黏土中摻和蒙脫石粉配制高塑性黏土研究

張 婷，周 密，何曉民，羅 菊

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

黏土中摻和蒙脫石粉配制高塑性黏土研究

張 婷，周 密，何曉民，羅 菊

科技成果

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

土石壩工程建設(shè)中，一般需要在防滲墻、廊道等混凝土結(jié)構(gòu)與心墻結(jié)合處設(shè)置一定范圍的高塑性黏土，但是直接從自然界中獲取符合工程建設(shè)要求的高塑性黏土存在一定的困難，因而提出在普通黏土中摻和蒙脫石粉人工配制高塑性黏土，研究了蒙脫石粉摻和量對(duì)黏土工程特性的影響，對(duì)比了不同摻和量的黏土液塑限、三軸試驗(yàn)成果，表明當(dāng)蒙脫石粉摻和量為25%時(shí)，配制成的高塑性黏土符合規(guī)范要求的顆粒含量、液限及塑性指數(shù)要求，此為最經(jīng)濟(jì)的摻和量比，研究成果可為相關(guān)工程參考。

高塑性黏土；蒙脫石；摻和量；黏土

0 引 言

土石壩工程建設(shè)中，一般需要在防滲墻、廊道等混凝土結(jié)構(gòu)與心墻結(jié)合處設(shè)置一定范圍的高塑性黏土[1]，高塑性黏土屬于高液限土，在工程中判別高液限土的3個(gè)指標(biāo)為：小于0.075mm的顆粒含量>50%、液限>50%，塑性指數(shù)>26的細(xì)粒土[2]；1949年Burmister提出塑性指數(shù)介于20-40之間就可稱為高塑性土。

高塑性黏土與普通黏土相比變形模量更低，能適應(yīng)較大的變形而不產(chǎn)生裂縫，且具有更好的裂縫自愈能力[3]，因此高塑性黏土在土石壩工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，但是高塑土是高參數(shù)敏感性材料，直接從自然界獲取符合工程建設(shè)要求的高塑性黏土存在一定的困難。

文章提出在普通黏土中摻入一定量的蒙脫石粉，配制成高塑性黏土以滿足工程要求。為研究蒙脫石粉摻和量對(duì)黏土工程特性的影響，開展不同蒙脫石粉摻和量的黏土液塑限、三軸試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上提出最經(jīng)濟(jì)的摻和量比，對(duì)其它類似工程有借鑒作用。

1 普通黏土的工程特性

對(duì)天然黏土，在室內(nèi)進(jìn)行大型擊實(shí)試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)料的最大干密度和最優(yōu)含水率。輕型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)筒尺寸Ф300×H288mm，擊實(shí)錘質(zhì)量15.5kg，落高60cm，試樣分3層填裝，每層擊數(shù)44次，單位體積功能591.9kJ/m3。擊實(shí)試驗(yàn)成果見表1。

表1 擊實(shí)試驗(yàn)成果表

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范DL/T5395—2007》中對(duì)黏性土的壓實(shí)度有如下要求[5]：用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的方法，如采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)，對(duì)1級(jí)、2級(jí)壩和高壩的壓實(shí)度應(yīng)≥98%-100%，3級(jí)及其以下的壩(高壩除外)壓實(shí)度應(yīng)≥96%-98%；對(duì)高壩如采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，壓實(shí)度可適當(dāng)降低，但≥95%。針對(duì)天然土料，按輕型擊實(shí)試驗(yàn)壓實(shí)度98%計(jì)算，試驗(yàn)干密度為1.68 g/cm3。

天然土料，在本次試驗(yàn)級(jí)配、試驗(yàn)密度條件下，非飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力為81kPa，摩擦角為24.3°；飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力為60.7kPa，摩擦角為19.6°，較非飽和狀態(tài)略有降低。

2 高塑性黏土的試驗(yàn)

2.1 摻和工藝

蒙脫石如圖1所示，在普通黏土中摻加蒙脫石粉攪拌均勻后的高塑性黏土如圖2所示。

圖1 蒙脫石粉

圖2 摻蒙脫石粉的黏土

在黏土中摻和蒙脫石粉具體工藝如下：

1)將黏土料風(fēng)干輕度過碾，過5mm的篩將其拌合均勻測(cè)風(fēng)干含水率。

2)以蒙脫石粉摻量為25%的高塑性黏土為例，按干土質(zhì)量(75%)：蒙脫石(25%)進(jìn)行摻配，拌合均勻；

3)按要求的含水率噴水備樣，這一步為關(guān)鍵步驟，為了保證試樣充分吸濕，需采用霧狀噴水，然后充分?jǐn)嚢?，并將備好的土樣放入密封容器?nèi)里靜置24h以上；

4)將土樣倒出后測(cè)其含水率，配制好的黏土摻蒙脫石粉后的高塑性黏土如圖3所示。

圖3 配制成的高塑性黏土

2.2 物理性質(zhì)

對(duì)不同摻量的高塑性黏土的液限、塑限以及塑性指數(shù)進(jìn)行測(cè)量，入錐深度17mm對(duì)應(yīng)的含水率稱為液限含水率，試驗(yàn)成果如表2所示，給出了摻膨潤土的液塑限成果。

表2 不同礦物摻和量的黏土液塑限試驗(yàn)成果

塑性指數(shù)IP表示黏性土處于可塑狀態(tài)的含水量的變化范圍，塑性指數(shù)越大，說明該狀態(tài)的含水量變化范圍也越大。由表3可知，摻膨潤土對(duì)液塑限的提高程度不及摻蒙脫石粉；高塑性黏土的塑性指數(shù)為20-40，考慮到摻配的均勻性與經(jīng)濟(jì)性，選擇蒙脫石粉摻量為25%的高塑性黏土作為模型試驗(yàn)材料，此時(shí)的塑性指數(shù)為27.1。

將高塑性黏土(添加蒙脫石質(zhì)量等于黏土質(zhì)量25%的混合土)配制成含水量為24.5%的土樣，放置在密封塑料筒中24h以上，作為試驗(yàn)材料。

2.3 擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)配制理論含水率分別為19%、21%、23%、25%、27%、29%的高塑性黏土料進(jìn)行擊實(shí)功592.2kJ/m3的輕型擊實(shí)試驗(yàn)，以干密度為縱坐標(biāo)，含水率為橫坐標(biāo)，繪制干密度與含水率的擊實(shí)關(guān)系曲線，如圖4所示。曲線上的峰值點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)分別代表土的最大干密度和最優(yōu)含水率。

圖4 高塑性黏土樣ρd-w關(guān)系曲線

由圖4擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果可知，當(dāng)配制的高塑性黏土的最優(yōu)含水率為24.5%，所對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.54g/cm3。

2.4 三軸試驗(yàn)

進(jìn)行高塑性黏土的三軸試驗(yàn)，其成果如下表3所示，其中CCD為黏聚力，φCD為內(nèi)摩擦角，K、n分別為初始彈性模量基數(shù)和彈性模量指數(shù)，Kb、m分別為初始體積模量基數(shù)和體積模量指數(shù)，Rf為破壞比。

由表3可知，配制成的高塑性黏土初始彈性模量基數(shù)K值為86.6，<139.9黏土初始彈性模量基數(shù)K值，初始體積模量基數(shù)Kb值也相應(yīng)變小，表明其變形模量更低；強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力與摩擦角有所降低，但破壞比Rf從黏土?xí)r的0.836提高到高塑性黏土?xí)r候的0.905，表明高塑性黏土的抗剪切破壞的能力要強(qiáng)于黏土，滿足工程建設(shè)要求。

表3 三軸試驗(yàn)成果表

3 結(jié) 論

1)采用在普通黏土中摻和蒙脫石粉人工配制高塑性黏土，具有施工方便、快速高效，且質(zhì)量可控的優(yōu)點(diǎn)，在工程建設(shè)中是可行的。

2)對(duì)比了不同摻和量的黏土液塑限、三軸試驗(yàn)成果，表明當(dāng)蒙脫石粉摻和量為25%時(shí)，配制成的高塑性黏土符合規(guī)范要求的顆粒含量、液限及塑性指數(shù)要求，此為最經(jīng)濟(jì)的摻和量比。

[1]張丹, 伍小玉, 熊堃.高土心墻堆石壩防滲墻與心墻連接部位高塑性黏土區(qū)設(shè)置研究[J].水電站設(shè)計(jì), 2014, 30(3): 68-72.

[2]中華人民共和國交通部.公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社, 2006.

[3]中華人民共和國水利部.DL/T5395碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 中國水利水電出版社, 2007.

Study on Mixing Montmorillonite Powder with Clay to Configure High Plasticity Clay

ZHANG Ting;ZHOU Mi;HE Xiao-mi and LUO Ju

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Commonly, high plasticity clay in a certain range is commonly used in the junction between corridor wall, concrete structure with core wall in the dam engineering construction. However, high plasticity clay fitting for the construction requirements is difficult to obtain directly from the nature, the method that mixing montmorillonite powder with clay to configure the high plasticity clay manually comes to be put forward. The paper studied the influence of montmorillonite powder contents on the properties of clay engineering and compared liquid limit, plastic limit and triaxial test results of the clay mixed with different amount montmorillonite. The results show that when the montmorillonite powder admixture content is 25%, the particle content, liquid limit and plasticity index of high plasticity clay configured fits to the specifications requirements. It is the most economic quantity of admixture content ratio and the results will be references for related engineering.

high plasticity clay; montmorillonite; admixture content; clay

1007-7596(2016)11-0001-03

2016-10-21

張婷(1983-)，女，湖北武漢人，工程師；周密(1980-)，女，湖北武漢人，工程師；何曉民(1961-)，女，湖北武漢人，高級(jí)工程師；羅菊(1963-)，女，湖北武漢人，工程師。

TV443.1

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