鹽溶液飽和粘土的直剪試驗

　　鹽溶液飽和粘土的直剪試驗【1】

　　【摘要】在鉆孔井壁失穩、核廢料處置、庫岸滑坡等特殊巖土工程中，孔隙水溶液組分和濃度對土體強度存在重大影響。

　　本文利用直接剪切試驗研究了不同濃度鹽溶液飽和粘土的強度特性，得出了以下結論：鹽溶液飽和粘土能使其固結狀態發生改變，隨著鹽分濃度的增加，土體可以從超固結狀態轉變為正常固結狀態，甚至轉變欠固結狀態，發生所謂的化學固結;鹽溶液濃度的增加可以提高內摩擦角，降低粘聚力，兩個強度指標的不同變化控制了土體在不同豎向壓力、濃度范圍下的強度的不同演變規律。

　　【關鍵詞】飽和粘土;鹽溶液;強度

　　0引言

　　在一些特殊的巖土工程問題中，土體孔隙水溶液組分和濃度會發生一些改變，這種變化對土體的力學強度存在重大影響[1-3]。

　　例如，在鉆探過程中，護壁泥漿會改變原有孔隙水的組分以及濃度，導致井壁土體的力學強度發生改變，可能導致井壁的失穩坍塌;核廢料處置庫中核素等溶質遷移引起孔隙水組分、濃度的變化，改變緩沖材料的力學強度性質，導致原有評估的失效，甚至有可能發生核泄露;水庫周期性的水位升降必然會引起孔隙水溶質的動態變化，從而改變了庫岸土體的強度特性，為庫岸滑坡提供了可能性條件。

　　因此，探究水溶液組分和濃度變化對土體強度的影響規律和影響機理是一個急待解決的問題。

　　目前關于水溶液組分和濃度變化對力學特性的影響展開了一些研究，主要集中于對液塑限、壓縮性等力學指標，針對于土體強度的研究還處于起步階段。

　　Warkentin & Yong [1]利用直剪試驗研究了鈉離子、鈣離子不同濃度溶液對膨潤土、高嶺土強度的影響規律，認為鹽溶液飽和土體會降低土體強度，并且試圖揭示其影響機理。

　　Di Maio & Fenelli [2]通過試驗認為由于鹽向土體擴散使膨潤土的強度產生了明顯的改變，而高嶺土強度卻基本不受孔隙水組分的影響。

　　此外，很多學者也對不同水化學環境下土體的強度做了類似的試驗研[3-8]。

　　為了充實鹽溶液飽和土體的強度試驗數據，建立強度受鹽溶液飽和后的演化規律，揭示其作用機制，本文通過直剪試驗研究了不同濃度氯化鈉溶液飽和粘土的強度特性，這些試驗數據必定為后期的理論研究一定的數據支持。

　　1試驗介紹

　　1.1試驗方案

　　本文采用不同濃度的NaCl溶液作為試驗飽和溶液，在試樣的制備和抽真空飽和都采用試驗濃度的NaCl溶液，而后進行直接剪切試驗研究強度的演變規律。

　　試驗選用的試樣干密度為1.6g/cm3，豎向壓力和溶液濃度設置如表1。

　　1.2試驗材料

　　由于粘性土對于水化學環境變化非常敏感，并且為了體現試驗效果，本試驗選用粘性土進行試驗。

　　粘性土具體物性指標如下：比重GS

　　=2.67;液限為WL=41.7%、塑限為Wp=21.9%;顆分曲線如圖1。

　　試驗溶液采用NaCl溶液按照預定濃度制成。

　　圖1試驗粘土的顆粒分布曲線

　　1.3剪切過程

　　剪切采用常規的直剪儀，采用固結排水剪切模式。

　　固結時間一般為12h左右，每小時變形不超過0.005mm，判斷固結完成。

　　固結完成后，采用0.01mm/min的剪切速率進行剪切，剪切過程中剪切應力-剪切位移曲線出現峰值，則取峰值作為強度;否則，取剪切位移為4mm對應的應力值作為土體的強度。

　　2試驗結果

　　2.1剪切應力-剪切位移曲線

　　剪切應力-剪切位移曲線是直剪試驗得出的最直接的試驗數據。

　　為了比較不同濃度的鹽溶液、不同豎向壓力對試樣剪切應力-剪切位移特性的影響，圖2給出了50kPa、150kPa、350kPa和400kPa豎向壓力下不同濃度(0M、0.01M、0.02M、0.05M、0.1M)鹽溶液飽和粘土的剪切應力-剪切位移曲線。

　　在圖2(a)中，根據其剪切應力-剪切位移曲線可以得出在50kPa豎向壓力下試樣會展現出不同程度的應力軟化現象，也就是說試樣處于不同程度的超固結狀態，但是隨著鹽溶液的濃度的增大，這種應力軟化效應、超固結程度會有明顯的減弱，在鹽溶液濃度達到0.05M時，基本沒有了應力軟化現象。

　　綜合分析可知，隨著鹽溶液濃度的增大，可見試驗試樣從超固結狀態到正常固結狀態、甚至可能是欠固結狀態的轉化。

　　圖2中，50kPa、150kPa豎向壓力下和350kPa、400kPa豎向壓力下的強度特性存在很明顯的差別。

　　在50kPa、150kPa豎向壓力下，隨著鹽溶液濃度的增大(0M~0.05M)，強度顯現出很明顯的下降，并且具有很好的下降一致性。

　　50kPa豎向壓力下，0.01M、0.02M、0.05M鹽溶液飽和粘土的強度下降幅度分別為10.7%、14.9%、40.1%;150kPa豎向壓力下，0.01M、0.02M、0.05M鹽溶液飽和粘土的強度下降幅度分別為2.75%、14.2%、24.5%。

　　然而，在豎向壓力為350kPa、400kPa的情況下，鹽溶液濃度對強度并沒有很明顯的影響，也沒有很一致性的下降或是上升趨勢。

　　(a)50kPa豎向壓力下的剪切應力-剪切位移曲線

　　(b)150kPa豎向壓力下的剪切應力-剪切位移曲線

　　(c)350kPa豎向壓力下的剪切應力-剪切位移曲線

　　(d) 400kPa豎向壓力下的剪切應力-剪切位移曲線

　　圖2不同豎向壓力、不同濃度鹽溶液飽和粘土的

　　剪切應力-剪切位移曲線

　　2.2強度特征

　　為了更進一步的分析剪切強度隨鹽溶液濃度的變化規律，本文在圖3中給出了不同豎向壓力下的強度隨鹽溶液濃度的演變規律。

　　很明顯，在豎向壓力為50kPa、100kPa和150kPa的情況下，剪切強度隨著濃度的增大呈現出明顯的下降，而在豎向壓力為200kPa~400kPa的情況下，剪切強度基本上保持不變(可以采用水的勢理論進行解釋，在比較大的壓力下，原有的吸附水獲得了較高的水勢也轉化成自由水，使原有的雙電子層變薄)。

　　這與Warkentin & Yong [1]對蒙脫土和高嶺土進行直剪試驗得到的結論一致的，即隨著鹽溶液濃度的變大，剪切強度降低。

　　但是，現在的一些試驗卻存在于此相反的試驗，即隨著鹽溶液濃度的變大，剪切強度呈現不同幅度的升高[1-3]。

　　圖 3剪切強度隨濃度的變化規律

　　Fig 3The variation of shearing strength with concentration

　　強度指標分析是巖土力學強度分析中非常關鍵的一環。

　　圖4給出了粘聚力和內摩擦角隨鹽溶液濃度的變化情況，隨著孔隙水鹽溶液的變大，粘聚力降低，內摩擦角呈上升趨勢。

　　并且在粘聚力和內摩擦角的變化梯度逐漸變小，最后可能趨于一致。

　　目前針對于內摩擦角的變大趨勢，已經可以利用電子雙層吸附理論可以進行解釋，也就是說孔隙水鹽溶液濃度的變大，原有孔隙水的陽離子濃度變大，通過分子吸附/解吸附等水化學作用使電子雙層變薄，斥力變小，顆粒之間具有更大的接觸面積，同時接觸面起伏不平，使內摩擦角變大[3-5]。

　　然而，對于粘聚力的變化，目前很難有具體的定論，因為它涉及到粒間連結力與結合水厚度兩個方面，若電子雙層厚，粒間連結力就比較弱，表現出來的粘聚力也就比較小，但是從結合水的角度上講，電子雙層厚度較大，克服弱結合水所做的功也就多些，這兩者具有矛盾的效應[1]。

　　圖 4強度指標隨濃度的變化規律

　　Fig 4The variation of shearing strength indexes with concentration

　　3結論

　　本文采用NaCl溶液飽和粘土，研究了不同濃度鹽溶液對粘土的強度的影響規律，并且結合前人的研究成果，探討鹽溶液對粘土的強度的影響機制。

　　經過研究分析，得出了以下結論：

　　(1)鹽溶液飽和粘土可以使土體的固結狀態發生改變，隨著鹽分濃度的增加，土體可以從超固結狀態轉變為正常固結狀態，甚至轉變欠固結狀態，發生所謂的化學固結;

　　(2)在低豎向壓力、低溶液濃度的情況下，土體強度隨鹽溶液濃度增大而減小;而在相對較高豎向壓力或高溶液濃度情況下，土體強度隨鹽溶液濃度增大而變大;

　　(3)隨著鹽溶液濃度的提高，內摩擦角隨著變大，而粘聚力呈現相反的趨勢，二者共同控制土體強度的變化。

　　【參考文獻】

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　　鹽溶液蒸發試驗結果的影響因素【2】

　　[摘 要]采用稱量瓶蒸發鹽溶液時，同一鹽溶液不同實驗人獲得的固形物含量試驗結果不同，有些固形物含量試驗結果差別非常大。

　　通過對不同鹽溶液的固形物含量進行測定，結合固形物含量試驗結果的實際情況進行討論，明確了取樣量、稱量瓶規格、溫度條件等對物品固形物含量結果的影響程度，提出了根據稱量瓶規格采用對應取樣量，驗證情況理想：試驗結果平行性好，解決了同一鹽溶液的試驗結果明顯差別的問題，為準確獲得固形物含量試驗結果提供了客觀的依據。

　　[摘 要]稱量瓶 固形物含量 鹽溶液 規格 取樣量

　　引言

　　固形物含量也稱非揮發分，測量物品的固形物含量是化學試驗中一項基礎操作。

　　在化學興趣小組開展該項活動時，同一鹽溶液通過不同實驗人獲得的固形物含量試驗結果不同，有些固形物含量試驗結果差別非常大。

　　通過網上查詢發現，固形物含量(或水分含量)測定相關的標準僅有固體化工產品中水分的測定[1]、具體特指聚丙烯酰胺類或膠黏劑物質的固含量[2-3]或是僅限水分含量在0.005%～0.1%之間的液體石油產品[4]、或是漆類中不揮發物[5]等，都是用于專用物質或產品的方法。

　　通過對鹽溶液固形物含量試驗過程涉及的取樣量范圍、稱量瓶規格、溫度條件等相關方面的探討，結合固形物含量測定結果情況進行逐步分析，明確了影響物品固形物含量試驗結果的關鍵因素及對應可行性建議。

　　1、固形物含量試驗原理及對象

　　固形物含量是通過加熱揮發掉含有水分后的固相剩余量。

　　在加熱過程中，水分以外的揮發性物質或發生化學變化所產生的揮發性物質應在允許的范圍之內，即產生的揮發性物質不影響固相物質試驗結果的準確性。

　　資料調查顯示，固形物含量測定對象有固體、膏狀、液體等形式，其中大多數為液體形式，均采用質量損失(減量法)來實現。

　　2、固形物含量試驗影響因素探討

　　物品固形物含量試驗涉及試驗人、加熱設備、物品、方法、環境等方面。

　　儀器設備：恒溫烘箱和電子天平，環境方面均為相同條件，不再作為分析范疇之內;在涉及稱量瓶(固含量測定常用器皿)、試驗物品(氯化鈉等鹽溶液)、試驗溫度條件、試驗人員等方面，規格差別、取樣量差異、試驗溫度條件差別、小組人員操作等方面，作為分析討論的關鍵。

　　2.1 稱量瓶規格對固形物含量試驗結果的影響

　　固形物含量試驗操作常用稱量瓶包括低型：60 mm×30 mm、50 mm×30 mm、25 mm×25 mm等和高型：30 mm×60 mm、25 mm×40 mm、30 mm×50 mm等[6]，中學常用為低型。

　　具體操作包括選擇涉及固含量試驗的物品，采用相同的取樣量，均在相同時間后干燥冷卻后稱量并計算固形物含量，統計結果為三次平行試驗平均值。

　　表1為使用不同規格稱量瓶的固形物含量試驗結果情況。

　　表1顯示，物品相同取樣量時都存在稱量瓶規格差別越大，固形物含量結果差值越大的現象，如1#、5#在最大60 mm×30 mm和最小25 mm×25 mm時，結果竟相差到17.39%和20.76%，最大、最小相對偏差也都大，分別為34.69%和16.33%;當稱量瓶規格接近時，如60 mm×30 mm和50 mm×30 mm、30 mm×25 mm和25 mm×25 mm，固含量結果呈現接近趨勢，相對偏差也小。

　　不同規格稱量瓶鹽溶液的固形物含量結果存在差別，平行性差。

　　2.2 取樣量對固形物含量試驗結果的影響

　　興趣小組統計固形物含量試驗取樣量統計主要有2 g、5 g、10 g等幾種。

　　同一鹽溶液采用1 g、2 g、5 g、10 g四種取樣量進行固含量試驗，60 mm×30 mm和50 mm×30 mm因開放面積過大未采用1g或2g的取樣量;25 mm×25 mm因開放面積過小的未采用5 g或10 g的取樣量;30 mm×25 mm因數量少僅用于部分物品。

　　表2中兩項平均值直觀顯示，不同取樣量明顯影響固形物含量結果。

　　結合稱量瓶規格比較，僅有5#的2 g、5 g、10 g固形物含量結果接近，同一鹽溶液大多數均存在取樣量不同固形物含量結果平行性差的情況。

　　2.3 試驗溫度對固形物含量試驗結果的影響

　　根據固含形物量測量原理，物品固形物含量測定的溫度條件采用105 ℃，為做比對，小組選擇105 ℃、130 ℃兩種溫度下固形物含量結果情況見表3。

　　從表3看出，高試驗溫度固形物含量測定結果明顯變小，說明除水分外，部分鹽溶液中組分減少。

　　同鹽溶液選擇不同試驗溫度條件時，固形物含量結果也存在明顯的差別。

　　2.4 試驗時間對固形物含量試驗結果的影響

　　小組查詢固形物含量測定時間有2h[3] [7-8]、4h、5h[9]等，通過試驗過程驗證發現，在2h后，鹽溶液固形物含量結果不再有很明顯大的變化。

　　因此，采用常規4h試驗時間滿足固形物含量測定要求，不會對固形物含量試驗結果產生明顯影響。

　　2.5 試驗人對固形物含量試驗結果的影響

　　小組4名組員采用105 ℃溫度條件、50 mm×30 mm規格、5g取樣量進行重復性試驗，固形物含量結果統計見表4。

　　不同試驗人員的重復性比較好，且相對偏差基本都在5%以內，不同試驗人員不會對固形物含量結果產生明顯影響。

　　3、可行性分析與驗證

　　通過試驗結果及影響因素探討情況，從規格選擇、取樣量范圍、試驗溫度條件確定等入手，任選取涉及固形物含量測量的鹽溶液進行試驗驗證。

　　3.1 稱量瓶規格選擇

　　規格為60 mm×30 mm，開放面積較大，不適于1 g、2 g等少的取樣量;而規格25 mm×25 mm，開方面積過小，僅適于少的取樣量。

　　因此，從鹽溶液充分性、便于操作、易于清洗等方面考慮，建議選擇規格為60 mm×30 mm的稱量瓶。

　　選取不同規格的稱量瓶時考慮對應適宜的取樣量。

　　3.2 取樣量確定范圍

　　通過試驗結果分析，采用規格為60 mm×30 mm取樣量范圍應在5 g以上，若僅能采用25 mm×25 mm時，建議取樣量不應超過2 g。

　　取樣量的范圍取決于稱量瓶規格。

　　3.3 試驗溫度的確定

　　根據固形物含量測定原理，主要是排除鹽溶液中的水分，無特殊說明，相同鹽溶液均要采用相同試驗溫度條件。

　　綜上所述，小組成員在進行固形物含量試驗時，建議從三方面注意：試驗前的物品一定搖勻;同一鹽溶液樣品選擇相同的稱量瓶規格;取樣量接近。

　　表5為規范操作后固形物含量結果的試驗情況。

　　從表5可以看出，在105 ℃±2 ℃試驗溫度條件下，4h恒溫烘干，采用60 mm×30 mm規格稱樣瓶、取樣量10 g;采用50 mm×30 mm規格稱樣瓶、取樣量5 g～8 g之間;或采用25 mm×25 mm規格稱樣瓶、取樣量1 g;固形物含量測定結果平行性好，相對偏差明顯降低，試驗結果差別比小組活動前有了很大程度的改善。

　　4、結論

　　通過在一定的試驗溫度條件下，根據稱量瓶規格明確對應取樣量，驗證結果情況理想，試驗結果平行性好，相對偏差小，解決了同一鹽溶液因取樣量、規格等不同存在試驗結果差別的問題。

　　從規范的角度為鹽溶液蒸發后固形物含量試驗提供了可行思路。

　　參考文獻

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　　[9] 佘慶東.提高聚合物固含量的測定效率[J].國外油田工程，2002，08，15。

　　酸式鹽溶液酸堿性的教學研究【3】

　　摘 要：通過學生的探究活動，分析弱酸的酸式鹽溶液中存在的電離平衡與水解平衡，分析溶液的酸堿性和微粒濃度的大小關系，進一步延伸到正鹽與一元酸混合體系中溶液的酸堿性和微粒濃度的大小關系。

　　運用分類的思想提高思維的有效性，建立溶液體系的微粒觀。

　　關鍵詞：酸式鹽;電離平衡;水解平衡

　　一、問題的提出

　　電解質溶液中離子濃度大小比較的問題一直是高考化學的熱點之一，考查的知識點多，靈活性、綜合性較強，屬于經典題型。

　　如何提高學生的理解能力，并在新課程的教學理念下提高學生的創新能力，本人在教學中進行了初步嘗試。

　　新課程的教學提出以科學探究為突破口，提倡探究式學習為主的學習方式。

　　化學教學中的科學探究主要是指學生從學科領域或社會生活中選擇和確定研究主題，創設類似科學研究的情境，通過學生自主、獨立地發現問題，對可能的答案作出假設和猜想，并設計方案，通過實驗、操作、調查和搜集證據，對獲得的信息進行處理，得出初步結論的各種研究性學習活動過程。

　　通過讓學生經歷這些科學探究的過程，可以綜合發展認識能力，提高認識品質。

　　學生在學習鹽(正鹽)溶液的酸堿性后，對鹽類的水解有了初步的認識，同時又與前面學過的弱電解質的電離混在一起，對一般鹽類都屬于強電解質產生困擾。

　　對于正鹽溶液中微粒濃度大小比較有了分析方法，對酸式鹽的溶液中微粒濃度大小比較還需更進一步的理解。

　　通過本節課的學習，希望學生能夠理解電離平衡和水解平衡對溶液酸堿性以及濃度的影響。

　　化學物質分類思想的培養有利于學生對科學方法的理解和掌握，可以幫助學生形成正確的化學物質觀，即：對化學物質進行適當的分類，可以使物質系統化、條理化，可以豐富學生對化學物質的認識;不同的分類角度和維度有助于人們多角度、多層次、更全面、更深刻地認識化學物質，體會化學物質的多樣性和統一性。

　　對正鹽與酸式鹽的組成上進行分類，對酸式鹽的種類進行分類，酸式鹽的溶液中包括強酸的酸式鹽、中強酸的酸式鹽、弱酸的酸式鹽。

　　三種酸式鹽有效地區分了電離、水解的相互關系，幫助學生建立從微觀粒子的角度認識電解質溶液的思路，對學生的思維能力的提高有很大的幫助。

　　還可以應用在一元酸及其正鹽的混合溶液體系離子濃度大小的判斷上，有效促進學生能力的提高。

　　二、案例研究

　　(一)研究目的：

　　以酸式鹽溶液的酸堿性為載體，從探究的視角促進學生認識發展，分析不同離子對水的電離平衡的影響，理解判斷溶液酸堿性的依據，進一步完善離子濃度大小比較的方法。

　　在教學中關注學生在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個維度的全面發展。

　　(二)教學過程

　　【教學目標】

　　知識與技能：

　　1.了解酸式鹽的種類和實驗測定溶液的酸堿性的方法。

　　2.理解電離與水解對酸式鹽溶液酸堿性的影響。

　　3.理解溶液中離子濃度的大小關系。

　　過程與方法：

　　1.觀察分析，動手實踐，培養學生的實驗操作能力和觀察能力。

　　2.討論交流，分析水解與電離對酸式鹽酸堿性的影響，培養辯證思維。

　　3.歸納總結，對比分類，培養學生抽象思維能力和全面分析問題的能力。

　　情感、態度與價值觀：

　　1.通過測定酸式鹽溶液的酸堿性，發現問題，培養學生樂于動手的精神和善于質疑、實事求是、積極實踐的科學態度。

　　2.從不同角度對物質進行分類，幫助學生學習多角度、多層次認識物質的方法，激發學生學習化學的興趣。

　　【教學重點、難點】

　　重點：酸式鹽的分類、離子濃度的大小關系。

　　難點：離子濃度的大小關系

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