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盐溶液饱和粘土的直剪试验
盐溶液饱和粘土的直剪试验【1】
【摘要】在钻孔井壁失稳、核废料处置、库岸滑坡等特殊岩土工程中，孔隙水溶液组分和浓度对土体强度存在重大影响。
本文利用直接剪切试验研究了不同浓度盐溶液饱和粘土的强度特性，得出了以下结论：盐溶液饱和粘土能使其固结状态发生改变，随着盐分浓度的增加，土体可以从超固结状态转变为正常固结状态，甚至转变欠固结状态，发生所谓的化学固结;盐溶液浓度的增加可以提高内摩擦角，降低粘聚力，两个强度指标的不同变化控制了土体在不同竖向压力、浓度范围下的强度的不同演变规律。
【关键词】饱和粘土;盐溶液;强度
0引言
在一些特殊的岩土工程问题中，土体孔隙水溶液组分和浓度会发生一些改变，这种变化对土体的力学强度存在重大影响[1-3]。
例如，在钻探过程中，护壁泥浆会改变原有孔隙水的组分以及浓度，导致井壁土体的力学强度发生改变，可能导致井壁的失稳坍塌;核废料处置库中核素等溶质迁移引起孔隙水组分、浓度的变化，改变缓冲材料的力学强度性质，导致原有评估的失效，甚至有可能发生核泄露;水库周期性的水位升降必然会引起孔隙水溶质的动态变化，从而改变了库岸土体的强度特性，为库岸滑坡提供了可能性条件。
因此，探究水溶液组分和浓度变化对土体强度的影响规律和影响机理是一个急待解决的问题。
目前关于水溶液组分和浓度变化对力学特性的影响展开了一些研究，主要集中于对液塑限、压缩性等力学指标，针对于土体强度的研究还处于起步阶段。
Warkentin & Yong [1]利用直剪试验研究了钠离子、钙离子不同浓度溶液对膨润土、高岭土强度的影响规律，认为盐溶液饱和土体会降低土体强度，并且试图揭示其影响机理。
Di Maio & Fenelli [2]通过试验认为由于盐向土体扩散使膨润土的强度产生了明显的改变，而高岭土强度却基本不受孔隙水组分的影响。
此外，很多学者也对不同水化学环境下土体的强度做了类似的试验研[3-8]。
为了充实盐溶液饱和土体的强度试验数据，建立强度受盐溶液饱和后的演化规律，揭示其作用机制，本文通过直剪试验研究了不同浓度氯化钠溶液饱和粘土的强度特性，这些试验数据必定为后期的理论研究一定的数据支持。
1试验介绍
1.1试验方案
本文采用不同浓度的NaCl溶液作为试验饱和溶液，在试样的制备和抽真空饱和都采用试验浓度的NaCl溶液，而后进行直接剪切试验研究强度的演变规律。
试验选用的试样干密度为1.6g/cm3，竖向压力和溶液浓度设置如表1。
1.2试验材料
由于粘性土对于水化学环境变化非常敏感，并且为了体现试验效果，本试验选用粘性土进行试验。
粘性土具体物性指标如下：比重GS
=2.67;液限为WL=41.7%、塑限为Wp=21.9%;颗分曲线如图1。
试验溶液采用NaCl溶液按照预定浓度制成。
图1试验粘土的颗粒分布曲线
1.3剪切过程
剪切采用常规的直剪仪，采用固结排水剪切模式。
固结时间一般为12h左右，每小时变形不超过0.005mm，判断固结完成。
固结完成后，采用0.01mm/min的剪切速率进行剪切，剪切过程中剪切应力-剪切位移曲线出现峰值，则取峰值作为强度;否则，取剪切位移为4mm对应的应力值作为土体的强度。
2试验结果
2.1剪切应力-剪切位移曲线
剪切应力-剪切位移曲线是直剪试验得出的最直接的试验数据。
为了比较不同浓度的盐溶液、不同竖向压力对试样剪切应力-剪切位移特性的影响，图2给出了50kPa、150kPa、350kPa和400kPa竖向压力下不同浓度(0M、0.01M、0.02M、0.05M、0.1M)盐溶液饱和粘土的剪切应力-剪切位移曲线。
在图2(a)中，根据其剪切应力-剪切位移曲线可以得出在50kPa竖向压力下试样会展现出不同程度的应力软化现象，也就是说试样处于不同程度的超固结状态，但是随着盐溶液的浓度的增大，这种应力软化效应、超固结程度会有明显的减弱，在盐溶液浓度达到0.05M时，基本没有了应力软化现象。
综合分析可知，随着盐溶液浓度的增大，可见试验试样从超固结状态到正常固结状态、甚至可能是欠固结状态的转化。
图2中，50kPa、150kPa竖向压力下和350kPa、400kPa竖向压力下的强度特性存在很明显的差别。
在50kPa、150kPa竖向压力下，随着盐溶液浓度的增大(0M~0.05M)，强度显现出很明显的下降，并且具有很好的下降一致性。
50kPa竖向压力下，0.01M、0.02M、0.05M盐溶液饱和粘土的强度下降幅度分别为10.7%、14.9%、40.1%;150kPa竖向压力下，0.01M、0.02M、0.05M盐溶液饱和粘土的强度下降幅度分别为2.75%、14.2%、24.5%。
然而，在竖向压力为350kPa、400kPa的情况下，盐溶液浓度对强度并没有很明显的影响，也没有很一致性的下降或是上升趋势。
(a)50kPa竖向压力下的剪切应力-剪切位移曲线
(b)150kPa竖向压力下的剪切应力-剪切位移曲线
(c)350kPa竖向压力下的剪切应力-剪切位移曲线
(d) 400kPa竖向压力下的剪切应力-剪切位移曲线
图2不同竖向压力、不同浓度盐溶液饱和粘土的
剪切应力-剪切位移曲线
2.2强度特征
为了更进一步的分析剪切强度随盐溶液浓度的变化规律，本文在图3中给出了不同竖向压力下的强度随盐溶液浓度的演变规律。
很明显，在竖向压力为50kPa、100kPa和150kPa的情况下，剪切强度随着浓度的增大呈现出明显的下降，而在竖向压力为200kPa~400kPa的情况下，剪切强度基本上保持不变(可以采用水的势理论进行解释，在比较大的压力下，原有的吸附水获得了较高的水势也转化成自由水，使原有的双电子层变薄)。
这与Warkentin & Yong [1]对蒙脱土和高岭土进行直剪试验得到的结论一致的，即随着盐溶液浓度的变大，剪切强度降低。
但是，现在的一些试验却存在于此相反的试验，即随着盐溶液浓度的变大，剪切强度呈现不同幅度的升高[1-3]。
图 3剪切强度随浓度的变化规律
Fig 3The variation of shearing strength with concentration
强度指标分析是岩土力学强度分析中非常关键的一环。
图4给出了粘聚力和内摩擦角随盐溶液浓度的变化情况，随着孔隙水盐溶液的变大，粘聚力降低，内摩擦角呈上升趋势。
并且在粘聚力和内摩擦角的变化梯度逐渐变小，最后可能趋于一致。
目前针对于内摩擦角的变大趋势，已经可以利用电子双层吸附理论可以进行解释，也就是说孔隙水盐溶液浓度的变大，原有孔隙水的阳离子浓度变大，通过分子吸附/解吸附等水化学作用使电子双层变薄，斥力变小，颗粒之间具有更大的接触面积，同时接触面起伏不平，使内摩擦角变大[3-5]。
然而，对于粘聚力的变化，目前很难有具体的定论，因为它涉及到粒间连结力与结合水厚度两个方面，若电子双层厚，粒间连结力就比较弱，表现出来的粘聚力也就比较小，但是从结合水的角度上讲，电子双层厚度较大，克服弱结合水所做的功也就多些，这两者具有矛盾的效应[1]。
图 4强度指标随浓度的变化规律
Fig 4The variation of shearing strength indexes with concentration
3结论
本文采用NaCl溶液饱和粘土，研究了不同浓度盐溶液对粘土的强度的影响规律，并且结合前人的研究成果，探讨盐溶液对粘土的强度的影响机制。
经过研究分析，得出了以下结论：
(1)盐溶液饱和粘土可以使土体的固结状态发生改变，随着盐分浓度的增加，土体可以从超固结状态转变为正常固结状态，甚至转变欠固结状态，发生所谓的化学固结;
(2)在低竖向压力、低溶液浓度的情况下，土体强度随盐溶液浓度增大而减小;而在相对较高竖向压力或高溶液浓度情况下，土体强度随盐溶液浓度增大而变大;
(3)随着盐溶液浓度的提高，内摩擦角随着变大，而粘聚力呈现相反的趋势，二者共同控制土体强度的变化。
【参考文献】
[1]汪民.饱水粘性土中粘粒与水相互作用的初步探讨[J].水文地质工程地质, 1987，3(6):p.1.
[2]朱春鹏,刘汉龙and沈扬.酸碱污染土强度特性的室内试验研究[J].岩土工程学报,2011，33(7):p.7.
[3]Nguyen, X.P., et al., Effects of pore water chemical composition on the hydro-mechanical behavior of natural stiff clays[J]. Engineering Geology, 2013(0).
[4]Warkentin B P and Y.R. N, Shear strength of montmorillonite and kaolinite related to interparticle forces[J]. Clays Clay Miner, 1962，9:p.210-218.
[5]Di Maio, C. and G.B. Fenelli, Residual strength of kaolin and bentonite: the influence of their constituent pore fluid[J]. Geotechnique, 1994，44(2):p.10.
[6]Di Maio, C., Exposure of bentonite to salt solution: osmotic and mechanical effects[J]. Geotechnique, 1996，46(4):p.13.
[7]Calvello, M., et al., Compressibility and residual shear strength of smectitic clays: influence of pore aqueous solutions and organic solvents[J]. Rivista Italiana Di Geotechnica,2005.
[8]Loret, B., T. Hueckel, and A. Gajo, Chemo-mechanical coupling in saturated porous media: elastic�plastic behaviour of homoionic expansive clays[J]. International Journal of Solids and Structures, 2002，39(10):p.2773-2806.
盐溶液蒸发试验结果的影响因素【2】
[摘 要]采用称量瓶蒸发盐溶液时，同一盐溶液不同实验人获得的固形物含量试验结果不同，有些固形物含量试验结果差别非常大。
通过对不同盐溶液的固形物含量进行测定，结合固形物含量试验结果的实际情况进行讨论，明确了取样量、称量瓶规格、温度条件等对物品固形物含量结果的影响程度，提出了根据称量瓶规格采用对应取样量，验证情况理想：试验结果平行性好，解决了同一盐溶液的试验结果明显差别的问题，为准确获得固形物含量试验结果提供了客观的依据。
[摘 要]称量瓶 固形物含量 盐溶液 规格 取样量
引言
固形物含量也称非挥发分，测量物品的固形物含量是化学试验中一项基础操作。
在化学兴趣小组开展该项活动时，同一盐溶液通过不同实验人获得的固形物含量试验结果不同，有些固形物含量试验结果差别非常大。
通过网上查询发现，固形物含量(或水分含量)测定相关的标准仅有固体化工产品中水分的测定[1]、具体特指聚丙烯酰胺类或胶黏剂物质的固含量[2-3]或是仅限水分含量在0.005%～0.1%之间的液体石油产品[4]、或是漆类中不挥发物[5]等，都是用于专用物质或产品的方法。
通过对盐溶液固形物含量试验过程涉及的取样量范围、称量瓶规格、温度条件等相关方面的探讨，结合固形物含量测定结果情况进行逐步分析，明确了影响物品固形物含量试验结果的关键因素及对应可行性建议。
1、固形物含量试验原理及对象
固形物含量是通过加热挥发掉含有水分后的固相剩余量。
在加热过程中，水分以外的挥发性物质或发生化学变化所产生的挥发性物质应在允许的范围之内，即产生的挥发性物质不影响固相物质试验结果的准确性。
资料调查显示，固形物含量测定对象有固体、膏状、液体等形式，其中大多数为液体形式，均采用质量损失(减量法)来实现。
2、固形物含量试验影响因素探讨
物品固形物含量试验涉及试验人、加热设备、物品、方法、环境等方面。
仪器设备：恒温烘箱和电子天平，环境方面均为相同条件，不再作为分析范畴之内;在涉及称量瓶(固含量测定常用器皿)、试验物品(氯化钠等盐溶液)、试验温度条件、试验人员等方面，规格差别、取样量差异、试验温度条件差别、小组人员操作等方面，作为分析讨论的关键。
2.1 称量瓶规格对固形物含量试验结果的影响
固形物含量试验操作常用称量瓶包括低型：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]，中学常用为低型。
具体操作包括选择涉及固含量试验的物品，采用相同的取样量，均在相同时间后干燥冷却后称量并计算固形物含量，统计结果为三次平行试验平均值。
表1为使用不同规格称量瓶的固形物含量试验结果情况。
表1显示，物品相同取样量时都存在称量瓶规格差别越大，固形物含量结果差值越大的现象，如1#、5#在最大60 mm×30 mm和最小25 mm×25 mm时，结果竟相差到17.39%和20.76%，最大、最小相对偏差也都大，分别为34.69%和16.33%;当称量瓶规格接近时，如60 mm×30 mm和50 mm×30 mm、30 mm×25 mm和25 mm×25 mm，固含量结果呈现接近趋势，相对偏差也小。
不同规格称量瓶盐溶液的固形物含量结果存在差别，平行性差。
2.2 取样量对固形物含量试验结果的影响
兴趣小组统计固形物含量试验取样量统计主要有2 g、5 g、10 g等几种。
同一盐溶液采用1 g、2 g、5 g、10 g四种取样量进行固含量试验，60 mm×30 mm和50 mm×30 mm因开放面积过大未采用1g或2g的取样量;25 mm×25 mm因开放面积过小的未采用5 g或10 g的取样量;30 mm×25 mm因数量少仅用于部分物品。
表2中两项平均值直观显示，不同取样量明显影响固形物含量结果。
结合称量瓶规格比较，仅有5#的2 g、5 g、10 g固形物含量结果接近，同一盐溶液大多数均存在取样量不同固形物含量结果平行性差的情况。
2.3 试验温度对固形物含量试验结果的影响
根据固含形物量测量原理，物品固形物含量测定的温度条件采用105 ℃，为做比对，小组选择105 ℃、130 ℃两种温度下固形物含量结果情况见表3。
从表3看出，高试验温度固形物含量测定结果明显变小，说明除水分外，部分盐溶液中组分减少。
同盐溶液选择不同试验温度条件时，固形物含量结果也存在明显的差别。
2.4 试验时间对固形物含量试验结果的影响
小组查询固形物含量测定时间有2h[3] [7-8]、4h、5h[9]等，通过试验过程验证发现，在2h后，盐溶液固形物含量结果不再有很明显大的变化。
因此，采用常规4h试验时间满足固形物含量测定要求，不会对固形物含量试验结果产生明显影响。
2.5 试验人对固形物含量试验结果的影响
小组4名组员采用105 ℃温度条件、50 mm×30 mm规格、5g取样量进行重复性试验，固形物含量结果统计见表4。
不同试验人员的重复性比较好，且相对偏差基本都在5%以内，不同试验人员不会对固形物含量结果产生明显影响。
3、可行性分析与验证
通过试验结果及影响因素探讨情况，从规格选择、取样量范围、试验温度条件确定等入手，任选取涉及固形物含量测量的盐溶液进行试验验证。
3.1 称量瓶规格选择
规格为60 mm×30 mm，开放面积较大，不适于1 g、2 g等少的取样量;而规格25 mm×25 mm，开方面积过小，仅适于少的取样量。
因此，从盐溶液充分性、便于操作、易于清洗等方面考虑，建议选择规格为60 mm×30 mm的称量瓶。
选取不同规格的称量瓶时考虑对应适宜的取样量。
3.2 取样量确定范围
通过试验结果分析，采用规格为60 mm×30 mm取样量范围应在5 g以上，若仅能采用25 mm×25 mm时，建议取样量不应超过2 g。
取样量的范围取决于称量瓶规格。
3.3 试验温度的确定
根据固形物含量测定原理，主要是排除盐溶液中的水分，无特殊说明，相同盐溶液均要采用相同试验温度条件。
综上所述，小组成员在进行固形物含量试验时，建议从三方面注意：试验前的物品一定摇匀;同一盐溶液样品选择相同的称量瓶规格;取样量接近。
表5为规范操作后固形物含量结果的试验情况。
从表5可以看出，在105 ℃±2 ℃试验温度条件下，4h恒温烘干，采用60 mm×30 mm规格称样瓶、取样量10 g;采用50 mm×30 mm规格称样瓶、取样量5 g～8 g之间;或采用25 mm×25 mm规格称样瓶、取样量1 g;固形物含量测定结果平行性好，相对偏差明显降低，试验结果差别比小组活动前有了很大程度的改善。
4、结论
通过在一定的试验温度条件下，根据称量瓶规格明确对应取样量，验证结果情况理想，试验结果平行性好，相对偏差小，解决了同一盐溶液因取样量、规格等不同存在试验结果差别的问题。
从规范的角度为盐溶液蒸发后固形物含量试验提供了可行思路。
参考文献
[1] 全国化学标准化技术委员会无机化工分会.GB/T 6284-2006 化工产品中水分测定的通用方法 干燥减量法[S].北京：中国标准出版社，2006;
[2] 全国塑料标准化技术委员会.GB/T 12005.2-1989 聚丙烯酰胺固含量测定方法[S].北京：中国标准出版社，1989;
[3] 中国石油和化学工业协会.GB/T 2793-1995 胶粘剂不挥发物含量的测定[S].北京：中国标准出版社，1995;
[4] 中国石油化工集团公司.GB/T 11133-1989 液体石油产品水含量测定法(卡尔・费休法)[S].北京：中国标准出版社，1989;
[5] 中国石油和化学工业协会.GB/T 1725.2-2007 色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定[S].北京：中国标准出版社，2008;
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[7] 胜利石油管理局油气采输专业标准化委员会.Q/SH1020 1968-2013高温驱油剂通用技术条件[S].东营，2013;
[8] 胜利石油管理局油气采输专业标准化委员会.Q/SH1020 1572-2006驱由用聚丙烯酰胺[S].东营，2007;
[9] 佘庆东.提高聚合物固含量的测定效率[J].国外油田工程，2002，08，15。
酸式盐溶液酸碱性的教学研究【3】
摘 要：通过学生的探究活动，分析弱酸的酸式盐溶液中存在的电离平衡与水解平衡，分析溶液的酸碱性和微粒浓度的大小关系，进一步延伸到正盐与一元酸混合体系中溶液的酸碱性和微粒浓度的大小关系。
运用分类的思想提高思维的有效性，建立溶液体系的微粒观。
关键词：酸式盐;电离平衡;水解平衡
一、问题的提出
电解质溶液中离子浓度大小比较的问题一直是高考化学的热点之一，考查的知识点多，灵活性、综合性较强，属于经典题型。
如何提高学生的理解能力，并在新课程的教学理念下提高学生的创新能力，本人在教学中进行了初步尝试。
新课程的教学提出以科学探究为突破口，提倡探究式学习为主的学习方式。
化学教学中的科学探究主要是指学生从学科领域或社会生活中选择和确定研究主题，创设类似科学研究的情境，通过学生自主、独立地发现问题，对可能的答案作出假设和猜想，并设计方案，通过实验、操作、调查和搜集证据，对获得的信息进行处理，得出初步结论的各种研究性学习活动过程。
通过让学生经历这些科学探究的过程，可以综合发展认识能力，提高认识品质。
学生在学习盐(正盐)溶液的酸碱性后，对盐类的水解有了初步的认识，同时又与前面学过的弱电解质的电离混在一起，对一般盐类都属于强电解质产生困扰。
对于正盐溶液中微粒浓度大小比较有了分析方法，对酸式盐的溶液中微粒浓度大小比较还需更进一步的理解。
通过本节课的学习，希望学生能够理解电离平衡和水解平衡对溶液酸碱性以及浓度的影响。
化学物质分类思想的培养有利于学生对科学方法的理解和掌握，可以帮助学生形成正确的化学物质观，即：对化学物质进行适当的分类，可以使物质系统化、条理化，可以丰富学生对化学物质的认识;不同的分类角度和维度有助于人们多角度、多层次、更全面、更深刻地认识化学物质，体会化学物质的多样性和统一性。
对正盐与酸式盐的组成上进行分类，对酸式盐的种类进行分类，酸式盐的溶液中包括强酸的酸式盐、中强酸的酸式盐、弱酸的酸式盐。
三种酸式盐有效地区分了电离、水解的相互关系，帮助学生建立从微观粒子的角度认识电解质溶液的思路，对学生的思维能力的提高有很大的帮助。
还可以应用在一元酸及其正盐的混合溶液体系离子浓度大小的判断上，有效促进学生能力的提高。
二、案例研究
(一)研究目的：
以酸式盐溶液的酸碱性为载体，从探究的视角促进学生认识发展，分析不同离子对水的电离平衡的影响，理解判断溶液酸碱性的依据，进一步完善离子浓度大小比较的方法。
在教学中关注学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度的全面发展。
(二)教学过程
【教学目标】
知识与技能：
1.了解酸式盐的种类和实验测定溶液的酸碱性的方法。
2.理解电离与水解对酸式盐溶液酸碱性的影响。
3.理解溶液中离子浓度的大小关系。
过程与方法：
1.观察分析，动手实践，培养学生的实验操作能力和观察能力。
2.讨论交流，分析水解与电离对酸式盐酸碱性的影响，培养辩证思维。
3.归纳总结，对比分类，培养学生抽象思维能力和全面分析问题的能力。
情感、态度与价值观：
1.通过测定酸式盐溶液的酸碱性，发现问题，培养学生乐于动手的精神和善于质疑、实事求是、积极实践的科学态度。
2.从不同角度对物质进行分类，帮助学生学习多角度、多层次认识物质的方法，激发学生学习化学的兴趣。
【教学重点、难点】
重点：酸式盐的分类、离子浓度的大小关系。
难点：离子浓度的大小关系
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