灼燒溫度對(duì)有機(jī)質(zhì)含量測(cè)試結(jié)果影響研究

程 蕓 楊緯卿 張 偉 李育紅 沈家仁

（云南建投第一勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南昆明 650033）

0 引言

泥炭土是在靜水或類(lèi)靜水環(huán)境中沉積的一種特殊土，多分布于湖沼相盆地、河流沖積平原及部分山間溝谷地段，其中含有的動(dòng)植物殘?bào)w經(jīng)分解后形成有機(jī)質(zhì)?，F(xiàn)行《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021）中按有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土進(jìn)行分類(lèi)：有機(jī)質(zhì)含量10%～60%為泥炭質(zhì)土，有機(jī)質(zhì)含量大于60%為泥炭。工程上常將二者統(tǒng)稱(chēng)為泥炭土，屬特殊性巖土。

昆明滇池沉積有多層泥炭土，工程性質(zhì)差，對(duì)工程建設(shè)極為不利。呂 巖等[1]、谷任國(guó)等[2]、牟春梅等[3]、李 皎[4]先后研究了有機(jī)質(zhì)含量與土體物理力學(xué)參數(shù)之間的特征關(guān)系，表明有機(jī)質(zhì)對(duì)土體的力學(xué)軟化效應(yīng)、滲透性、流變性均有較為明顯的控制作用；對(duì)泥炭土進(jìn)行準(zhǔn)確判定，是研究土體力學(xué)行為和采取合理工程應(yīng)對(duì)措施的前提條件。泥炭土判定的關(guān)鍵指標(biāo)是土體中有機(jī)質(zhì)的含量，如何準(zhǔn)確測(cè)定土體中有機(jī)質(zhì)含量尤為重要。

據(jù)相關(guān)研究總結(jié)[5-6]，有機(jī)質(zhì)含量測(cè)試常見(jiàn)方法從原理上可以分為兩大類(lèi)：①化學(xué)分析法，最常用的是重鉻酸鉀容量法，而水合熱法、比色法、自動(dòng)電位滴定法、微波測(cè)定法等主要從樣品的消解方式、氧化劑的改進(jìn)以及滴定終點(diǎn)的判定等方面進(jìn)行改進(jìn)。②灼燒法，該方法采用高溫灼燒來(lái)分解土壤中有機(jī)質(zhì)，有灼失量法和TOC 分析儀法。不同測(cè)試方法的適用范圍及其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。從表1可以看出，灼失量法適用范圍最廣，且是工程建設(shè)行業(yè)的主流測(cè)試方法，但對(duì)灼燒溫度的規(guī)定并不統(tǒng)一。

表1 有機(jī)質(zhì)測(cè)試常見(jiàn)方法對(duì)比表

孔祥斌等[7]、錢(qián) 寶等[5]、朱廣偉等[8]、樓希華等[9]分別針對(duì)深圳、南京秦淮河沿岸、寧波等地區(qū)的有機(jī)類(lèi)土采取不同方法測(cè)試其有機(jī)質(zhì)含量，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和方法的適用性。但以上研究對(duì)象有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低（僅為0.94%～28.24%），且相當(dāng)部分是有機(jī)質(zhì)含量小于5%的無(wú)機(jī)土，指導(dǎo)意義值得商榷，尤其是針對(duì)類(lèi)似滇池地區(qū)高有機(jī)質(zhì)含量的泥炭土而言，參考價(jià)值不大。

1 研究思路

基于上述分析，采用灼失量法進(jìn)行泥炭土中有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)試是合適的，但灼燒溫度的控制范圍值得進(jìn)一步研究；同時(shí)為便于工程使用及比對(duì)，控制相同的灼燒溫度十分必要。本文將圍繞灼燒溫度展開(kāi)相應(yīng)研究工作。

從滇池周邊某項(xiàng)目基坑施工現(xiàn)場(chǎng)選取8 組泥炭土樣（每組兩件試樣平行測(cè)定，試樣編號(hào)為1-16），采用灼失量法進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量測(cè)試，灼燒溫度采用序列：75℃、85℃、105℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、550℃、650℃、950℃，分析不同灼燒溫度下灼失量變化規(guī)律。同時(shí)輔以比重試驗(yàn)和顏色對(duì)比，從多角度來(lái)探討不同灼燒溫度下泥炭土內(nèi)部水分、有機(jī)質(zhì)、礦物的損失、分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，提出合理的灼燒溫度建議，對(duì)開(kāi)展同類(lèi)土有機(jī)質(zhì)含量測(cè)試有一定指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)方法與過(guò)程

2.1 樣品制備

本次研究中，每件土樣取天然含水量狀態(tài)下代表性試樣約 100 g，去除粗的樹(shù)皮草根，自然風(fēng)干后置于橡皮板上用木槌碾散，通過(guò)孔徑0.15 mm 的篩（見(jiàn)圖1）。取篩下代表性試樣約20 g，與干凈的瓷坩堝一起，放入烘箱在溫度65℃～70℃烘至恒量，置于干燥器內(nèi)冷卻后備用。

圖1 滇池泥炭土試樣

2.2 灼失量法試驗(yàn)過(guò)程

（1）稱(chēng)量瓷坩堝質(zhì)量，稱(chēng)取試樣3.000～5.000 g，放入瓷坩堝中，置于高溫爐內(nèi)。在設(shè)定的第一個(gè)溫度下灼燒12 h 至恒量后，置于干燥器內(nèi)，冷卻至室溫，稱(chēng)其質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.001 g。

（2）將裝有試樣的瓷坩堝再次放入高溫爐中，在下一個(gè)溫度下灼燒12 h 至恒量，冷卻至室溫并稱(chēng)量。重復(fù)上述操作，直至灼燒至950℃。

（3）灼燒溫度序列按75℃、85℃、105℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、550℃、650℃、950℃選用。

2.3 灼失量的計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按式（1）計(jì)算灼失量

式中：Wu為灼失量，%；mf為在溫度65～70℃烘干后坩堝加土的質(zhì)量，g；me為在不同溫度下灼燒后坩堝加土的質(zhì)量，g；my為坩堝質(zhì)量，g。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同溫度下灼燒至恒量所測(cè)定的灼失量見(jiàn)表2；以灼燒溫度T為橫坐標(biāo)，灼失量Wu為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖2）。從圖表可看出：隨著溫度升高，灼失量的變化可以劃分為四個(gè)階段。

圖2 Wu-T 關(guān)系曲線

表2 不同灼燒溫度下所測(cè)得灼失量

第一階段：灼燒溫度65～105℃區(qū)間為“基本不變階段”。本階段灼失量較小且變化不大，灼燒損失主要為土體內(nèi)部殘余的少量水分，有機(jī)質(zhì)基本未分解。

第二階段：灼燒溫度105～250℃區(qū)間為“急速增長(zhǎng)階段”。本階段灼失量大幅增加，處于陡增狀態(tài)，是整個(gè)曲線中灼失量增長(zhǎng)速率最大部分，表明土體內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)開(kāi)始大量分解。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，250℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)灼燒分解程度達(dá)到75.3%～84.7%（以550℃測(cè)試結(jié)果作為土樣有機(jī)質(zhì)最終含量計(jì)算，以下同），平均達(dá)79%。

第三階段：灼燒溫度250～550℃區(qū)間為“緩慢增長(zhǎng)階段”。本階段灼失量增長(zhǎng)速度趨于平緩。其中，前期（250～400℃），完成本階段增幅的84%，有機(jī)質(zhì)灼燒分解程度達(dá)到96.7%；后期（400～550℃），灼失量增長(zhǎng)速率更慢，增長(zhǎng)幅度絕對(duì)值均值為1.7%。

第四階段：灼燒溫度550～950℃區(qū)間為“基本穩(wěn)定階段”。本階段灼失量基本不再變化，灼失量增長(zhǎng)幅度絕對(duì)值均值為1.3%。

由于土粒比重與土顆粒的大小、礦物成分密切相關(guān)，本次研究中同時(shí)進(jìn)行了泥炭土試樣的比重試驗(yàn)，以便進(jìn)一步研究不同灼燒溫度下泥炭土有機(jī)質(zhì)及礦物分解情況。比重試驗(yàn)共選取代表性試樣6 件，編號(hào)為1-6，依次在65℃、105℃、250℃、400℃、950℃溫度下灼燒至恒重后，按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123）進(jìn)行比重試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，不同溫度灼燒后的顏色變化見(jiàn)圖3。

從表3及圖3可看出，隨著灼燒溫度的升高，比重逐漸增大至穩(wěn)定。在250℃溫度時(shí)灼燒后，泥炭土仍為典型的黑色，表明有機(jī)質(zhì)仍未灼燒充分；400℃時(shí)呈深灰色，比重也已達(dá)到2.69（平均值），接近常規(guī)湖相沉積的黏性土的顏色狀態(tài)和比重經(jīng)驗(yàn)值（2.70～2.72）；550℃時(shí)呈褐色，比重平均值達(dá)2.74；950℃時(shí)，比重達(dá)到2.77，且土樣顏色全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇u紅色，明顯發(fā)生了礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。通過(guò)顏色變化一方面反映了有機(jī)質(zhì)分解損失的過(guò)程，另一方面體現(xiàn)了黏土礦物在高溫灼燒下礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

圖3 不同溫度灼燒后泥炭土狀態(tài)

表3 在不同溫度灼燒后土樣比重

4 灼燒溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響分析

4.1 不同行業(yè)規(guī)程對(duì)灼燒溫度的規(guī)定

現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（GB/T 50123）中有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定未列入灼失量法，而鐵路、公路、冶金等行業(yè)土工試驗(yàn)規(guī)程中均列入了灼失量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量的試驗(yàn)方法；但對(duì)灼燒溫度的規(guī)定不統(tǒng)一，如表4所示。另外，美國(guó)ASTM 規(guī)范D2974[10]建議測(cè)試有機(jī)質(zhì)時(shí)灼燒溫度采用440±10℃。

表4 不同行業(yè)規(guī)程對(duì)灼失量法灼燒溫度的規(guī)定

4.2 灼燒溫度對(duì)土中礦物成分的影響分析

地殼表層土體中的陽(yáng)離子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+等，這些陽(yáng)離子多以碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽、鹵素鹽、磷酸鹽等形式存在。灼燒溫度的高低，直接關(guān)系到試驗(yàn)過(guò)程中所損失的成分的不同。在高溫灼燒下，土體中的有機(jī)質(zhì)被灼燒分解，同時(shí)也會(huì)伴隨著部分結(jié)晶水、揮發(fā)性鹽類(lèi)的蒸發(fā)、分解。

據(jù)相關(guān)研究表明[11]，土中的強(qiáng)結(jié)合水脫去臨界溫度為210±5℃。礦物中的結(jié)晶水從晶格中溢出溫度約為200～500℃；鎂的碳酸鹽、硫酸鹽開(kāi)始分解溫度約為640～890℃；而鈣的碳酸鹽、硫酸鹽、鹵化物、硅酸鹽等開(kāi)始分解溫度均在800～1000℃以上；相對(duì)來(lái)說(shuō)，銨鹽的分解溫度較低，在200～300℃。因此灼燒溫度越高，灼失量試驗(yàn)結(jié)果所包含的其他的損失越多，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量測(cè)試結(jié)果誤差越大；但如果溫度不夠，又會(huì)存在有機(jī)質(zhì)分解不充分的問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏低。

4.3 合理灼燒溫度建議

結(jié)合現(xiàn)有研究結(jié)論和上述滇池泥炭土試驗(yàn)結(jié)果分析得知：105～250℃是灼失量快速增長(zhǎng)的階段，此階段的灼失量的增長(zhǎng)來(lái)源主要為有機(jī)質(zhì)的大量分解；250～400℃階段為緩慢增長(zhǎng)階段的前期，灼失量的增長(zhǎng)主要來(lái)自于有機(jī)質(zhì)的損失，同時(shí)可能含有極少數(shù)的揮發(fā)性鹽類(lèi)和礦物結(jié)晶水；400～550℃為緩慢增長(zhǎng)階段的后期，灼失量增長(zhǎng)較小，以極少量有機(jī)質(zhì)的損失和揮發(fā)性鹽類(lèi)為主；550～950℃階段，黏土礦物已經(jīng)在高溫下發(fā)生了物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，灼失量的增長(zhǎng)原因應(yīng)不再是有機(jī)質(zhì)。

基于上述原因，滇池泥炭土及同類(lèi)型土采用灼失量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量時(shí)，灼燒溫度取400～550℃為宜。此溫度區(qū)間既可保證有機(jī)質(zhì)的充分分解（400℃分解程度達(dá)到96.7%），又不會(huì)引起其他物質(zhì)產(chǎn)生較大損失，從而影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性?？紤]到與現(xiàn)行規(guī)范的匹配性，實(shí)際工作中可選取550℃的灼燒溫度，灼燒時(shí)間以12 h 為宜。

5 結(jié)語(yǔ)

選取滇池湖相沉積代表性泥炭土，采用灼失量法測(cè)試有機(jī)質(zhì)含量，研究不同灼燒溫度下（65～950℃）灼失量和比重的變化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理，提出滇池泥炭土有機(jī)質(zhì)含量測(cè)試的合理灼燒溫度范圍。研究表明：

（1）灼失量隨溫度的升高逐漸增加，最終達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)灼失量變化曲線，可以明顯劃分為4 個(gè)發(fā)展階段：基本不變、急速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和基本穩(wěn)定階段。

（2）隨著灼燒溫度的升高，土的比重逐漸增大，顏色不斷變化，依次為黑色、深灰色、褐色和磚紅色。通過(guò)比重和顏色變化，反映了有機(jī)質(zhì)分解損失和黏土礦物在高溫灼燒下礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程。

（3）不同灼燒溫度下，灼失量的增長(zhǎng)來(lái)源不同。在105～250℃階段，增長(zhǎng)來(lái)源主要為有機(jī)質(zhì)的大量分解；250～400℃階段為有機(jī)質(zhì)、極少量揮發(fā)性鹽類(lèi)和礦物結(jié)晶水；400～550℃以極少量有機(jī)質(zhì)和揮發(fā)性鹽類(lèi)為主；550～950℃階段，黏土礦物已經(jīng)在高溫下發(fā)生了物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，灼失量的增長(zhǎng)原因不再是有機(jī)質(zhì)。

（4）對(duì)于滇池泥炭土及同類(lèi)型土，采用灼失量法測(cè)試有機(jī)質(zhì)含量時(shí)， 400～550℃為較為合理的灼燒溫度范圍。實(shí)際工作中可選取550℃以與現(xiàn)行規(guī)范相適應(yīng)，灼燒時(shí)間以12 h 為宜。