碳酸鈉污染粘性土可塑性演化機(jī)理研究

張久旭 黃俊杰 胡志林 王勇

摘要：通過室內(nèi)浸泡試驗(yàn)，制備了不同污染濃度的碳酸鈉污染粘性土，并通過液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)試了粘性土的液限、塑限、塑性指數(shù)，探討了粘性土可塑性隨碳酸鈉濃度的變化規(guī)律與機(jī)理。研究表明：隨著碳酸鈉濃度的增大，粘性土的液限、塑限總體上呈增大趨勢(shì)，且增大的趨勢(shì)隨著碳酸鈉濃度的增加逐漸減弱，碳酸鈉污染粘性土的塑性指數(shù)總體上也呈增大趨勢(shì)。主要原因是：隨著溶液的堿性增強(qiáng)，粘性土顆粒表面的負(fù)電荷對(duì)溶液中Na+的吸附強(qiáng)度提高，雙電層厚度增大，導(dǎo)致粘性土的可塑性增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：碳酸鈉污染粘性土；可塑性；演化機(jī)理；雙電層

中圖分類號(hào)：P642.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 緒論

隨著國家建設(shè)的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，污染物質(zhì)在土體中長期遷移，對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響。[1]因此，研究污染土物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)于揭示污染土腐蝕機(jī)理、控制污染物遷移、保護(hù)地質(zhì)環(huán)境具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。本論文通過室內(nèi)浸泡試驗(yàn)，制備了不同污染濃度的碳酸鈉污染粘性土，并通過液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)試了粘性土的液限、塑限、塑性指數(shù)等參數(shù)，探討了粘性土可塑性隨碳酸鈉濃度的變化規(guī)律與機(jī)理。

2 碳酸鈉污染粘性土可塑性實(shí)驗(yàn)研究

2.1 碳酸鈉污染粘性土的制備

室內(nèi)試驗(yàn)采用粘性土作為土源，取自遼寧工程技術(shù)大學(xué)北校區(qū)周邊，取土過程遵循數(shù)量上能夠滿足室內(nèi)試驗(yàn)的需求、雜質(zhì)含量較少的原則。對(duì)土樣進(jìn)行烘干處理，再通過碾壓等手段將其磨碎，并選用1mm的篩子篩選無雜質(zhì)粘性土樣，作為浸泡試驗(yàn)的土源。人工配制0.02mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、015mol/L、0.2mol/L、0.25mol/L、0.3mol/L和0.4mol/L的碳酸鈉溶液，作為浸泡試驗(yàn)的污染源。以去離子水為空白，對(duì)粘性土實(shí)施室內(nèi)浸泡試驗(yàn)，浸泡時(shí)間為7天，制備不同濃度的碳酸鈉污染粘性土。

2.2 碳酸鈉污染粘性土可塑性的測(cè)試

可塑性是粘性土最基本的水理性質(zhì)，主要指標(biāo)為液限、塑限和塑性指數(shù)。粘性土液限、塑限的測(cè)試方法主要有錐式液限儀法、戳條法和液塑限聯(lián)合測(cè)定儀法。[2]本研究采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)試了不同濃度碳酸鈉污染粘性土的液限、塑限、塑性指數(shù)，結(jié)果如下表所示。2.3 碳酸鈉污染粘性土可塑性變化與分析

研究表明：① 液限變化規(guī)律：隨著碳酸鈉濃度的增大，粘性土的液限總體上呈增大趨勢(shì)，且增大的趨勢(shì)隨著碳酸鈉濃度的增加逐漸減弱，碳酸鈉濃度0.25mol/L處出現(xiàn)誤差點(diǎn)；② 塑限變化規(guī)律：碳酸鈉污染粘性土的塑限總體上呈逐漸增大趨勢(shì)，且增大的趨勢(shì)隨著碳酸鈉濃度的增加逐漸減弱，碳酸鈉濃度0.15mol/L處出現(xiàn)誤差點(diǎn)；③ 塑性指數(shù)變化規(guī)律：碳酸鈉污染粘性土的塑性指數(shù)總體上也呈增大趨勢(shì)，碳酸鈉濃度020mol/L、0.25mol/L處出現(xiàn)明顯誤差點(diǎn)，為液、塑限測(cè)定誤差所致。

3 碳酸鈉污染粘性土可塑性演化機(jī)理研究

本研究從粘性土顆粒結(jié)構(gòu)和礦物及化學(xué)成分的角度綜合分析碳酸鈉污染粘性土可塑性的演化機(jī)理。粘性土顆粒表面結(jié)合水膜可以用“雙電層”理論來闡釋，其對(duì)粘性土物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。

碳酸鈉污染粘性土物理力學(xué)性質(zhì)的變化是由于不同污染濃度的溶液改變了粘性土的礦物成分及離子吸附與交換容量，影響粘性土顆粒表面雙電層的厚度，導(dǎo)致了粘性土可塑性的變化。具體表現(xiàn)為：① 碳酸鈉在水溶液中發(fā)生水解反應(yīng)使溶液呈堿性；② 粘性土顆粒表面帶凈負(fù)電荷，對(duì)Na+產(chǎn)生吸附作用；③ 隨著碳酸鈉濃度的增大，消耗掉水解離出來的一部分H+，使得水中H+濃度減小，水的解離程度增大，OH濃度增大，進(jìn)一步增加粘性土顆粒表面負(fù)電荷的數(shù)量，增強(qiáng)對(duì)Na+的吸附作用；④ 粘土礦物基本結(jié)構(gòu)鋁氧八面體中的AlOH鍵是兩性的，在堿性環(huán)境中電離出H+，使粘土礦物表面帶負(fù)電荷，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)Na+的吸附作用；⑤ 游離氧化物中SiO2與Al2O3等在堿性環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)生成軟塑的偏硅酸鹽與偏鋁酸鹽。

綜上所述，隨著CO32濃度的增大，溶液的堿性增強(qiáng)，粘性土顆粒表面的負(fù)電荷對(duì)溶液中Na+和Ca2+的吸附強(qiáng)度提高，雙電層厚度增大，又有軟塑物質(zhì)生成，導(dǎo)致粘性土的液、塑限及塑性指數(shù)均增大，可塑性逐漸增強(qiáng)。

4 結(jié)論

隨著碳酸鈉濃度的增大，粘性土的液限、塑限總體上呈增大趨勢(shì)，且增大的趨勢(shì)隨著碳酸鈉濃度的增加逐漸減弱，碳酸鈉污染粘性土的塑性指數(shù)總體上也呈增大趨勢(shì)。隨著碳酸鈉濃度的提高，溶液的堿性增強(qiáng)，粘性土顆粒表面的負(fù)電荷對(duì)溶液中Na+的吸附強(qiáng)度提高，雙電層厚度增大，是導(dǎo)致粘性土可塑性增強(qiáng)的主要原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]張芹，張啟航，張煜東，等.污染土的研究現(xiàn)狀及其治理[J].土工基礎(chǔ)，2015，29（06）：8385.

[2]牛凱，沈旭.不同規(guī)范下液塑限測(cè)定方法的結(jié)果差異分析[J].中外公路，2017，37（03）：242243.

項(xiàng)目：本論文是在遼寧省教育廳青年項(xiàng)目（LJ2017QL029）和遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710147000284）的資助下完成的，特此感謝