提高膨脹土自由膨脹率試驗精度的研究

張偉利，李永紅，黨進(jìn)謙，王 飛

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

提高膨脹土自由膨脹率試驗精度的研究

張偉利，李永紅，黨進(jìn)謙，王 飛

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 分析膨脹土自由膨脹率試驗的誤差來源，為提高自由膨脹率試驗的精確度提供依據(jù)?！痉椒ā?取陜西安康、陜西洋縣和河北邯鄲3種膨脹土，將安康素膨脹土篩分為3個粒組(粒徑≤0.1 mm、0.1 mm<粒徑≤0.25 mm和0.25 mm<粒徑≤0.5 mm)，分別測試3個粒組膨脹土的自由膨脹率；將占烘干安康膨脹土質(zhì)量0.5%，1.0%，2.5%和5.0%的硅酸鈉和0.1%，0.5%，1.0%和2.5%的陽離子型聚丙烯酰胺溶于純水加入安康膨脹土中制成16種改性土樣，研究粒度組成對改性土樣自由膨脹率的影響；測試不同環(huán)境溫度(10，15和25 ℃)下安康、洋縣和邯鄲膨脹土的自由膨脹率，并測試烘干土樣是否在干燥器中冷卻至室溫對量土杯中土樣質(zhì)量的影響。【結(jié)果】 粒徑≤0.1 mm的安康膨脹土自由膨脹率為20%，0.25 mm<粒徑≤0.5 mm安康膨脹土的自由膨脹率為53%，結(jié)果相差33%。改性安康土樣中，當(dāng)硅酸鈉質(zhì)量為干素土的1.0%、陽離子型聚丙烯酰胺質(zhì)量為干素土0.1%時，未控制粒組改性土樣Ⅰ的自由膨脹率為23%，控制粒組改性土樣Ⅱ(0.1 mm<粒徑≤0.25 mm和0.25 mm<粒徑≤0.5 mm的土樣等質(zhì)量混合而成)的自由膨脹率為40%。低溫環(huán)境會造成自由膨脹率嚴(yán)重偏低，當(dāng)溫度從25 ℃降至10 ℃時，自由膨脹率降低約43%；干燥土樣是否在干燥器中冷卻至室溫對量土杯中的土樣質(zhì)量影響較小?！窘Y(jié)論】 為提高自由膨脹率試驗精確度，建議將土樣過篩后制作試樣，其中粒徑≤0.1 mm的占0～20%，0.1 mm<粒徑≤0.25 mm的占土樣20%～50%，0.25 mm<粒徑≤0.5 mm的占土樣20%～50%，并最好將膨脹土樣在干燥器中冷卻至室溫(25 ℃)且在室溫條件下進(jìn)行試驗。

膨脹土；改性土；自由膨脹率；粒度組成；環(huán)境溫度

膨脹土的改性已經(jīng)成為國內(nèi)外膨脹土研究的一個重要課題，而衡量各種改性劑抑制膨脹土變形效果的一個最直觀指標(biāo)就是自由膨脹率[1]，其試驗結(jié)果可能會直接影響研究者對一種改性劑改性效果好壞的判斷，甚至對改性劑的研究產(chǎn)生影響。因此，從操作上對自由膨脹率試驗方法進(jìn)行完善，以增加試驗結(jié)果的精確度和不同試驗人員測試結(jié)果的可對比性顯得尤為重要。

自由膨脹率作為反映黏土膨脹性的一個重要物理指標(biāo)，與土中黏土礦物，主要是親水性礦物蒙脫石和伊利石的含量有關(guān)[2-3]，其含量的大小可以直接反映土的膨脹潛勢，是土判別分類的依據(jù)。自由膨脹率試驗因所需儀器設(shè)備簡單、操作方便、試驗周期短、適于野外初步鑒定而成為評價黏土脹縮特性的重要方法。雖然現(xiàn)行的土工試驗規(guī)程[4]和相關(guān)部門的試驗標(biāo)準(zhǔn)[5-6]對自由膨脹率的測試方法有比較詳細(xì)的規(guī)定，但按照規(guī)范步驟進(jìn)行操作時，由于一些不確定因素的存在，如粒度組成(土樣制備)、攪拌次數(shù)、環(huán)境溫度、無徑漏斗口徑和漏斗離調(diào)土杯口距離等[7-8],往往導(dǎo)致不同人員的試驗結(jié)果存在很大的差異，造成對工程土的判別和分類出現(xiàn)誤差。其中土粒粒度組成是試驗結(jié)果的主要影響因素已成為大家的共識，但對土粒粒度的影響規(guī)律及環(huán)境溫度等對測試結(jié)果的影響大小，目前尚缺少深入的研究。為此，本研究探討了粒度組成、環(huán)境溫度以及干燥土樣是否在干燥器中冷卻至室溫對自由膨脹率試驗結(jié)果的影響，以期為提高自由膨脹率試驗的精確度提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗用土

試驗所用安康土，顏色呈紅褐色，其自由膨脹率為50%，最大干密度為1.61 g/cm3，最優(yōu)含水率為22.8%，液限為45.10%，塑限為22.16%，比重為2.70，孔徑小于0.002 mm黏粒含量為33%。X-衍射分析表明，供試膨脹土礦物組成中，非黏土礦物石英、鉀長石、斜長石含量分別為48.9%，1.0%和11.3%，黏土礦物伊利石、高嶺石含量分別為9.7%和1.9%；根據(jù)伊蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.2%，伊蒙混層比為55%，計算得全土中蒙脫石含量為14.96%，伊利石含量為21.94%，黏土礦物質(zhì)含量為36.89%。以上百分含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)黏粒含量[2]、膨脹潛勢等級標(biāo)準(zhǔn)[9]等膨脹土的判別分類依據(jù)，判定安康土的膨脹潛勢較低，為弱膨脹土。洋縣膨脹土取自陜西漢中洋縣膨脹土地區(qū),邯鄲膨脹土取自河北省邯鄲市膨脹土地區(qū),二者均呈淡黃色,為強(qiáng)膨脹土。

1.2 改性材料

試驗選用硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)和陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)對膨脹土進(jìn)行改性。硅酸鈉由不同比例堿金屬和氧化硅的化合物組成(Na2O∶SiO2模數(shù)為1∶1)，屬于可溶性硅酸鹽類，因其具有膠凝和團(tuán)聚作用，故硅酸鈉成為一種很有發(fā)展前景的膨脹土無機(jī)固化劑[10]。CPAM是一種線性高分子化合物，由于具有多種活潑的基團(tuán)，能與許多物質(zhì)親和、吸附形成氫鍵，絮凝為帶負(fù)電荷的膠體[11]，從而對土顆粒產(chǎn)生“團(tuán)聚化”作用[12-16]。

1.3 方 法

試驗于2012年在西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院土工實驗室進(jìn)行。

1.3.1 粒度組成對土樣自由膨脹率的影響 土樣制備過程中，由于碎土工具、用力大小、試驗人員差異等的影響，會使試驗用土的粒度組成有很大差別。顆粒越細(xì)，則10 mL量土杯中土樣的質(zhì)量越小。據(jù)統(tǒng)計，若土樣粒徑全部在0.1 mm以下，則10 mL量土杯中土樣的質(zhì)量可小于7 g；若土樣粒徑均在0.1～0.5 mm，量土杯中土樣的質(zhì)量可達(dá)12 g左右。文獻(xiàn)[4]并未規(guī)定土樣的具體粒徑組成，為減小粒徑組成對試驗造成的誤差并提出改進(jìn)建議，進(jìn)行下述試驗。

首先將烘干后的素土分別過孔徑為0.5，0.25和0.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，將素土分為粒徑(d)d≤0.1 mm、0.1 mm

為進(jìn)一步研究控制土樣粒徑組成是否能提高自由膨脹率的試驗精度，增強(qiáng)不同人次試驗結(jié)果的可比性和膨脹土改性試驗結(jié)果的規(guī)律性，需對多種不同土樣進(jìn)行研究。為省去土樣選取的麻煩，在所取素膨脹土中加入改性材料硅酸鈉(固體)和陽離子聚丙烯酰胺(固體)對素膨脹土進(jìn)行改性。具體方法為：稱摻量(與烘干素膨脹土的質(zhì)量百分比)為0.5%，1.0%，2.5%，5.0%的硅酸鈉和摻量(與烘干素膨脹土的質(zhì)量百分比)為0.1%，0.5%，1.0%，2.5%的陽離子型聚丙烯酰胺，分別將不同摻量的2種物質(zhì)用純水溶解后加入素土中，充分?jǐn)嚢枋垢男詣┡c土顆粒充分反應(yīng)，靜置24 h，放入烘箱中在60 ℃(為防止有機(jī)改性劑分解,烘干溫度不宜過高)烘干，然后將添加2種改性劑的16種改性土碾碎后分為2組進(jìn)行處理，編號為Ⅰ和Ⅱ。第Ⅰ組土樣只過孔徑0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩后進(jìn)行自由膨脹率試驗。第Ⅱ組土樣分別過孔徑0.5，0.25和0.1 mm標(biāo)準(zhǔn)篩后分為d≤0.1 mm、0.1 mm

1)將第Ⅰ、Ⅱ兩組多個土樣混合均勻后烘干，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫。

2)將無徑漏斗放在支架上，漏斗下口對準(zhǔn)量土杯中心并保持10 mm。

3)用取土匙取適量土樣倒入漏斗中，倒土?xí)r取土匙應(yīng)與漏斗壁接觸，并盡量靠近漏斗底部，邊倒邊用細(xì)鐵絲輕輕攪動，當(dāng)量杯裝滿土樣并溢出時，停止向漏斗倒土，移開漏斗刮去杯口多余土，稱量土杯中試樣質(zhì)量，將量土杯中試樣倒入匙中，再次將量土杯置于漏斗下方，將匙中土樣按上述方法全部倒回漏斗并落入量土杯，刮去多余土，稱量土杯中的試樣質(zhì)量。本步驟應(yīng)進(jìn)行2次平行測定，2次測定的差值不得大于0.1 g。

4)在量筒內(nèi)注入30 mL純水，加入5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%氯化鈉(分析純)溶液，將試樣倒入量筒內(nèi)，用攪拌器上下攪拌懸液各10次，用純水沖洗攪拌器和量筒壁至懸液達(dá)50 mL。

5)待懸液澄清后，每2 h測讀1次土面讀數(shù)(估讀至0.1 mL)，直至2次讀數(shù)差值不超過0.2 mL即認(rèn)為膨脹穩(wěn)定。按下式計算自由膨脹率，并準(zhǔn)確至1.0%。

(1)

式中：δef為自由膨脹率 (%)；νwe為試樣在水中膨脹后的體積(mL)；ν0為試樣初始體積，本研究為10 mL。

1.3.2 烘干土樣冷卻與否對量土杯中土樣質(zhì)量的影響 文獻(xiàn)[4]指出，進(jìn)行自由膨脹率試驗的土樣在烘干后要放在干燥器中冷卻至室溫。為研究土樣是否冷卻至室溫對測試結(jié)果的影響程度，先將改性土樣風(fēng)干后碾碎，分別過孔徑0.5，0.25，0.1 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，按1.3.1中第Ⅱ組土樣的處理方法處理后混合均勻，在60 ℃下烘干,按文獻(xiàn)[4]確定土杯中的試樣質(zhì)量。以CPAM摻量為0.1%，0.5%，Na2SiO3·9H2O摻量為0.5%，1.0%，2.5%和5.0%的改性膨脹土為例，按照1.3.1中第Ⅱ組土樣的處理方法過篩取樣，烘干后分不冷卻至室溫和冷卻至室溫2種情況測定10 mL量土杯中的土樣質(zhì)量。

1.3.3 環(huán)境溫度對土樣自由膨脹率的影響 多次試驗發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對膨脹土自由膨脹率的測定結(jié)果也有一定影響。為研究環(huán)境溫度對不同土樣影響的統(tǒng)一性，取來自陜西安康、洋縣和河北邯鄲的3種膨脹土土樣進(jìn)行試驗。具體方法參照文獻(xiàn)[4]，先將試驗所需純水放入恒溫箱中使其溫度達(dá)到試驗溫度(10,15和25 ℃)備用，用四分對角法取上述3種代表性風(fēng)干土樣，分別過孔徑0.5，0.25和0.1 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，使試驗土樣的粒徑組成為d≤0.1 mm、0.1 mm

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度組成對土樣自由膨脹率的影響

由表1可知，10 mL土樣質(zhì)量隨粒徑的減小而降低，自由膨脹率也相應(yīng)減小。由于粒度組成的差異，土樣的自由膨脹率最大達(dá)到53%，最小為20%，隨土樣粒徑的變小，自由膨脹率最大相差33%。若只從最小自由膨脹率看，已足以將原來的膨脹土判別為非膨脹土[8]。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因是,土樣的粒度組成直接影響了10 mL土樣在分散狀態(tài)下的堆積密度，即不同粒度組成的土樣孔隙比不同，土樣質(zhì)量及所含親水性礦物的量不同，最終測得的自由膨脹率也出現(xiàn)了很大差異。結(jié)果說明,自由膨脹率隨土樣質(zhì)量的增加而增大,但是不同粒度組成的土樣，這種關(guān)系的變化幅度可能不同。

表1 10 mL不同粒徑素膨脹土的質(zhì)量及其自由膨脹率Table 1 Masses and free swelling ratios of 10 mL soil samples from with different gradation compositions

由表2可知，3種粒徑土樣的自由膨脹率與其質(zhì)量基本均呈線性關(guān)系，其中0.1 mm

表2 3種不同粒徑土樣在不同取土質(zhì)量下的自由膨脹率Table 2 Free swelling ratios for different masses of soil samples under with different gradation compositions %

添加改性劑Na2SiO3·9H2O和CPAM的改性土Ⅰ、Ⅱ的土樣質(zhì)量和自由膨脹率見表3和表4。

表3 添加改性劑Na2SiO3·9H2O和CPAM的改性土Ⅰ的土樣質(zhì)量和自由膨脹率Table 3 Mass and free swelling ratio of soil Ⅰ modified by Na2SiO3·9H2O and CPAM

由表3和表4可知，10 mL第Ⅰ組土樣的質(zhì)量為8.98～11.30 g，最大質(zhì)量差為2.32 g，10 mL第Ⅱ組土樣的質(zhì)量為9.22～10.13 g，最大質(zhì)量差為0.91 g，Ⅱ組土樣的最大質(zhì)量差明顯減小。當(dāng)改性土樣中Na2SiO3·9H2O的摻量(即Na2SiO3·9H2O與烘干素土的質(zhì)量百分比)為1.0%、CPAM摻量(即CPAM與烘干素土的質(zhì)量百分比)為0.1%時，Ⅱ號土樣的自由膨脹率為40%，比相應(yīng)Ⅰ號改性土樣(23%)提高17%。可見粒度組成會影響膨脹土的判別分類，考慮到工程的安全性，宜選擇第Ⅱ種土樣處理方法測定自由膨脹率。此外，表4中不同改性土樣自由膨脹率測試結(jié)果明顯更具規(guī)律性，說明對第Ⅱ組土樣的過篩處理減小了自由膨脹率的試驗誤差，增加了不同土樣之間的可比性。結(jié)合表2不同粒組測試結(jié)果的相似性,并為適度保持土樣粒度組成的天然性，建議控制試驗土樣的粒徑組成為：d≤0.1 mm土樣占0%～20%，0.1 mm

表4 添加改性劑Na2SiO3·9H2O和CPAM的改性土Ⅱ的土樣質(zhì)量和自由膨脹率Table 4 Mass and free swelling ratio of soilⅡmodified by Na2SiO3·9H2O and CPAM

2.2 烘干土樣冷卻與否對量土杯中土樣質(zhì)量的影響

由表5可知，同一土樣在干燥缸中冷卻后量土杯中試樣質(zhì)量均較冷卻前稍大，由于本試驗改性土樣中摻加了有機(jī)物，因此設(shè)定的溫度為60 ℃，若烘土溫度為100 ℃，則量土杯中試樣的質(zhì)量差會更大。物體密度會因溫度的升高而變小，因此高溫情況下10 mL量土杯中的土樣總質(zhì)量偏小;另外,熱土易吸收空氣中的水分，這也會導(dǎo)致實際稱量的干土顆粒質(zhì)量變小。結(jié)合表2可知，熱土樣的自由膨脹率會偏小。因此,在實際工程中，很多試驗人員為節(jié)省時間將未經(jīng)冷卻的土樣直接用以確定取土質(zhì)量的做法將會導(dǎo)致自由膨脹率的測試結(jié)果偏低，但影響不大。

表5 添加改性劑Na2SiO3·9H2O和CPAM的改性土冷卻與否的土樣質(zhì)量Table 5 Masses of soil samples modified by Na2SiO3·9H2O and CPAM through cooling or notwith and without cooling g

2.3 環(huán)境溫度對土樣自由膨脹率的影響

由表6可知，3種膨脹土在不同溫度下的自由膨脹率均相差較大，低溫環(huán)境對試驗結(jié)果影響十分明顯，以安康土為例，在10 ℃下其自由膨脹率為35%，根據(jù)相關(guān)判別標(biāo)準(zhǔn)，判為非膨脹土,在25 ℃下其自由膨脹率為50%,為弱膨脹土。

溫度之所以會對自由膨脹率有如此明顯的影響，從分子熱運(yùn)動的角度看，因為親水性物質(zhì)在吸水膨脹的過程中受到溫度的影響，溫度越高水分子的熱運(yùn)動平均動能越大，與土粒中的親水性礦物作用越劇烈，擴(kuò)散雙電層的厚度越大，當(dāng)這一吸水膨脹的過程結(jié)束后，擴(kuò)散雙電層處于動態(tài)平衡狀態(tài)，短時間內(nèi)不會再收縮變薄。因此，環(huán)境溫度高會導(dǎo)致測試結(jié)果偏大，反之亦然。對比分析不同土樣的自由膨脹率時，建議在環(huán)境溫度約為25 ℃的室溫條件下進(jìn)行。

表6 3種膨脹土在不同測定溫度下的自由膨脹率Table 6 Free swelling ratios of the three expansive soils under different temperatures %

3 結(jié) 論

1)在粒徑組成、環(huán)境溫度和冷卻與否3種因素中，粒徑組成對自由膨脹率測試結(jié)果的影響最大。采用控制供測土樣粒度組成的方法可以有效提高不同土樣自由膨脹率試驗結(jié)果的可比性，同時能夠減小試驗誤差。建議將土樣分別過孔徑0.5，0.25和0.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩分為3個粒組，再分別按粒徑d≤0.1 mm占0%～20%，0.1 mm

2)環(huán)境溫度對自由膨脹率測試結(jié)果有一定的影響，本試驗結(jié)果表明，自由膨脹率隨測試環(huán)境溫度的升高而增大。雖然在文獻(xiàn)[4]中已明確測試結(jié)果可以有小于8%的誤差，但為便于比較不同研究的結(jié)果，試驗應(yīng)在溫度相近的環(huán)境條件下進(jìn)行。在對土進(jìn)行判別分類時，應(yīng)以較高溫度下的測試結(jié)果為準(zhǔn)，如夏季測定膨脹土的自由膨脹率，即按最危險的情況進(jìn)行處理。因此建議在室溫(25 ℃)條件下進(jìn)行試驗。

3)在確定取土質(zhì)量時，烘干后的土樣是否冷卻至室溫對自由膨脹率的測試結(jié)果影響不大，但為提高試驗精度，仍建議先將烘干土樣放入干燥缸中冷卻至室溫后再進(jìn)行后續(xù)操作。

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Study on improving Improving the accuracy of free swelling ratio test

ZHANG Wei-li,LI Yong-hong,DANG Jin-qian,WANG Fei

(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study analyzed the error sources of free swelling ratio test to provide basis for improving its accuracy.【Method】 The study took expansive soil samples from Ankang and Yangxian in Shaanxi and Handan in Hebei.The Ankang expansive soil samples were sieved to particle diameters (d≤0.1 mm,0.1 mm

expansive soil;modified soil;free swelling ratio;gradation composition;environment temperature

時間:2015-08-05 08:57

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.029

2014-02-28

張偉利(1987-)，女，河南鄭州人，碩士，主要從事膨脹土工程性質(zhì)研究。E-mail:weili1987.love@163.com

黨進(jìn)謙(1964-)，男，陜西澄城人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事黃土工程性質(zhì)研究。E-mail:dangjinqian@163.com

TU411

A

1671-9387(2015)09-0203-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150805.0857.058.html