液浓度、孔隙比为3个轴,即z、x、y,建立Pc、溶液浓度、孔隙比关系,如图8所示,对其进行拟合,结果如式(3)所示,拟合度为98.5%。

图8 Pc与溶液浓度和孔隙比关系Fig.8 Relationship among Pc,solution concentration and void ratio

z=-z0+Be-e(-c-x)/D-Ee-e(F-y)/G+He-e(C-x)/D)-e(F-y)/G

(3)

式(3)中参数数值如表2所示。

表2 拟合参数Table 2 Fitting parameters

3 结论

对不同初始含水率的膨胀土压实样进行一系列不同浓度盐溶液饱和的加载试验,得到以下结论。

(1)同一垂直压力下,试样的饱和孔隙比随着盐溶液浓度增加而减小；用不同浓度饱和后试样的饱和孔隙与垂直压力在半对数坐标中呈线性关系。

(2)试样的初始含水率、孔隙比、饱和溶液浓度、垂直压力均会对化学力产生影响。而初始含水率和垂直压力与试样的孔隙不是独立,因此影响化学力的主要因素为饱和溶液的浓度和试样的孔隙比。