对分散土试验方法和评价标准的几点看法

　　关键字：分散性粘土、规程规范、试验方法、评价标准
　　一、规程中的试验方法和评价标准的简介
　　二、试验方法所代表的物理化学意义
　　三、对试验结果和评价标准的看法
　　分散性粘土从土的工程分类上属粘土类土，具有粘性土的所有特征，又有粘性土所不具备的高分散性和低抗冲蚀性；特别是遇到低矿化度水后，其粘聚力迅速消失，分离成凝絮状物后使水体浑浊，并在极小的流速作用下土颗粒就会被水带走。对该种土的测试、评定和评价，关系到如何采取保护性措施，进而影响工程的技术经济指标。
　　目前国内对分散土的测试方法和评定标准，仅在水利行业的《堤防地质勘察规程》【SL-188-2005】（以下简称堤防规程）和《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》【SL-251-2000】（以下简称建材料规程）中有相应规定，但还沒有相应的试验规程（水利部1999年发布的《土工试验规程》中也没有编入）。目前国内仍沿用从国外引进的规程中的试验方法进行测试1-2，所得参数差异较大甚至有矛盾，据此进行判别分散土的分散性，误差较大。笔者依据实际工作中的体会，拟对判别分散土的试验方法和评价标准中的指标从所代表的物理化学概念及相互之间有关联系上，谈谈我们的看法和使用上的体会，仅供参考。
　　1、试验方式的简介
　　1.1碎屑试验法：
　　碎屑试验方法最简单，可以在室内或野外进行。试验用具主要有烧杯和蒸溜水。将10㎜大小土块放入盛有150ml蒸溜水的烧杯中，观察5～10分钟，看土体侵水后的反应。由试验人员根据肉眼观察判别分散性土类别。《天然建筑材料勘察规程》【SL-251-2000】将分散土分为3级，即为分散性土、过渡型、非分散性土。《堤防工程地质勘察规程》【SL-188-2005】将分散性粘土分为4级。现将二个规范评价判别标准对比列入下表。
　　表1判别标准对比表
　　分散性等别 土块浸水后的反应
　　 建筑材料规程（3级） 提防规程（4级）
　　Ⅰ 无分散胶粒的反应、土块水解后在杯底部以细颗粒状平堆，水色是清的或稍浑浊后很快变清。 没有反应，土块在杯底塌散，没有胶粒使水变浑浊的迹象。
　　Ⅱ 土块水解后，四周有微量混浊水，但扩散范围很小。 微有反应，土块附近水有些浑浊。
　　Ⅲ 土块水解后混浊，土块很快扩散到量杯底部水呈雾状，很久不清。 中等反应，容易鉴别出悬液中的胶体混浊点，通常杯底扩散成细条纹
　　Ⅳ 无此等级。 强烈反应杯底有一薄层胶体沉积，有些土样会使整杯水浑浊
　　从上表中可以看出，堤防规程中，将土的分散性分为4级，而建材料规程分为3级，即分散性土、过渡型和非分散性土，建材规程将提防规范中3级和4级合在一起了，判别标准基本一致。
　　1.2针孔试验
　　针孔试验是在针孔试验仪中将击实的土体穿一直径为1.00㎜的轴向细孔，然后用蒸溜水在不同级别的水头作用下进行渗流试验，观察针孔受水流冲蚀的情况及排出的水量和水的混浊程度，确定土样的分散性，现将评价标准列入下表。
　　表2针孔试验评价土的分散性标准表
　　
　　建筑材料规程 堤防规程
　　类别 水头(mm) 冲蚀时间
　　(min) 最终流量(ml/s) 流出水的浑浊程度 最终孔径(mm) 分散性 水头(mm) 冲蚀时间(min) 最终孔径
　　(mm) 流出水浑浊情况
　　分散性土 50
　　50 5
　　10 1.0～1.4
　　1.0～1.4 浑浊
　　较浑浊 ≥2.0
　　>1.5 高分散 50 10 ≥30 很浑浊
　　      分散 50 10 2.0≤d<3.0 很浑浊
　　过渡型土 50
　　180
　　380 10
　　5
　　5 0.8～1.0
　　1.4～2.7
　　1.8~3.2 稍浑浊
　　较透明
　　较透明 ≤1.5
　　
　　≥1.5 过渡型
　　 50 10 1．5≤d<2.0 浑浊
　　       180   
　　非分散性土 1020
　　1020 5 >3
　　<3 稍透明
　　透明 <1.5
　　1.0 非分散型 380 ≥5 d≤1.5 微浑浊
　　       1020   
　　      高抗冲蚀 1020 ≥5 针孔不变 清水
　　从上表可以看出国内现行的二个规程判别标准基本一致，但在试验过程中的冲蚀时间稍有不同。
　　针孔试验是模拟土在实际状态下被冲蚀的情况，从而判断其分散性。因此土样的制作是关健，据有关报导指出，影响针孔试验的结果是土样的含水量和密实度。
　　1.3双比重试验
　　双比重试验又称SCS法（美国水保局法）。是美国水土保持局为鉴别分散性土普遍使用的一种方法。该法是对土样做不加分散剂和加分散剂两组平行颗粒分析试验、对比颗粒组成，测定土样中的粘粒（小于0.005㎜）含量，求出它的比值即分散度。用两组测定的粘粒含量並用下式计算求得分散度，来判别分散土的分散性。
　　分散度=（不加分散剂的粘粒量/加分散剂的粘粒量）×100%
　　分散土的判别标准：《建材规程》与《堤防工程地质勘察规程》的判别标准一致
　　非分散土分散度<30%
　　过度性土分散度30%～50%
　　分散土分散度>50%
　　1.4孔隙水可溶盐试验
　　该试验为美国农业上的一个标准试验。J.L.谢拉德博士将其用于测定土壤中的钠离子含量，用钠离子含量与土壤孔隙水中的钙、镁、钠、钾4种金属离子总量所占的百分比来判别土壤的分散性。将试样用蒸馏水拌和到接近液限的稠度，用真空吸水器抽出土中的孔隙水，测定水中的钙、镁、钠、钾4种金属阳离子总量称为TDS，以每升毫克当量计（meg/l），并求出其中钠离子含量的百分数。其判断标准共分三个区。分别为A、B、C区，其区域划分是以阳离子总量为横坐标（TDS）。钠离子百分数PS=（Na/DTS）*100%为纵坐标绘在半对数格子纸上，如下图：
　　孔隙水可溶盐试验评价土的分散性图
　　
　　阳离子交换总量TDS=Na++K++Ca2++Mg2+
　　可交换钠离子百分数PS=Na+/TDS×100%
　　从图中可以看出：
　　可交换钠离子<40%的为非分散土；
　　可交换钠离子在40~60%的为过渡性土；
　　可交换钠离子>60%的为分散性土；
　　上述两个规程的评价标准一致。
　　上述两个规程在孔隙水可溶性试验评价土的分散性图上、均将PS标注为可交换钠离子百分数，将TDS标注为可交换阳离子交换总量。我们认为上述标注不够恰当。应将PS标注为钠百分比、将TDS标注为浸提液中可溶盐总量（TDS=Na+K+Ca+Mg）《见黄河勘测设计枝术情报1979.11》。
　　从土质学3来看可溶盐包括易溶盐，中溶盐和难溶盐。《土工试验规程》【SL237-1999】中将可溶盐试验分为易溶盐（SL237-063-1999），中溶盐（SL237-064-1999）和难溶盐（SL237-064-1999）三个试验。土工试验规程中易溶盐系指土中易溶于水中的盐类，包括全部氯化物、易溶硫酸盐（钾、钠的硫酸盐）和易溶的碳酸盐（钾、钠的硫酸盐）及重碳酸盐等。其目的是测定土中易溶盐的总量及其组成的阴离子（CO32、HCO3、CL、SO42）和阳离子（Ca2、Mg2、k、Na）的含量。
　　土壤化学试验4中将可溶盐定义为：用一定比例的水土和在一定时间内浸提出来土壤中所含有的水溶性盐分。分析可溶盐分的阴、阳离子组成，和由此确定的盐分类型和含量。盐分总重通常是盐分中阴、阳离子的总和。在实际操做中也须测出氯化物、硫酸盐、碳酸盐及重碳酸盐等。据此我们认为与土工试验规程中的易溶盐试验基本是一致的。
　　阳离子交换量试验【SL237-068-1999】系指在一定条件下，一定量的土中所能交换吸附阳离子总数。阳离子交换量是度量土样对溶液中的阳离子交换吸附性能强弱的指标。
　　从上述二个试验定义可知孔隙水可溶盐试验成果只是提出可供交换的离子数，而阳离子交换量试验成果是度量土体对溶液中的阳离子交换吸附性强弱的指标，换句话说，前者是提供阳离子交换的条件，后者是度量交换的能力，所以说孔隙水可溶盐试验与阳离子交换量试验二者是不同的。从试验方法上二者也不相同。因此我们认为两部规程标注易将概念混淆。
　　2、对试验方法所代表的物理化学意义的认识
　　现行的碎屑试验是定性的试验、碎屑试验所得的指标主要反映土粒在水中分散的物理化学现象，没有定量指标。针孔试验直观的表示出土体被水流冲蚀的程度。双比重试验能显示出土样细颗粒的变化，有一定的量化概念。孔隙水可溶盐试验主要显示土体中可使土分散的化学因素。
　　2.1碎屑试验起源于澳大利亚，该种试验方法简单，易于操作，适用于野外对粘性土进行初步判断，只能简单的得出土是否有分散反应。並且有报导认为该种试验，对于粉土类土试验成果偏于不安全（即没有反应）。
　　2.2双比重试验是美国水保局在农业试验的基础上提出的，主要是用加入化学分散剂的土样粘粒与不加分散剂土样粘粒相对比，以小于0.005㎜的粘土颗粒之比，来判别土样是否分散。较碎屑试验前进了一步。试验成果从土体颗粒组成上入手、并加入化学剂后使土体发生一定的化学变化。据文献报导该方法所测得的参数与土样的干湿程度有关，如试样经空气干燥后，所得参数与其它方法所测数据相差甚远。
　　2.3针孔试验
　　针孔试验首先由美国学者J.L.谢拉德于1973年开展起来，目前被认为是鉴别分散土有效的和可靠的方法之一。针孔试验的关键是模拟土料的实际状态，在一定的水头作用下，测定其抗冲蚀的能力，对于工程设计来说是十分直观的。但对分散机理没有涉及。我们認为测定自然状态下土的分散性，其试样应该用土料的原状样，如测试将要被用做修建堤、坝土料的分散性，除了解自然状态下的分散性外，还应了解经过重塑后在工作状态下土料的分散性。
　　J.L.谢拉德在美国材料试验学会第79次年会上，关于“分散性粘土有关管涌及冲击”的专题讨论会的总结中认为：“因为针孔试验模拟了通过天然土体集中渗流的冲蚀作用，所以针孔试验是可靠的一个试验方法。但该试验成果只能反映土体被冲击的程度，没能揭示出土体易被冲蚀的原因。也有文献报导过针孔试验的结果反常。
　　2.4孔隙水可溶盐试验
　　孔隙水可溶盐试验与前三种试验的不同之处在于测试出土体中可溶盐分的总量，盐分总量通常是指盐分中阴阳离子的总和，並可求得阴阳离子的组成，进而得出土体孔隙水中钠离子的含量，为离子交换提供条件。目前虽然对分散土的成因、分散机理理论上的认识尚未完全统一，但较为普通的认为、粘性土的分散性与土中钠离子有关，孔隙水中可溶性钠离子的多少决定分散土的分散程度。钠是决定粘性土是否分散的主要原因之一。该试验结果对揭示分散土的内因起到了一定的作用。目前有许多学者认为孔隙水可溶盐与针孔试验这两种方法较为合理可靠。
　　3、对试验方法和标准的看法
　　3.1碎屑试验
　　只能初步判别土体是否存在分散性，其结果与试验者的经验关系甚大。
　　3.2双比重计试验
　　该试验是通过从土体颗粒组成中测得土的细粒含量（小于0.005㎜）的粘粒来判定土的分散性，细粒（粘粒）含量比重较大，表面积越大。如在等效粒径相同情况下、表面积越大、颗粒的扁平程度也越大，对力学性质的影响也越大。从现代胶体化学的理论得知，细颗粒小于0.002㎜的颗粒为胶体颗粒,它们具有巨大的表面积，具有吸附外界极性分子或离子的能力。不同矿物由于分散度及晶格构造特征不同，比表面积有很大的差别，同样体积的土，比表面积也不相同，可以用它大致判别粘土矿物的类型，推断其物理化学性质。该试验成果仅反映了分散性粘土内因的一个侧面。
　　3.3孔隙水可溶盐试验
　　该试验的成果主要反映土体中可溶盐的阴阳离子组成，测定出土中可溶盐阳离子总量（TDS=Na+K+Ca+Mg）及钠Na，钾K，钙Ca，镁mg离子百分数。目前普遍认为土体孔隙水可溶盐中钠离子含量越高易生成分散性土。
　　粘土是粘土矿物和非粘土矿物的集合体，粘土颗粒很细，一般小于0.002㎜，根据现代胶体化学原理，粘土矿物颗粒表面都是由具有游离价的原子或离子组成的，极易吸引具有极性的水分子，形成水化膜，并且还能吸引水中的各种离子。粘土中主要粘土矿物蒙脱石、伊利石和高岭石均为亲水矿物，蒙脱石其离子交换能力最强、易与其它离子结合，伊利石次之、高岭石最差，蒙脱石与钠结合形成钠蒙脱土、钠蒙脱土具有较强的吸水性，吸水后土体膨胀直至出现胶体沉积，水体浑浊表现出分散土特征。该试验从土的物理化学角度揭示出分散土的部分原因。
　　3.4针孔试验
　　该试验的成果显示出实际经过冲击后的土体变化情况，还可以测出土体冲蚀速度、冲蚀量，但后两个指标目前尚未纳入对土体分散性的评价范围内。笔者认为应制定量化标准并纳入评定范囲内。这样对设计者使用起来更为方便和直观。
　　4、结束语
　　分散性粘土的分散机理、成因还不十分清楚，判别手段也未能描绘出分散机理，碎屑试验、针孔试验所测得的参数仅定性的反映出土体的分散程度，都是表面形态。孔隙水可溶盐试验，可以说是测出部分分散土的化学成份，揭露出分散土内因一个侧面5。目前国内外的许多学者的著作中比较一致的认为粘土中含有钠离子是造成土体分散的主要因素之一6。但也有文献中指出，高含钠的土并非为分散土。双比重计试验揭示出土体颗粒组成及细粒含量，粘土细粒含量越大，其土水溶液越具胶体化学性质，土粒比表面积大，易产生离子交换。孔隙水可溶盐，双比重计这两种试验参数具有定量性指标，对从内因上分析有一定的作用7。
　　总之上述四种试验方法所测得的参数和评价结果，均是从某一侧面来反映分散土的物理化学特征，目前还没有一个试验方法能够全面的、详细的、准确的将分散土的分散机理、原因、过程揭露出来，正如堤防工程地质勘察规程建议在评价分散土时应综合分析。从工程实用上我们认为首选针孔试验，其次为双比重计，孔隙水可溶盐试验和碎屑试验，都是不可缺少的。
　　除上述试验方法外还有几种试验方法，如旋转圆筒试验，交换钠百分比（ESP）和钠吸附比（SAR）试验，动电电位试验。因规程末涉及本文不作分析。
　　最后，感谢陈愈炯教授在百忙中抽出时间审阅本文，并提出肯定性意见。
　　
　　参考文献：
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　　[6]袁国光，李小泉．粘土的分散性及分散性粘土改性筑坝研究［J］．土石坝技术，2006年
　　[7]王观平，张来文，闫仰中，柯容［M］．分散性粘土与水利工程，中国水利水电出版社．

《对分散土试验方法和评价标准的几点看法》

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