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      十八胺改性下膨脹土斥水與變形特性試驗(yàn)研究

      2021-08-31 00:43:26敖煒超王茂勝劉嘉銘付芳遠(yuǎn)吳珺華
      關(guān)鍵詞:膨脹率含水率改性

      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。

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