不同分散剂对黄土颗粒分析试验结果的影响

李亚军，张蕊，徐铁铮，李睿豪

（1.陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院,陕西 咸阳 721000；2.西安科技大学化学与化工学院,陕西临潼 710600）

0 前言

土的颗粒大小和各种粒组所占的比例与土的物理力学等工程性质有着一定关系,根据土的颗粒组成,可以大致判定土的透水性、可塑性、收缩、膨胀等性质。土体中粘粒含量的多少更密切影响着其工程特性,随着粘粒含量的增加,土体的透水性下降,在含水率发生变化时容易发生较大的胀缩。《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251-2015）中明确规定均质土坝土料粘粒含量宜为10%～30%,防渗体土料粘粒含量宜为15%～40%[1]。因此,准确测定土体颗粒的组成具有重要的研究意义和实用价值。

测定土体颗粒级配采用筛析法、密度计法、移液管法或联合法,由于黄土的颗粒主要以粉粒为主,所以一般采用适用于粒径小于0.075 mm的密度计法或移液管法,在试验室内多采用密度计法。密度计法是依据斯托克斯（Stokes）原理,即采用密度计测量颗粒在土水悬液中颗粒的沉降速度来反映颗粒粒度的分布。黄土中由于富含有碳酸盐胶结物而具有独特的团聚体结构,为了使土颗粒在土水悬液中充分分散,需要对土粒进行分散处理。目前,我国多采用半分散法,该方法是用煮沸加化学分散剂来进行颗粒分散,这样既能将土粒分散,又不破坏土的原级颗粒及其聚合体[2-4]。近些年来对于红粘土分散剂的研究较多[5-7],黄土分散剂的相关研究较少。本文采用六偏磷酸钠、焦磷酸钠、草酸钠、氢氧化钠、氨水等作为分散剂,研究不同分散剂种类对黄土颗粒分析试验结果的影响,从而确定适宜于黄土颗粒分析的分散剂。

1 试验材料与研究方法

1.1 土样及分散剂

（1）土样

本试验采用陕西省境内的在建和已建成土坝水库所用土料,共20 个水库的22 组土样。

土样物理化学性质指标及定名见表 1。

表1 土样物理化学性质指标及定名

从表1可以看出,22个土样的颗粒相对密度在2.70～2.72之间,液限在25.0%～44.1%之间,塑限在12.8%～20.9%之间,塑性指数在10.5～23.3之间,pH位于7.41～8.31之间,土壤酸碱度属中性偏弱碱性；电导率71.9 μS/cm～327 μS/cm 之间,盐分含量＜1000 μS/cm,不用洗盐。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）,供试土样均属于低液限粘土（CL）。

（2）分散剂

分散剂种类很多,根据土工试验方法标准（GB/T 50123-2019）[8]、公路土工试验规程（JTG E40-2007）[9]本次试验选用5种常用分散剂。分散剂分别是4%六偏磷酸钠（Na6P6O18）、4%焦磷酸钠（ Na4P4O7）、3.4%草酸钠（Na2C2O4）、4%氢氧化钠（NaOH）、25%氨水（NH4OH）。

1.2 研究方法

采用《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）规定的步骤进行[8]。所有试验采用同一支甲种土壤密度计,开始前一次性加入10 mL分散剂,搅拌均匀,1 min往复30次,所有过程尽量一致。试验平行2 次,取平均值作为试验结果。为使试验结果具有可比性,采用《分散性土研究》[10]一书介绍方法,研究了土样在不加分散剂不煮沸的条件下的颗粒级配情况,作为对照试验。

2 结果分析与讨论

2.1 试验结果

土样不同分散剂下粘粒含量试验结果见表 2,土样不同分散剂粘粒含量与粘粒含量均值差统计表见表3。

表2 土样不同分散剂下粘粒含量试验结果

表3 土样不同分散剂粘粒含量与粘粒含量均值差统计表

2.2 结果分析

（1）对于不加分散剂而言,测得土样的粘粒含量很低,与加了分散剂的平均值相比,仅为14.4%～49.2%。如不加分散剂不煮沸的2 号、6 号土样粘粒含量分别为2.4%、6.5%,加入不同分散剂后土壤粘粒含量有明显的增加,分别达到14.8%～18.0%、9.8%～16.6%,是不加分散剂不煮沸的粘粒含量的2倍、7倍。说明本次选用的分散剂对黄土的分散均有较好效果,将大部分可以分散的团粒结构分散成单粒,从而使粉粒和砂粒含量减少,粘粒增加。

（2）5种分散剂对土壤粘粒含量试验结果有明显差异,其中分散效果4%焦磷酸钠＞4% 六偏磷酸钠＞3.4%草酸钠＞4%氢氧化钠＞25%氨水。这说明不同分散剂对土壤的分散效果不同；而就每组土样而言,其差别大小也有所不同,说明粘粒含量测定过程中除了分散剂对测定结果有影响外,土壤中的原级颗粒和团粒结构不同也影响分散效果。

（3）从分散效果来讲,4%焦磷酸钠、4%六偏磷酸钠分散效果最好,3.4%草酸钠次之,25%氨水分散效果最差。从稳定性效果来讲,4%六偏磷酸钠、3.4%草酸钠标准差较小稳定性好,25%氨水、4%焦磷酸钠、4%氢氧化钠标准差较大,分别是4%六偏磷酸钠的1.5、1.7、2.0倍,稳定性较差。

（4）土体的液限与土的颗粒级配、土粒的矿物成分、比表面积、表面电荷等因素有关,一般而言,土体中粘粒含量越大,液限越高。以粘粒含量、液限分别为横坐标、纵坐标做粘粒含量与液限之间关系图,并拟合公式,求出相关系数（见表4）。从表4中可以看出,4%氢氧化钠、3.4%草酸钠的相关系数比较高,均高于粘粒平均值的相关系数；而4%六偏磷酸钠、4%焦磷酸钠、25%氨水的比较低,均低于粘粒平均值的相关系数,说明4%氢氧化钠、3.4%草酸钠测定的粘粒含量与液限之间测相关性较高。

表4 土样不同分散剂粘粒含量与液限之间相关系数

综上所述,本试验5 种分散剂中,从分散效果来看优选焦磷酸钠和六偏磷酸钠,从分散剂表现的稳定性来看优选六偏磷酸钠和草酸钠,从土的物理指标相关关系来看,选择氢氧化钠、草酸钠。但是由于氢氧化钠溶液与空气中的二氧化碳发生反应,会影响土水悬液中分散剂的浓度与分散效果。经过综合考虑,在测定黄土的颗粒分析试验中,建议分散剂首选六偏磷酸钠。

3 结语

分散剂的选择时应考虑分散剂的种类,以既能达到将土粒分散,又不破坏土的原级颗粒,同时还要防止分散剂本身是否与土壤中的盐分或空气中的二氧化碳发生化学反应。通过对本次试验的分析统计,由于六偏磷酸钠不仅分散效果好,而且稳定性很强,建议黄土颗粒分析试验中分散剂选用六偏磷酸钠。