NaCl溶液對紅黏土持水特性的影響研究

摘要：文章以紅黏土為研究對象，通過壓力板法開展不同濃度NaCl溶液條件下的紅黏土重塑壓實(shí)樣的持水特性研究。結(jié)果表明：隨著溶液濃度的增加，紅黏土試樣的進(jìn)氣值逐漸增加，持水能力不斷增強(qiáng)；采用三種不同的持水模型對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合對比，F(xiàn)redlund-Xing模型的擬合效果最佳；通過核磁共振試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)從宏觀及微觀角度，研究NaCl溶液影響下孔隙結(jié)構(gòu)和土體顆粒排列結(jié)構(gòu)對于紅黏土持水特性的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)隨著NaCl溶液濃度的提高，紅黏土小孔隙結(jié)構(gòu)不斷增加，紅黏土的粒團(tuán)結(jié)構(gòu)向絮凝結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變使土體更加致密均勻，進(jìn)而增強(qiáng)土體的持水能力。

關(guān)鍵詞：紅黏土；NaCl溶液；持水特性；核磁曲線；掃描電鏡

中圖分類號：U416.03A020054

0 引言

紅黏土作為常見的地基土壤，其工程特征對基礎(chǔ)建設(shè)的安全、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。隨著工業(yè)和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，環(huán)境問題凸顯，生活垃圾和工業(yè)廢料不斷增加，對巖土環(huán)境造成嚴(yán)重影響［1-2］。這些廢棄物含各種金屬離子，滲透至土體內(nèi)會顯著影響土體的物理力學(xué)特性，因此深入研究金屬離子侵入土體的機(jī)理對理解土體性能變化至關(guān)重要［3-5］。

由于紅黏土地區(qū)大多為高溫濕熱地區(qū)，常受到季風(fēng)的影響，季風(fēng)帶來的風(fēng)向交替和降水季節(jié)性變化影響了土壤的水分狀況，土體的持水特性對于土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響尤為關(guān)鍵。土體的持水特性主要通過土水特征曲線來表征，其是用于描述非飽和土含水量和土吸力之間本構(gòu)關(guān)系的函數(shù)曲線。目前對于土體持水特性的研究中，相關(guān)學(xué)者著重考慮初始干密度和孔徑分布對土體持水特性的影響，并對得到的土水特征曲線進(jìn)行函數(shù)擬合［6-7］。劉奉銀等［8］研究不同干密度和不同干濕循環(huán)次數(shù)下黃土的土水特征曲線，得到黃土土水特征曲線的滯回特性規(guī)律。趙天宇等［9］也研究了不同干濕循環(huán)狀態(tài)和干密度下黃土的土水特征曲線，得到黃土的進(jìn)氣值與殘余含水率等土水特征參數(shù)，從掃描電鏡上研究了黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征，宏觀上統(tǒng)計(jì)孔隙結(jié)構(gòu)的變化情況，分析干密度和干濕循環(huán)對土水特征曲線的影響。孫德安等［10］通過壓力板法和濾紙法開展不同含鹽量鹽漬土的土水特征曲線測量，研究土中含鹽量對鹽漬土的持水特性規(guī)律。但是，目前對于鹽對土水特性的影響方面研究資料較少，特別是對于紅黏土持水特性的研究仍然欠缺，需要進(jìn)一步研究。

因此，本文采用壓力板法測量不同濃度NaCl溶液條件下紅黏土的持水特性，明確NaCl溶液濃度大小對紅黏土持水特性的影響規(guī)律，并根據(jù)現(xiàn)有的三種常用的土水特征曲線模型對本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合對比。最后通過核磁共振試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)，從宏觀及微觀角度分析討論孔隙結(jié)構(gòu)和土體顆粒接觸模式對于紅黏土持水特性的影響機(jī)理，為巖土工程領(lǐng)域的進(jìn)一步探索和實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 紅黏土的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自廣西桂林市某工地，取土深度為2.5～3.5 m。紅黏土粒徑級配設(shè)計(jì)為：＜0.005 mm的黏粒占比為61.27%，0.075～0.005 mm的粉粒土占比為29.70%，紅黏土中主要以粉土和黏土為主。由表1可知，紅黏土的液限為65.8%，塑性指數(shù)為37.6%，比表面積為162.4 m2/g。由X衍射分析法分析礦物成分可知，紅黏土的主要礦物成分為高嶺石（占比為56.33%），其次為三水鋁石（占比16.28%），而最為典型的礦物成分是針鐵礦（占比14.28%）。

1.2 試驗(yàn)方案

本文開展不同濃度NaCl溶液影響下的紅黏土土水特征曲線研究，為了保證試樣中的孔隙水為對應(yīng)的鹽溶液，采用含水率為0的烘干散土壓制重塑土樣，土樣飽和后采用壓力板法測量土水特征曲線，具體的試驗(yàn)方法如下：

（1）試樣制備：風(fēng)干紅黏土過2 mm篩，然后在105 ℃烘箱中烘干至含水率為0，通過靜力壓實(shí)法壓制干密度為1.45 g/cm3、直徑為61.8 mm、高40 mm的環(huán)刀試樣。配置濃度為0 mol/L、0.01 mol/L、0.1 mol/L、0.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液，用配置好的不同濃度的NaCl溶液對紅黏土壓實(shí)樣進(jìn)行抽真空飽和，飽和24 h以上備用。

（2）壓力板法試驗(yàn)：壓力板法是通過軸平移技術(shù)，利用陶土板來測量負(fù)孔隙水壓力，得到土體的基質(zhì)吸力如式（1）所示。本文采用美國Soilmoisture公司生產(chǎn)的15bar壓力板儀，壓力板儀主要由密閉的壓力室、陶土板、氣源、排水管等組成，如圖1所示。壓力板法的試驗(yàn)過程為，將飽和土樣稱重后，緊貼放置在飽和后的陶土板上，蓋緊壓力板壓力室保證密封后，開始逐級施加氣壓，加壓的等級為10 kPa、20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa、120 kPa、150 kPa、200 kPa、300 kPa、500 kPa、950 kPa、1 300 kPa，各級氣壓之間試樣質(zhì)量變化＜0.01 g時(shí)判定為穩(wěn)定，記錄每一級試樣質(zhì)量并通過游標(biāo)卡尺測量土體的體變，然后施加下一級氣壓直至結(jié)束，土水特征曲線測量過程中室溫保持在20 ℃。

s=ua-uw（1）

式中：s——基質(zhì)吸力；

ua——?dú)鈮海?/p>

uw——孔隙水壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖2是NaCl溶液影響下的紅黏土土水特征曲線。由圖2可知，純水溶液試樣的持水能力最低，隨著溶液濃度的提高，試樣的持水能力逐漸提高，即相同基質(zhì)吸力條件下，試樣具有更高的含水率。非飽和土的進(jìn)氣值也隨著溶液濃度的提高而不斷提高，進(jìn)氣值是指引起土體內(nèi)部最大孔隙減飽和所必需的水、氣壓力差，當(dāng)吸力達(dá)到進(jìn)氣值時(shí)土體才會開始排水。由圖2（c）可知，隨著NaCl溶液濃度的提高，進(jìn)氣值分別為9 kPa、21 kPa、28 kPa、39.0 kPa、76.0 kPa。

2.2 分析與討論

根據(jù)目前常用的土水特征曲線模型對NaCl溶液影響下的紅黏土土水特征曲線進(jìn)行擬合對比，再從核磁共振曲線和掃描電鏡等對NaCl溶液對紅黏土土水特征曲線的影響機(jī)理進(jìn)行分析討論。

（1）模型擬合：為了更好地將試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用到數(shù)值計(jì)算中，將對鹽溶液影響下的紅黏土土水特征曲線進(jìn)行擬合。目前土水特征曲線中比較常用的三個(gè)模型為Van Genuchten（VG）模型、Fredlund-Xing（FX[JP+1]）模型和Brooks-Corey（BC）模型，具體的表達(dá)式如式（2）～（4）所示。本文將采用上述三個(gè)模型將鹽溶液影響下的紅黏土土水特征曲線在Origin軟件中使用最小二乘法進(jìn)行擬合，具體的擬合參數(shù)結(jié)果如表2所示。

圖3是VG模型、FX模型和BC模型三種土水特征曲線模型的擬合結(jié)果，三種模型都具有較好的模擬結(jié)果，模擬度R2都在0.90以上。BC模型擬合得到的進(jìn)氣值分別為10 kPa、20.7 kPa、30 kPa、37 kPa、73 kPa，這與試驗(yàn)得到進(jìn)氣值基本相同。VG模型和BC模型在溶液濃度較低時(shí)的擬合精度沒有FX模型的好。特別是在純水溶液中，VG模型的擬合度為0.90，而BC模型的擬合度為0.95，擬合精度最優(yōu)的是FX模型，均在0.99以上。因此，工程數(shù)值計(jì)算應(yīng)用中，NaCl溶液影響下的紅黏土土水特征曲線選擇FX模型為最佳。

（2）核磁共振曲線：紅黏土中的針鐵礦等膠結(jié)物使土體顆粒連接在一起，譚羅榮等［11］提出的紅黏土聚集體概念與概化微觀結(jié)構(gòu)模型“粒團(tuán)”，如圖4所示?！傲F(tuán)”具有不同的結(jié)構(gòu)層次，圖中的黑色區(qū)域表示凝膠狀的膠結(jié)物，而長條形狀則代表黏土礦物片狀顆粒。這些基本單元通過膠結(jié)物質(zhì)的粘聚形成了較大的粒團(tuán)。這些不同大小的粒團(tuán)再通過膠結(jié)物質(zhì)的聚集形成更大的聚集體，呈現(xiàn)出架空結(jié)構(gòu)，存在很多大孔隙。由圖5核磁共振曲線可知，紅黏土因?yàn)榇嬖诹F(tuán)結(jié)構(gòu)而孔徑結(jié)構(gòu)分布呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，弛豫范圍較小的部分為粒團(tuán)內(nèi)的孔隙分布，弛豫范圍較大的部分為粒團(tuán)之間的孔隙。根據(jù)核磁共振曲線的弛豫時(shí)間分布特征，將T2=10 ms作為粒團(tuán)內(nèi)外孔隙的分界值，即T2lt;10 ms的部分作為粒團(tuán)內(nèi)小孔隙，T2gt;10 ms的部分作為粒團(tuán)間的大孔隙。

由圖5可知，隨著溶液濃度的提高，紅黏土試樣的小孔隙占比不斷提高，大孔隙結(jié)構(gòu)不斷減少。溶液濃度[JP3]c=2.0 mol/L的溶液試樣大孔隙的占比由純水的24.68%降低到1.5%，相對應(yīng)的土體的平均孔徑也明顯降低［12］。根據(jù)Young-Laplace方程，土體孔徑越小基質(zhì)吸力越大，即小孔隙使土體擁有更好的持水能力，因此濃度較高的NaCl溶液試樣擁有更好的持水特性，如式（5）所示。此外，核磁共振結(jié)果也表明，紅黏土的顆粒結(jié)構(gòu)在鹽溶液影響下，粒團(tuán)結(jié)構(gòu)的土體顆粒接觸模式變化為另一種土體顆粒接觸模式的聚集體。

s=4Tcosθw/d（5）

式中：s——基質(zhì)吸力；

T——孔隙水彎液面的表面張力；

θw——彎液面氣-液界面的接觸角；

d——孔隙直徑。

（3）圖6是不同NaCl溶液濃度下紅黏土的掃描電鏡圖，放大倍數(shù)為2 000倍。純水條件下如圖6（a）所示，片狀的土顆粒構(gòu)成大的粒團(tuán)，粒團(tuán)之間有很多大孔隙，在NaCl溶液加入后，粒團(tuán)顆粒發(fā)生破壞形成新的聚集體而使大孔隙逐漸減少。新形成的聚集體和原來的粒團(tuán)是不一樣的土體顆粒接觸模式，純水情況下的粒團(tuán)結(jié)構(gòu)是由游離氧化鐵等膠結(jié)物將片狀土顆粒連接在一起，在NaCl溶液影響下膠結(jié)物逐漸溶解，粒團(tuán)結(jié)構(gòu)逐漸破壞。紅黏土含有大量的高嶺土，高嶺土的片狀土顆粒在鹽溶液的作用下，其組成單元硅氧四面體和鋁氧八面體分別呈現(xiàn)出正負(fù)電荷，因此高嶺土的片狀土顆粒相互吸引通過邊-面（Edge to Face）結(jié)合形成新的絮凝聚集體。在此過程中，鹽分的加入具有雙重作用，其使擴(kuò)散雙電層被壓縮，從而在一定程度上減小了土體內(nèi)部的孔隙比；鹽分的加入減小了雙電層的排斥力，增強(qiáng)了庫侖力，促使土顆粒從粒團(tuán)破壞后的分散結(jié)構(gòu)向絮凝結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。因此，隨著NaCl溶液濃度的提高，紅黏土形成的絮凝結(jié)構(gòu)更加緊密，孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的大孔隙也越少，絮凝結(jié)構(gòu)的聚集體更加均勻，從而使鹽溶液影響下的紅黏土試樣擁有更好的持水特性。

3 結(jié)語

（1）不同濃度NaCl溶液影響下的紅黏土土水特征曲線結(jié)果表明，純水溶液試樣的持水能力最低，[JP3]隨著溶液濃度的提高，試樣的持水能力逐漸提高，VG模型、FX模型和BC模型三種土-水模型的擬合結(jié)果中，F(xiàn)X模型的模擬結(jié)果最優(yōu)。

（2）核磁共振結(jié)果表明，紅黏土因?yàn)榇嬖诹F(tuán)結(jié)構(gòu)，孔徑分布呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，隨著NaCl溶液濃度的提高，紅黏土試樣的小孔隙占比不斷提高，大孔隙結(jié)構(gòu)不斷減少。根據(jù)Young-Laplace方程，孔徑較小的試樣持水能力更強(qiáng)，因此高濃度溶液的試樣擁有更好的持水能力。

（3）掃描電鏡試驗(yàn)表明，NaCl溶液促使紅黏土顆粒從粒團(tuán)結(jié)構(gòu)向絮凝結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，[JP3]隨著NaCl溶液濃度的提高，紅黏土形成的絮凝結(jié)構(gòu)更多更加緊密，孔隙結(jié)構(gòu)的大孔隙減少而小孔隙增加，使土體擁有更好的持水能力。

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作者簡介：盧有謙（1988—），博士，工程師，主要從事特殊土處置工作。