封閉系統(tǒng)條件下膨潤(rùn)土改性黏土的凍融特性研究

馬 利，崔 自 治，景 鑫

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

膨潤(rùn)土因富含蒙脫石和伊利石等黏土礦物，具有顯著的脹縮性、親水性和陽離子結(jié)合能力[1]，在保護(hù)環(huán)境、醫(yī)療、化工、水的凈化、土木工程等方面[2-4]都有應(yīng)用。在土木工程領(lǐng)域，它主要應(yīng)用于工程防滲和泥漿護(hù)壁。劉陽生等[5]研究了膨潤(rùn)土加入量、壓實(shí)含水率和壓實(shí)干密度等因素對(duì)壓實(shí)黏土土樣抗壓強(qiáng)度和滲透性能的影響。結(jié)果表明：膨潤(rùn)土摻量為6%～7%時(shí)，黃土的抗壓強(qiáng)度最大，膨潤(rùn)土摻量為8%時(shí)對(duì)紅土的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能都有很大改善，壓實(shí)含水率為24%左右時(shí)紅土及其改性黏土的抗壓性能與防滲性能同時(shí)得到優(yōu)化。史建峰[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土能較好地改善水泥漿的黏度、吸水率等工作性能。梅丹兵等[7]將膨潤(rùn)土改性黏土作為豎向隔離材料進(jìn)行了坍落度試驗(yàn)研究。楊旭等[8]從滲流量和滲透穩(wěn)定角度出發(fā)，深入研究了膨潤(rùn)土防水毯搭接處的防滲問題。陳永貴等[9]對(duì)膨潤(rùn)土-紅黏土混合土的滲透試驗(yàn)進(jìn)行了研究。溫亞楠等[10]對(duì)黏土摻加納米膨潤(rùn)土的強(qiáng)度進(jìn)行了研究。何俊等[11]對(duì)膨潤(rùn)土改性黏土中裂隙擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究，研究表明反復(fù)凍融會(huì)改變土的物理性質(zhì)和力學(xué)性能，如使壓實(shí)土變得疏松、強(qiáng)度降低、壓縮性和滲透性增大等[12-14]。寧夏銀川平原渠道縱橫，渠道防滲是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要途徑，但銀川平原的土壤含砂率高，滲透性大，作為防滲材料，難以達(dá)到防滲效果。為了改善土壤的抗?jié)B性，崔自治團(tuán)隊(duì)[15-17]研究了膨潤(rùn)土改性黏土、膨潤(rùn)土改性黃土、膨潤(rùn)土改性砂土和膨潤(rùn)土-黏土-砂土復(fù)合材料的滲透性及力學(xué)性能等。研究結(jié)果表明：膨潤(rùn)土能明顯降低土壤的滲透性，膨潤(rùn)土的最佳摻量在4%左右，且對(duì)土壤的力學(xué)性能沒有明顯的不利影響，為膨潤(rùn)土在寧夏防滲工程中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，寧夏為季節(jié)性凍土區(qū)，反復(fù)凍融勢(shì)必影響膨潤(rùn)土改性土的抗?jié)B性和力學(xué)性能，決定了膨潤(rùn)土改性土能否適用。因此進(jìn)行膨潤(rùn)土改性黏土的凍脹融沉變形研究是非常必要的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

黏土取自寧夏銀川，密度ρ=1.87 g/cm3，含水率w=24.6%，最優(yōu)含水率wopt=17.6%，最大干密度ρdmax=1.62 g/cm3，土粒相對(duì)密度ds=2.73，塑限wp=28.6%，液限wL=17.3%，塑性指數(shù)為11.3，為粉質(zhì)黏土。粒徑分布見圖1，其中粒徑在0.075～0.005 mm之間的粉粒占約67%，黏粒含量較少，約為16%。

圖1 黏土的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of clay

膨潤(rùn)土來自市場(chǎng)銷售，主要礦物質(zhì)為蒙脫石，外比表面積為59.1 m2/g[19]。

1.2 試驗(yàn)方法

以干密度ρd、飽和度Sr(%)、膨潤(rùn)土摻量B(%)為因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案L9(34)，因素與水平列于表1，其中e為誤差列。干密度設(shè)1.40，1.50和1.60三種水平，飽和度Sr設(shè)30%，50%和70%三種水平，膨潤(rùn)土摻量B設(shè)0，2%和4%三種水平[17-18]。凍結(jié)溫度設(shè)為-28.0 ℃，融化溫度設(shè)為20.0 ℃[18]。凍融之前測(cè)出試樣的原始高度作為參考量，之后測(cè)定凍融循環(huán)N=0，1，3，7，12次和20次時(shí)的試樣凍脹量和融化下沉量。每個(gè)凍融循環(huán)凍24 h，融24 h。

表1 因素與水平Tab.1 Factors and levels

試樣制備：將黏土風(fēng)干、碾散、攪拌，測(cè)定含水率。按試驗(yàn)方案稱取黏土、膨潤(rùn)土和純凈水，先將黏土和膨潤(rùn)土混合攪拌，再加純凈水拌勻。用壓樣器制備直徑69.8 mm、高40.0 mm的試樣9個(gè)，用于研究膨潤(rùn)土改性黏土的凍融特性。

凍融試驗(yàn)：采用封閉系統(tǒng)單向凍融試驗(yàn)方法，在可控溫度的低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行。凍融循環(huán)后用千分表分別測(cè)定試件在凍脹和融沉后的高度，計(jì)算凍脹率η和融沉系數(shù)δ。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果列于表2，凍脹率和融沉系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系示于圖2。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test schemes and results

圖2 凍脹率和融沉系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between frost heaving ratio and thawing settlement coefficient and the numbers of freeze-thaw cycles

由表2和圖2可以看出：① 9組試樣的凍脹率和融沉系數(shù)都大于0，呈現(xiàn)為凍結(jié)膨脹，融化下沉，且凍脹量大于融沉量，凍融后試樣體積增大。凍融20次時(shí)的最大凍脹率為2.12%，最大融沉系數(shù)為1.43%，盡管膨潤(rùn)土改性黏土的凍融變形不是很大，但不容忽視。② 凍脹率和融沉系數(shù)均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，前3次凍融循環(huán)內(nèi)試樣凍融變形增加較快，之后增加緩慢，7次凍融循環(huán)后基本達(dá)到穩(wěn)定。③ 凍脹和融沉變形最大的是第3組，其次是第6組，共同的參數(shù)特征為干密度較小，飽和度大，或膨潤(rùn)土摻量低。凍脹和融沉變形最小的一組為第6組，其干密度大，飽和度小，膨潤(rùn)土摻量高。且可以發(fā)現(xiàn)最大最小凍脹率相差很大，凍融20次時(shí)達(dá)1.79%。凍融變形小的試樣凍融變形達(dá)到穩(wěn)定所需凍融循環(huán)次數(shù)少，反之凍融變形大的試樣凍融變形達(dá)到穩(wěn)定所需凍融循環(huán)次數(shù)多。凍融變形隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，是因凍融過程中水的遷移、集聚所致[19]。密實(shí)度大或膨潤(rùn)土含量越高，水的遷移則受到抑制，土體的凍融變形量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

2.1 趨勢(shì)分析

按正交試驗(yàn)理論分別計(jì)算出各因素相同水平組膨潤(rùn)土改性黏土的凍脹率η與融沉系數(shù)δ的平均值k。平均值k隨干密度ρd、飽和度Sr和膨潤(rùn)土摻量B變化的趨勢(shì)分別示于圖3、4。

圖3 凍脹率變化趨勢(shì)Fig.3 Trend curves of frost heaving ratio

由圖3、4可見：封閉系統(tǒng)條件下，試樣的凍脹率和融沉系數(shù)均隨干密度的增大呈非線性減小，干密度較小時(shí)，減小的幅度較大。凍脹率和融沉系數(shù)均隨飽和度的增大呈明顯的非線性增長(zhǎng)，且飽和度較高時(shí)，增加的幅度也明顯較大。凍脹率和融沉系數(shù)均隨膨潤(rùn)土摻量的增大呈一定的非線性減小，膨潤(rùn)土摻量較大時(shí)，減小的幅度降低，摻加膨潤(rùn)土有利于減小土的凍融變形。膨潤(rùn)土具有凍結(jié)收縮特性[20]，這是因?yàn)閺?qiáng)烈的親水性、吸附性和陽離子結(jié)合能力[1]使之吸附土中的水，使土中水相對(duì)減少，土體變得干硬，土中部分自由水變成結(jié)合水，甚至強(qiáng)結(jié)合水，水的遷移和凍結(jié)受到抑制，凍脹變形減小。土中水減少，土的強(qiáng)度增大，使得土體在自重作用下的融沉減小。

圖4 融沉系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.4 Trend curves of thawing settlement coefficient

2.2 因素分析

2.2.1極差分析

正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果示于圖5。由圖5可見：在封閉系統(tǒng)條件下凍融時(shí)，飽和度的作用極差較大，干密度的作用極差次之，膨潤(rùn)土的作用極差較小，誤差列e的極差最小，說明飽和度為首要影響因素，干密度為次要影響因素，膨潤(rùn)土摻量的影響最小。試驗(yàn)誤差較小，不存在不可忽略的交互作用。

2.2.2方差分析

正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果列于表3，顯著性水平a為0.10，0.05和0.01時(shí)，相應(yīng)的F臨界值分別為9.00，19.00和99.01。由表3可見，干密度和飽和度對(duì)凍脹率影響顯著；干密度對(duì)融沉系數(shù)影響較顯著，飽和度對(duì)融沉系數(shù)影響顯著；膨潤(rùn)土摻量對(duì)凍脹率和融沉系數(shù)影響均不顯著。可以發(fā)現(xiàn)飽和度和干密度是影響膨潤(rùn)土改性黏土凍融變形特性的主控因素。因此進(jìn)行防水、排水和隔水設(shè)計(jì)，降低土的飽和度，是減小膨潤(rùn)土改性黏土凍融變形的重要措施。雖然膨潤(rùn)土對(duì)膨潤(rùn)土改性黏土凍融變形影響不顯著，但其對(duì)降低凍融變形有利，這為膨潤(rùn)土改性黏土作為防滲材料提供了理論依據(jù)。

圖5 凍脹率和融沉系數(shù)極差結(jié)果Fig.5 Ranges result of frost heaving ratio and thawing settlement coefficient

表3 方差分析結(jié)果

2.2.3回歸分析

由圖2可以看到，9組試樣的凍脹率和融沉系數(shù)均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，并逐漸趨于某一定值。凍脹率和融沉系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系均符合雙曲線關(guān)系：

(1)

式中：y為凍脹率或融沉系數(shù)，%；N為凍融循環(huán)次數(shù)；a、yu為擬合系數(shù)，yu的意義是N趨向于無窮大時(shí)試樣的凍脹率或融沉系數(shù)，%。

由最小二乘擬合得到的a、yu和R2，列于表4。a、yu是干密度、飽和度和膨潤(rùn)土摻量的函數(shù)，yu略大于凍融循環(huán)穩(wěn)定時(shí)的值。R2非常接近于1.0，尚有部分因取舍等于1.0，可見凍脹率和融沉系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性非常高，用雙曲線擬合的顯著性高。

進(jìn)一步擬合可得a、yu和干密度、飽和度、膨潤(rùn)土摻量的關(guān)系。

關(guān)于凍脹率：

(2)

(3)

關(guān)于融沉系數(shù)：

(4)

(5)

表4 回歸分析參數(shù)Tab.4 Regression analysis parameters

表5 回歸參數(shù)的顯著性Tab.5 Significance of regression parameters

由表5可見，融沉系數(shù)的擬合系數(shù)a的顯著性水平稍低，與干密度、飽和度和膨潤(rùn)土摻量相關(guān)性稍差。除此之外，凍脹率的擬合系數(shù)的顯著性水平都很高，與干密度、飽和度和膨潤(rùn)土摻量相關(guān)性都很好。

3 結(jié) 論

(1) 封閉系統(tǒng)凍融條件下，膨潤(rùn)土改性黏土的凍脹融沉變形隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，二者呈相關(guān)性很好的雙曲線關(guān)系。

(2) 飽和度和干密度對(duì)膨潤(rùn)土改性黏土的凍脹量和融沉量影響顯著，在工程施工和使用過程中應(yīng)嚴(yán)格控制。

(3) 膨潤(rùn)土摻量對(duì)膨潤(rùn)土改性黏土的凍脹量和融沉量影響不顯著，但摻膨潤(rùn)土對(duì)降低凍脹和融沉變形是有利的，膨潤(rùn)土改性黏土作為防滲材料用于季節(jié)性凍土區(qū)是可行的。