粘土分散性試驗研究

佟全志

一、前言

分散性粘土在世界各地均有分布，20世紀50年代在澳大利亞首先發(fā)現(xiàn)了分散性粘土，并認識到對水利工程的破壞作用。1949年，美國wister大壩發(fā)生管涌，滲出的水是渾濁的，事故后發(fā)現(xiàn)是由于防滲土料的分散性導致嚴重管涌。70年代我國黑龍江省在興建引嫩工程時遇到沖蝕破壞現(xiàn)象。80年代在南部引嫩工程中土壩和水渠發(fā)生嚴重的管涌破壞，經調查試驗鑒定筑壩土料為分散性粘土。除此之外，黑龍江省北部引嫩工程烏北段75km渠堤的管涌破壞，齊齊哈爾匯東灌區(qū)6支渠堤管涌破壞，黑龍江省富?？h繁榮灌區(qū)引水破壞比均由分散性粘土導致。

分散性粘土（Dispersive Clay）是一種在低含鹽量的水（或純凈水）中由于離子的相互排斥力超過相互吸引力，導致土體顆粒分散的粘性土。大部分分散性土由蒙脫石組成，并且含有大量的鈉離子，具有較低的耐沖蝕性、低的抗剪強度和抗?jié)B性能，較強的收縮潛勢。在低含鹽量的水中，分散性土分散迅速，土顆粒極易被水流帶走，甚至比細砂或粉土更為嚴重，這就為土體滲透和滲透破壞提供了條件，造成工程破壞，隨著水中鹽濃度的增加，分散程度逐漸減小，當鹽濃度達到一定程度時，分散性土就不再分散。工程實踐證明，分散性粘土對水利工程的破壞是嚴重的、迅速的，但只要采取正確，適合的措施，用分散性粘土修筑擋水工程是安全可行的。以往發(fā)生的破壞都是在不了解分散性粘土的性質和沒有采取防治措施的情況下發(fā)生的，對分散性粘土進行鑒定，并采取一定的措施后就能有效的防止分散性粘土的破壞作用，國內外都有成功的經驗，因此用它來筑壩是可以的，本文將介紹分散粘土的各項鑒定試驗方法，以及初步探析土分散性機理。

二、分散性粘土的鑒定試驗方法

（1）針孔試驗：

針孔試驗是模擬在一定的水頭下，土壤的孔隙壁上的顆粒所具有承受一定動能的水流的沖蝕能力，它表示分離顆粒所需的力。這個試驗方法和判斷標準是通過對大量的樣品試驗得到的。針孔試驗直觀地模擬了天然土體中的孔隙在滲透水流作用下所承受的沖蝕條件，具有廣泛的工程顯示意義，被認為是最可靠的鑒定方法，同時也是分散性其它鑒定方法最直接和可靠的驗證。針孔試驗是在特制的針孔裝置中，將土樣按試驗要求壓實到最大干密度，在試樣的中部穿一直徑1.0mm的軸向細孔，然后用蒸餾水進行沖蝕試驗，分別在50mm、180mm、380mm、1020mm水頭下觀察針孔受水流蝕的情況，水流的流量和顏色，然后根據(jù)針孔的變化、水流的流量和顏色來判斷土樣的分散性。土分散性的標準如表2-1所示。

表2-1 針孔試驗評價土分散性的標準

（2）碎塊試驗

碎塊試驗簡便易行，在野外和室內均可快速簡單的操作，而且可以模擬各種含鹽濃度的河水和水庫水，研究含鹽水對分散性土的影響。此試驗方法有良好的再現(xiàn)性。但是，碎塊試驗只是定性的判定，不能給予定量的數(shù)據(jù)，而且在判定時需要豐富的經驗。

方法為將原狀土樣或變塑土樣放置在浸入靜止的蒸餾水的燒杯中，使其自然水化崩解。10min中內觀察試樣狀況，碎塊試驗的評價標準見表2-2。

碎塊試驗是從膠體化學的基本觀點出發(fā)的，認為某些粘土在此中產生分散的原因是膠體顆粒析出，因而采用膠體析出的程度不同作為判別標準。土壤膠體是指顆粒直徑小于0.001mm或0.002mm的土壤微粒。土壤膠體在一定條件下可以分散在介質中，呈溶膠狀態(tài)；有時可以相互凝聚，呈凝膠狀態(tài)，這種凝聚一般是在陽離子的作用下產生的。但不同陽離子的凝聚能力不同，凝聚作用對土壤結構的形成極為重要，從膠體化學的基本觀點出發(fā)，采用膠體析出得程度不同作為判別標準。

表2-2 碎塊試驗的評價標準

等級劃分 類別 浸水后特征

等級1 非分散性粘土 沒有反應。土粒崩解，水解和擴散散，但在水中沒有由于膠粒懸液而出現(xiàn)在渾濁或稍渾濁后很快又變清。所有土粒在1h內均保持原狀。

等級2 過度性粘土 輕微反應。在土崩解得表面附近或周圍有輕微的肉眼可見的膠粒懸液產生渾濁水。如果“云霧狀”明顯，則劃分為第3等級；如果“云霧狀”不明顯，則劃分為第1等級。

等級3 分散性粘土 中等反應。在土粒周圍或表面可以明顯地看到粘粒懸液的產生的云霧狀。云霧狀離土塊在杯底擴散10mm左右。

等級4 高分散性粘土 嚴重反應。在整個杯底大量的濃粘粒懸液呈云霧狀出現(xiàn)。有時，由于土粒的分散而無法看到原來土塊的表面。通常，在燒杯的各個方向均可容易的看見土粒膠粒懸液。

（3）雙比重計試驗

雙比重計試驗使用于塑性指數(shù)大于4和粘粒含量大于12%的土。它是考慮到分散性粘土在水中粘粒部分極易分散而被水流帶走，而通常普通的粘性土往往呈團粒結構，遇水不易分解成單個粘粒，因而在試驗過程中除煮沸外，同時還要施加化學分散劑進行分散。

雙比重計試驗也叫SCS法（即美國水土保持局推薦使用的），是用不加分散劑和常規(guī)加分散劑的兩種方法測定土中小于0.005mm顆粒含量的。

1、按常規(guī)煮沸，加分散劑用攪拌器攪拌1min，計算粘粒（小于0.005mm）百分含量；

2、試樣不經煮沸，不加分散劑，在負的1個大氣壓下保持10min脫氣，不用攪拌器攪拌，密封量筒口，用反復倒轉量筒30次的方法代替攪拌法，計算粘粒（小于0.005mm）百分含量。

以上兩種方法一定不要烘干試樣，需要風干時，風干后試樣的含小率不得低于塑限含小率，計算分散度：

分散度(%)=不加分散劑時粘粒含量/加分散劑時粘粒含量×100

目前分散度判別尚無統(tǒng)一標準，一般認為分散度小于30%時非分散性土、分散性大于50%時為分散性土，在30%—50%之間的為過渡性土。

（4）交換性鈉離子百分含量（ESP）的測定

土壤具有吸附溶液中陽離子的能力，當土壤用一種鹽溶液（例如：醋酸銨）淋洗時，可以同時釋放出等量的其它陽離子如（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）等。它們稱為交換性陽離子。土壤交換性能是土壤膠體的屬性。此方法用來鑒定分散性粘土時，方法為取100g干土，測出其中的陽離子交換總量（CEC）和交換性鈉離子含量，根據(jù)式（2-1）求出交換性鈉百分比。

ESP=Na/CEC%.............................................(2-1)

CEC用常規(guī)醋酸銨法測定，交換鈉離子含量測定是先用50℃的50%的酒精溶液淋濕樣品，然后用PH=9的醋酸銨——氧化銨溶液淋濕，淋濕液在電熱板上蒸干以分解破壞醋酸銨，再用1:3鹽酸溶解燒杯內的殘渣，并定容在50mm量瓶中，其后在原子吸收光譜上測定換性鈉容量。根據(jù)美國與澳大利亞試驗，當ESP=7~10，土料屬中等分散性土；ESP≥ 15，為有嚴重管涌可能的分散性土。

三、分散性粘土分散機理探究

土是一種復雜的分散劑，其中大大小小的固相顆粒均直接或通過液相間接地聯(lián)結在一起，在水中分散的實質是土粒間的連接在水的作用下破壞的過程，也是土粒間斥力超過吸引力，使得相互排斥作用占優(yōu)勢的結果。土的分散性機理非常復雜，分散過程與土、水間的物理化學特征性有關，并促使土粒表面勢能增高的各種因素的控制。

（1）土的酸堿性因素

土的酸堿程度對土的分散性的影響是通過改變土粒表面的所變電荷來實現(xiàn)的。土粒表面的所變電荷隨PH值的增高，負電荷量增大，正電荷量減少，亦即土粒凈負電荷量隨PH值增高而加大。所以高PH值有利于土粒表面雙電層的發(fā)育和分散作用。土呈堿性時，土粒表面易于形成擴散雙電層使顆粒超于分散，這種土一般分散較高，塑性較大，遇水易于膨脹，失水易于收縮。我國北方土壤的酸堿度多呈堿性，是由于土壤中有弱酸強堿的水外性鹽類存在，其中最多的時弱酸根碳酸和碳酸氫根。PH對土的分散性影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面：①粘土顆粒表面和邊緣有可能暴露出來的羥基具有分解的趨勢，SiOH→SiO-+H+。它受到PH值的強烈影響，PH值越高，H+進入溶液的趨勢越大，顆粒的有效負電荷就越大。②暴露在粘土礦物邊緣的氧化鋁是兩性的，在高PH值下表現(xiàn)為負電性，在低PH值下表現(xiàn)為正電性，PH值對粘土懸液性狀具有重要的影響，因此，PH值高是土樣分散的原因之一。

（2）粘土礦物的因素

在土的固相成分中，粘土礦物的物理化學性質較活躍，不同種類的粘土礦物其作用的大小是不一樣的，常見的礦物有高嶺石類，伊利石類和蒙脫石類，蒙脫石是2:1型粘土礦物，由兩個硅氧四面體中間夾一鋁氧八面體組成，這時電荷是平衡的。蒙脫石晶體中的元素常發(fā)生置換，由于低價離子置換高價離子使晶胞內產生多余的負電荷，需要吸附陽離子來平衡，吸附 Ca2+的是鈣蒙脫石，吸附Na+的是鈉蒙脫石。蒙脫石吸水后膨脹，其中鈣蒙脫石吸水膨脹到一定程度而停止，這就是膨脹土；鈉蒙脫石繼續(xù)膨脹水化，直至分解成單獨的晶胞，成為分散土。

伊利石類粘土礦物與蒙脫石類粘土礦物一樣也屬于2:1型礦物，在許多方面都是蒙脫石的一種特殊情況，它與蒙脫石的主要差別在于伊利石晶層與晶層之間結合的不是水而是K+或Na+，通常為K+。由于K+多半是聯(lián)結在個晶格的中間，所以伊利石晶層之間的聯(lián)結在各晶格的中間，所以伊利石晶層之間的聯(lián)結比蒙脫石為牢固，伊利石遇水膨脹或失水收縮均不如蒙脫石那樣顯著，伊利石是比較不穩(wěn)定的風化中間產物，是云母向蒙脫石轉化的中間產物。加之伊利石也有同晶置換，產生負電性而吸附陽離子，伊利石大量吸附鈉離子后，也會像鈉蒙脫土那樣具有強分散性。有澳大利亞學者認為“某些伊利土也是高度分散性的”。

另外，易溶鹽含量高，孔隙溶液電解質濃度大，可以壓抑土粒表面的雙電層，土粒間斥力減弱，引力增大，但一旦遭受水的溶濾，土粒間的結構聯(lián)結將發(fā)生破壞，使土的物理力學性質發(fā)生變異，易使土產生分散作用。

可溶解鹽類的總量也是影響粘土分散性管涌的一項原因，該總量越低，對水的溶濾性越強，孔隙溶液中電件質濃度越小，土粒表面雙電層隨之擴展，斥力增大，結構聯(lián)結減弱，土壩的分散性管涌可能性也會有所增加。

四、結語

分散性粘土對于土壩修建某水利工程會產生很大的影響，使用這種土作為能壩或路基材料，往往會同為雨水或滲透作用導致坡面和坡角處產生沖溝和沖蝕孔洞，從而給工程帶來重大損失和安全隱患。所以研究分散性粘土的鑒定顯得非常重要，本文上述分別介紹了各項鑒定方法，其中針孔試驗和碎塊試驗人為因素較多，在今后的試驗中有待遇一步研究。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。