碳酸盐岩系红土成因理论的颗粒分散剂法

碳酸盐岩系红土成因理论的颗粒分散剂法

学术界关于红色土壤的起源和分类一直有争议。特别是在中国，红色土壤被称为红粘土，红色土壤被称为碳酸盐岩风化壳。从1958年以来中国科技界的相关专家学者因发现红土大面积覆盖在碳酸盐岩之上,形成了“红黏土是碳酸盐岩风化壳(或残积土)”的观念,并把这一观念以定义的方式写进了我国最权威并具有法律效力的中华人民共和国标准———《岩土工程勘察规范》、《建筑地基基础设计规范》等规程规范中“即母岩为碳酸盐岩系,经湿热条件下的红土化作用形成的液限大于或等于50%的特殊土,称为红黏土(也称原生红黏土)。本团队经过长期调查研究发现该定义存在严重缺陷,提出一种全新的科学客观的红土成因理论,认为碳酸盐岩不能形成红土(或所谓的红黏土),红土是硅酸盐岩系岩石经红土化作用形成的特殊土。自然界根本就不存在所谓的红黏土,所谓的红黏土其实是红土,并且母岩并非是碳酸盐岩,而是硅酸盐岩。由于传统观念欠客观欠科学,必定影响红土的工程性质,本次颗粒分析试验就是从颗粒大小的角度重新分析红土。目前颗粒分析试验统一使用六偏磷酸钠作为分散剂,但学术界关于分散剂作用原理的分析探讨却很少,针对红土这一特殊且争议很大的土体,由经验总结从而只使用一种六偏磷酸钠作为化学分散剂,必定存在瑕疵或错误。基于这个背景,使用4种分散剂并采用多个浓度进行红土颗分试验。1分析试验与研究1.1土样的分散性测定此次试验采用密度计法,密度计均为TM—85甲种密度计。试验流程按照《土工试验规程SL237—1999》进行,具体试验方法此不赘述,并插入了10min和60min时的密度计读数时间;同时多组试验在1440min后增加了1到3个读数(如2600min,4300min,5500min时的读数),这将有利于加强颗分曲线图的准确性。本次颗分试验,在昆明地区选取4个红土样品,每个土样均进行21组试验,一个84组试验,分别是未加分散剂进行一组,其余4种分散剂(六偏磷酸钠,硅酸钠,双氧水,氨水)分别采用5个浓度各进行5组。六偏磷酸钠采用的浓度以2%,3%,4%,6%,8%为主(4%为《土工试验规程SL237—1999》的建议浓度);硅酸钠采用的浓度以0.5%,1%,1.5%,2%,2.5%为主(1%为《土工试验规程SL237—1999》的建议浓度);双氧水采用的浓度以3%,5%,6%,7%,9%为主(6%为《土工试验规程SL237—1999》的建议浓度);氨水采用的浓度以6%,8%,10%,12%,14%为主(10%的浓度值被采用较多)。1.2红茶骨料分析1.2.1各因素对土壤分散剂分散效果的影响由于所得试验结果较多,本文不全部列举,只做统计供以分析。笔者此处选取4个土样中的F土样,列出未加分散剂的颗分曲线与分散剂中间浓度值的颗分曲线进行横向比较说明,详见下图。由图1可知,F土样未加分散剂的分散效果较差,砂粒含量为7%,粉粒含量为86%,粗黏粒含量为5%,细黏粒含量为2%(黏粒含量达到7%),此时红土按粒度分类属于“粉土”。曲线总体的连续度和光滑度不甚理想,颗粒级配不良,且斜率不连续,在粒径0.023mm~0.008mm段,大角度与前后两段曲线斜交,曲线斜率急剧增大。该段前后两段曲线都较为平缓,斜率较小。由图4可知,F土样采用6%双氧水的分散效果有所加强但不明显,曲线走势与未加分散剂相似,颗粒级配不良,且斜率不连续。砂粒含量为9%,粉粒含量为82%,粗黏粒含量为5%,细黏粒含量为4%(黏粒含量达到9%),此时红土按粒度分类属于“粉土”。由图2~图4可知,F土样颗分曲线较为完整平缓,级配良好,斜率连续,分散剂作用效果都较好。浓度为4%六偏磷酸钠的曲线斜率最小,1.5%硅酸钠的曲线斜率居中,10%氨水的曲线斜率最大。浓度为4%六偏磷酸钠,砂粒含量为6%,粉粒含量为39%,粗黏粒含量为16%,细黏粒含量为39%(黏粒含量达到55%),此时红土按粒度分类属于“黏土”。浓度为1.5%硅酸钠,砂粒含量为8%,粉粒含量为48%,粗黏粒含量为13%,细黏粒含量为31%(黏粒含量达到44%),此时红土按粒度分类属于“粉黏”。浓度为10%氨水,砂粒含量为9%,粉粒含量为48%,粗黏粒含量为22%,细黏粒含量为21%(黏粒含量达到43%),此时红土按粒度分类属于“粉黏”。可见化学分散的实质就是团粒结构的解体,破坏团粒结构内部黏土矿物片之间的结合水连结和游离氧化铁与黏土矿物片之间的静电引力形成的包膜胶结(具有很强的水稳性,作用力是静电引力,机械力不能使其分开),粉粒含量减少而黏粒含量增加的过程。由上可知,F土样采用六偏磷酸钠作为分散剂所得黏粒含量最高,其它3种化学分散剂所得的黏粒含量较低,六偏磷酸钠分散效果更好。1.2.2分散剂f土样黏粒含量随水的变化规律六偏磷酸钠作为分散剂的F土样的5组试验,一定范围内,黏粒含量随着六偏磷酸钠浓度增大而增大,并在4%和6%浓度时达到峰值。详见表1。硅酸钠作为分散剂的F土样的5组试验,一定范围内,黏粒含量随着硅酸钠浓度增大而增大,并在2%浓度时达到峰值。详见表2。双氧水作为分散剂的F土样的5组试验,黏粒含量在5%浓度时达到峰值,但黏粒含量随着双氧水浓度增大而变化的规律不明显。详见表3。氨水作为分散剂的F土样的5组试验,黏粒含量在8%浓度时达到峰值,但黏粒含量随着氨水浓度增大而变化的规律不明显。详见表4。1.2.3偏磷酸钠作为分散剂分散得更彻底通过F土样21组试验中的各峰值和特殊值(黏粒含量不小于50%)的黏粒含量综合比较得出,4%六偏磷酸钠(55%)=6%六偏磷酸钠(55%)>8%氨水(53%)>2%硅酸钠(51%)=3%六偏磷酸钠(51%)>8%六偏磷酸钠(50%)>5%双氧水(20%)>未加分散剂(7%)。由此可见,对于F土样采用浓度为3%到8%之间的六偏磷酸钠作为分散剂,都可以得出黏粒含量不小于50%的结果,并在4%到6%之间达到峰值,采用浓度4%到6%之间的六偏磷酸钠作为分散剂可以使红土团粒结构分散得更为彻底。根据任丽元等的研究,黏土胶体吸附溶液中的离子是具有选择性的,当用六偏磷酸钠作为分散剂时,在水中会离解成为Na+、PO3-,而黏性土中一般都含有钠或钾的矿物或化合物,土粒的离子有选择吸附作用,优先吸收钠离子当扩散层达到一定厚度时黏粒就相互分离,从而使团粒结构部分或全部解体。而氨水和双氧水离子的选择吸附很少发生,故分散效果不理想。这就可以很好的解释为什么六偏磷酸钠和硅酸钠总体分散效果较氨水和双氧水更好。这与高玉衡于1984年提出的“六偏磷酸钠的分散度低于全分散法,但高出半分散法很多”是一致的。显然,由于所用分散剂种类和浓度的不同,所得黏粒含量受到很大影响,从而造成对红土分类的影响,同一土样采用不同的分散剂和浓度可能得出不同的定名,致使红土的定名和工程性质与其实际状况存在一定差异,可见分散剂种类和浓度的选取是至关重要的。1.2.4c土样黏粒含量随试验浓度的变化通过I土样21组试验的各峰值和特殊值(黏粒含量不小于50%)的黏粒含量综合比较得出,6%六偏磷酸钠(56%)>4%六偏磷酸钠(54%)>3%六偏磷酸钠(52%)>2%六偏磷酸钠(50%)>2.5%硅酸钠(45%)=2%硅酸钠(45%)>8%氨水(25%)>5%双氧水(19%)>未加分散剂(18%)。通过E土样21组试验的各峰值和特殊值(黏粒含量不小于50%)的黏粒含量综合比较得出,8%六偏磷酸钠(62%)>4%六偏磷酸钠(60%)=3%六偏磷酸钠(60%)>6%六偏磷酸钠(56%)>2%六偏磷酸钠(51%)>2.5%硅酸钠(48%)>2%硅酸钠(47%)>12%氨水(28%)>9%双氧水(26%)>未加分散剂(15%)。通过C土样21组试验的各峰值和特殊值(黏粒含量超过50%)的黏粒含量综合比较得出,8%六偏磷酸钠(78%)>10%六偏磷酸钠(70%)>6%六偏磷酸钠(67%)>4%六偏磷酸钠(59%)>2%六偏磷酸钠(57%)>2%硅酸钠(55%)>4%氨水(26%)>8%氨水(25%)>5%双氧水(24%)>未加分散剂(21%)。综合分析六偏磷酸钠作为分散剂的试验,存在黏粒含量随着六偏磷酸钠浓度增大而增大的趋势,峰值一般出现在4%到8%之间;对硅酸钠,黏粒含量峰值一般出现在2%到2.5%之间;对双氧水,黏粒含量峰值一般出现在5%;对氨水,黏粒含量峰值一般出现在8%。总体而言,4种方法测得的粉粒含量与黏粒含量的总量基本不变,而采用六偏磷酸钠作为分散剂所得黏粒含量最高,硅酸钠所得黏粒含量次之,其余2种分散剂所得粉粒多而黏粒少,即采用六偏磷酸钠作为分散剂使红土团粒结构分散得更为彻底。2不同分散剂对于六