十八胺改性下膨脹土斥水與變形特性試驗(yàn)研究

敖煒超， 王茂勝， 劉嘉銘， 付芳遠(yuǎn)， 吳珺華

（南昌航空大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330063）

引 言

隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略性目標(biāo)的逐步實(shí)施，諸多膨脹土地區(qū)會遇到地質(zhì)、氣候等原因，可能會引起工程安全問題[1]，如邊坡失穩(wěn)[2]、管涌[3]、地面變形[4]、地面沉降[5]等，合理解決膨脹土工程問題具有重要意義[6]。膨脹土富含蒙脫石等親水性粘土礦物[7]，其工程性質(zhì)比一般黏性土更為復(fù)雜：水的反復(fù)作用導(dǎo)致膨脹土工程性質(zhì)迅速惡化，使得膨脹土地區(qū)工程長期遭受嚴(yán)重破壞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[8]。常見的改性方式主要有物理改性[9-11]、生物改性[12-14]和化學(xué)改性[15-18]。部分學(xué)者[19-20]采用石灰[21-22]、水泥[23]、橡膠顆粒[24]、天然砂礫[25]、巖石纖維[26]、高爐水渣[27]甚至植被根系[28]等材料來改善膨脹土的脹縮性，并且在研究了化學(xué)改性后膨脹土的膨脹性能后，發(fā)現(xiàn)膨脹土本身仍具有強(qiáng)烈的親水性，改性效果不明顯，但意識到隔水防水在膨脹土工程防護(hù)中的重要性[29]。然而目前常用防水措施只是將部分土體與水隔離，并未改變土體親水性的內(nèi)在本質(zhì)，防滲長期性無法保證。一旦水進(jìn)入土體內(nèi)部并長期反復(fù)作用，那么看似穩(wěn)定的邊坡仍有可能再次失穩(wěn)[30]。

如果能夠通過技術(shù)手段對膨脹土顆粒進(jìn)行處理，使其由親水性變?yōu)槌馑裕瑫r其膨脹變形特性亦有所改善，那么膨脹土受水分變化影響而帶來的脹縮變形問題可以有效避免，相應(yīng)的工程問題就不易出現(xiàn)[31]。因此，本文以十八胺為斥水劑，通過配置不同初始含水率和不同十八胺含量的膨脹土試樣，進(jìn)行了斥水等級測定試驗(yàn)和膨脹率試驗(yàn)，獲得了不同十八胺含量、初始含水率對改性膨脹土的斥水性與膨脹變形的影響規(guī)律，為有效解決膨脹土工程問題提供新的思路。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自昆明市某地區(qū)，風(fēng)干碾碎后過2 mm 篩備用。參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）中的規(guī)定，其基本參數(shù)為：相對密度2.71 g/cm3，最大干密度1.56 g/cm3，最優(yōu)含水率27.2%，液限63.5%，塑限30.8%，塑性指數(shù)32.7，自由膨脹率52%，該膨脹土自由膨脹率小于60%，屬于弱膨脹土。采用丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的BT-9300Z 型激光粒度分布儀測定其顆粒級配曲線見圖1，其中粒徑 < 0.002 mm、0.002～0.02 mm 和0.02～2 mm 的土壤顆粒質(zhì)量占比分別為6.72%、56.32%和36.96%。根據(jù)國際土壤質(zhì)地三角形分類法可知，試驗(yàn)用土為粉砂質(zhì)壤土。

圖1 膨脹土粒徑級配曲線

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 斥水等級測定試驗(yàn)

采用滴水穿透時間法測定改性后膨脹土的斥水等級，分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。將十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.2%、0.3%、0.5%、0.8%分別與膨脹土進(jìn)行攪拌均勻后放置75 ℃烘箱中，每隔兩時取出攪拌均勻后再放入烘箱，共攪拌四次以獲得改性膨脹土。為降低制樣不均勻性的影響，在試樣表面選取3 處（正三角形分布，間距4 cm）測定滴水穿透時間，每處滴水量為80 μL，取其平均值作為最終結(jié)果。整個試驗(yàn)過程中溫度控制在（24 ± 1）℃，濕度控制在64% ± 2%。

表1 斥水等級分類標(biāo)準(zhǔn)—滴水穿透時間法

1.2.2 無荷膨脹率試驗(yàn)

根據(jù)斥水等級測定結(jié)果選取十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.2%、0.3%、0.5%和0.8%，初始含水率分別控制在5%、10%、15%和20%等共20 組試樣，將其密封24 h 后采用千斤頂取樣。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）采用WG-1B 型三聯(lián)中壓固結(jié)儀開展無荷膨脹率試驗(yàn)。

1.2.3 有荷膨脹率試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣制備與無荷膨脹率試驗(yàn)土樣相同，將土樣放置固結(jié)儀中，豎向荷載分別施加50、100、200、400 kPa，嚴(yán)格根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）開展有荷膨脹率試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改性膨脹土斥水等級

不同十八胺含量改性膨脹土斥水等級測定結(jié)果見表2。可以看出：在十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)未超過0.2%時，試樣從無斥水到輕微斥水。由于十八胺含量少，大部分土顆粒表面未被十八胺覆蓋，導(dǎo)致斥水性不明顯；當(dāng)十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%和0.5%時，斥水等級為中等和嚴(yán)重，此時試樣具有較好的斥水性；當(dāng)十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，試樣斥水等級為極度。這表明，膨脹土斥水性隨著十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

表2 改性膨脹土斥水等級

2.2 改性膨脹土的無荷膨脹率

2.2.1 十八胺及含水率對無荷膨脹率的影響

不同十八胺含量、試樣含水率對改性膨脹土無荷膨脹率的影響規(guī)律見圖2。圖2a 可以看出：相同十八胺含量下，隨著含水率的增加，膨脹土的無荷膨脹率逐漸降低。隨著含水率的增加，試樣內(nèi)部孔隙被水分充填的區(qū)域越大，吸水能力下降，試樣膨脹變形量逐漸減小。圖2b 可以看出：在相同含水率下，隨著十八胺含量的增加，無荷膨脹率迅速減小并逐漸趨于穩(wěn)定。隨著十八胺含量的添加，十八胺覆蓋在膨脹土顆粒表面的區(qū)域越大，外界水分越難滲入試樣內(nèi)部，導(dǎo)致其無荷膨脹率減小。含水率為15%的試樣，當(dāng)十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增至0.2%時，其無荷膨脹率從12.1%降至9.9%，降幅約20%；十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.5%時，其無荷膨脹率降幅變緩，約為5.6%；十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.8%時，其無荷膨脹率幾乎保持不變。這表明，十八胺能在一定程度上降低膨脹土的膨脹性，但并不能無限降低膨脹性，存在一個臨界范圍。根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，其斥水性能達(dá)到極度，而無荷膨脹率亦能有效降低。

圖2 無荷膨脹率隨含水率與十八胺含量關(guān)系

2.2.2 十八胺及含水率對膨脹時程的影響

本文以十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.2%、0.5%和0.8%時無荷膨脹率隨時間變化曲線為例，探究不同十八胺含量及含水率對膨脹土膨脹時程的影響規(guī)律，結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯?）十八胺含量相同時，試樣初始含水率越小，到達(dá)膨脹穩(wěn)定時的膨脹量越大。這是因?yàn)樵谑税泛肯嗤瑫r，初始含水率越小，試樣內(nèi)部孔隙可入滲更多水分，其達(dá)到膨脹變形穩(wěn)定時的膨脹量就越大；2）未添十八胺時，隨著時間的推移，無荷膨脹率的膨脹量先增長較快，歷時4 d 后趨于穩(wěn)定。添加十八胺后，膨脹時程曲線呈現(xiàn)出倒“S”型：膨脹初期，試樣吸水緩慢膨脹，經(jīng)歷某一時間段后膨脹速率明顯增大，到達(dá)一定值后膨脹速率明顯減緩，最終趨于穩(wěn)定。十八胺的存在會一定程度上減小水分入滲通道，延緩水分入滲過程，且十八胺含量越多，延緩程度越明顯。但是水分仍然可以緩慢滲入內(nèi)部孔隙，只是入滲時間相對延長，因此表現(xiàn)為初期膨脹速率較小，曲線上呈現(xiàn)為緩慢上升型；當(dāng)水分滲入一定時間后，試樣孔隙內(nèi)部水分連通范圍逐漸增大，此時水分入滲量會顯著增大，膨脹速率亦明顯增大。當(dāng)其內(nèi)部孔隙通道被水完全貫通后，其膨脹速率又會明顯降低，此時十八胺的存在對水分入滲幾乎沒有影響；3）試樣含水率相同時，隨著十八胺含量的增加，其無荷膨脹率達(dá)到穩(wěn)定的時間越短，且相應(yīng)的無荷膨脹率越小。含水率為20%時的試樣，當(dāng)十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時，其膨脹穩(wěn)定歷時約為4000 min，無荷膨脹率為11.18%；當(dāng)十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，其膨脹穩(wěn)定歷時約為2000 min，無荷膨脹率為8.16%，降幅約30%。

圖3 不同十八胺含量的無荷膨脹時程曲線

2.3 改性膨脹土的有荷膨脹率

2.3.1 初始含水率對有荷膨脹率的影響

圖4 為不同初始含水率時試樣有荷膨脹率隨荷載變化曲線?？梢钥闯觯?）十八胺含量相同時，有荷膨脹率隨初始含水率的增大而減小，這與無荷膨脹率的試驗(yàn)結(jié)果類似；2）有荷膨脹率隨著豎向荷載的增大而逐漸減小。當(dāng)豎向荷載較小時，十八胺含量和初始含水率對有荷膨脹率有較大影響。隨著豎向荷載的增大，降低幅度逐漸減小，荷載成為影響膨脹率的主要因素。

圖4 不同含水率下有荷膨脹率隨荷載關(guān)系曲線

2.3.2 十八胺含量對有荷膨脹率的影響

圖5 為不同十八胺含量下，試樣有荷膨脹率隨荷載變化關(guān)系曲線。可以看出：豎向荷載相同時，隨著十八胺含量的增加，試樣有荷膨脹率逐漸減小。當(dāng)十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，其有荷膨脹率最小。當(dāng)試樣含水率為20%、豎向荷載為50 kPa條件下，十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%到0.8%，其有荷膨脹率從4.89%降至2.14%，降幅約57%。這表明，十八胺的存在亦能有效降低膨脹土的膨脹性，這對工程是有利的。

圖5 不同十八胺含量下膨脹率與荷載關(guān)系

3 結(jié) 論

1）十八胺含量和初始含水率是影響膨脹土膨脹性的重要因素。十八胺含量相同時，無荷膨脹率與有荷膨脹率均隨初始含水率的增大而減小。試樣含水率相同時，隨著十八胺含量的增加，無荷膨脹率逐漸下降并趨于穩(wěn)定，無荷膨脹率穩(wěn)定歷時從4 d 縮短至2 d，且最大膨脹率從12.9%減小至9.4%，降幅約30%。當(dāng)豎向荷載較小時，十八胺含量和初始含水率對有荷膨脹率有較大影響；當(dāng)豎向荷載較大時，荷載是影響膨脹土膨脹性的重要因素。

2）十八胺的存在能有效抑制膨脹土的膨脹特性。十八胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的試樣，斥水等級為極度，能較大程度抑制膨脹土的吸水膨脹性，同時斥水效果好，可為膨脹土地區(qū)相關(guān)問題的解決提供參考。