強(qiáng)膨脹土的斥水改性研究

丁鈞浩, 柴林春,張建軍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650201)

膨脹土在中國(guó)分布廣泛,其膨脹特性對(duì)土壤的土水特性與水利工程防滲有重要影響[1],自然環(huán)境的改變使土體發(fā)生沉降、變形，甚至變得斥水等[2],這些引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們強(qiáng)烈的關(guān)注并深入研究,NAREEMAN等[3]指出主要影響土壤膨脹特性的因素是含水量的變化和土壤中黏土顆粒。李獻(xiàn)民等[4]認(rèn)為擊實(shí)膨脹土的脹縮趨勢(shì)增強(qiáng)，對(duì)其脹縮規(guī)律進(jìn)行研究是有必要的,摻入風(fēng)化砂、石灰、粉煤灰、崩解性砂軟巖等可以改良其膨脹[5-10],其所用砂之類(lèi)的低比表面積顆粒物質(zhì)，增大了膨脹土中孔隙水的質(zhì)量,石灰等膠結(jié)材料進(jìn)行離子交換作用,而化學(xué)方法是通過(guò)加改性劑使土顆粒變得斥水,增大孔隙水間的接觸角，如Doerr等[11]通過(guò)水滴滲透時(shí)間(WDPT)測(cè)試，在現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定了火災(zāi)引起或增強(qiáng)的斥水性土壤樣品,楊松等[12]發(fā)現(xiàn)加入少量斥水劑十八烷能夠抑制膨脹土的收縮開(kāi)裂,其斥水性對(duì)工程防滲具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)合砂子等物理改性材料和少量斥水劑對(duì)膨脹潛勢(shì)的影響效果,本文提供了一個(gè)新思路,將極少量的十八胺配制出的斥水砂混入膨脹土中,利用斥水砂來(lái)改善工程中土料填筑的壓實(shí)度和初始含水率,驗(yàn)證強(qiáng)膨脹土斥水改良的可行性,提高其抗?jié)B性并降低工程造價(jià)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自?xún)?nèi)蒙古赤峰寧城某風(fēng)化邊坡，膨脹黏土含蒙脫石等礦物較多,外表呈現(xiàn)灰白色，土樣取土深度為0.5 m，試驗(yàn)前，先將土樣自然風(fēng)干、輕錘碾碎，并過(guò)2 mm篩,將篩好的土樣放入105℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重,斥水土用土樣和斥水劑混合攪拌法制樣，十八胺的加入量為2 g/100g，同時(shí)配備十八胺含量為0.04%的斥水砂,十八胺熔點(diǎn)在50～60℃,烘箱溫度控制為70℃(稍高于十八胺熔點(diǎn)),將十八胺在研缽中碾成粉狀，均勻鋪在土樣表面不斷攪拌,直至十八胺完全均勻混入土樣,然后放置到烘箱內(nèi)烘烤8 h，每隔1 h攪拌5 min，在室內(nèi)放置冷卻后進(jìn)行初始的WDPT測(cè)量試驗(yàn),得到5種土樣,分別為膨脹土(S1)、膨脹土+30%清水砂(S2)、膨脹土+30%親水砂(S3)、斥水膨脹土(S4)、斥水膨脹土+30%斥水砂(S5)、5種土樣過(guò)0.05 mm的篩后,采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀確定液塑限并得到臨界含水率范圍。采用土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—1999)對(duì)土樣基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，得到土樣的基本物理指標(biāo)(表1)。

表1 5種備樣方法下膨脹土基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1擊實(shí)試驗(yàn)

采用手動(dòng)擊實(shí)儀,待散土冷卻后再加水制樣。將拌合料多次攪拌使水和土充分混合,取塑限附近的含水率進(jìn)行多次擊實(shí),擊實(shí)次數(shù)定為27次，環(huán)境溫度為25°C,擊實(shí)筒內(nèi)每層土料稱(chēng)重200 g且余土高度控制在5 mm以?xún)?nèi)。擊實(shí)后用61.8 mm×20 mm的環(huán)刀取樣,上下表面刮平置于盤(pán)中備用，每組5個(gè),制作2組平行樣,一組放入烘箱105℃烘干,計(jì)算干密度,另一組進(jìn)行膨脹率試驗(yàn)。

1.2.2膨脹率試驗(yàn)

采用WZ-2型膨脹儀進(jìn)行無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)作為5種土樣的膨脹性的指標(biāo)。膨脹土的膨脹變形機(jī)理較為復(fù)雜，受含水率、干密度的影響顯著,對(duì)在最大干密度下的環(huán)刀樣進(jìn)行膨脹率試驗(yàn),在單變量下,土體發(fā)生豎向的一維膨脹變形,繪制在膨脹儀上所得到的膨脹土膨脹率曲線并進(jìn)行擬合，建立膨脹變形與時(shí)間的關(guān)系,反映土體的膨脹率變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 改性膨脹土的擊實(shí)特性

對(duì)5種土樣進(jìn)行了手動(dòng)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，在擊實(shí)的作用下,土顆粒之間的連接更加緊密，含水率范圍更廣,變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。圖1五條曲線均出現(xiàn)了峰值(最優(yōu)含水率),其范圍在42%～50%,最大干密度在1.01～1.21。

圖1 5種土樣的擊實(shí)曲線

a)親水膨脹土含水率集中在48%附近,摻砂沒(méi)有顯著改變其最優(yōu)含水率。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了斥水膨脹土+斥水砂土樣(S5)，發(fā)現(xiàn)膨脹土直接加入十八胺的情況下仍然不能把土樣擊實(shí)到1.2 g/cm3，對(duì)比下?lián)饺氤馑巴翗?S3)的最大干密度最高,這主要是因?yàn)椋和翗佑捎H水直接變?yōu)槌馑?，其最大干密度發(fā)生了變化,顆粒表面薄膜水較少，擊實(shí)功較多消耗在摩阻力上，拌合料偏干,最大干密度從1.07 g/cm3下降到1.01 g/cm3，而最大干密度影響膨脹土強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo),故摻入30%的斥水砂效果明顯。

b)用30%的砂摻入到膨脹土中提高了膨脹土的壓實(shí)性,土中的黏粒含量相對(duì)減小,使土的干容重增加,膨脹勢(shì)減小,一定程度形成空間網(wǎng)狀骨架，使最大干密度從1.07 g/cm3提高到了1.21 g/cm3。其次，通過(guò)拌入斥水砂,其表面的十八胺容易將自由水排斥,降低了含水率,但砂骨架依然存在,擊實(shí)的影響較小,說(shuō)明親水膨脹土加入斥水砂擊實(shí)以后的最大含水率能保持在親水膨脹土的46%附近且最大干密度優(yōu)于其余土樣,大大提高了壓實(shí)度。

2.2 膨脹率曲線

5種土樣的膨脹率曲線擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.99以上,數(shù)據(jù)和曲線吻合程度高,較好地反映了無(wú)荷狀態(tài)下膨脹率的變化，圖2中各圖的R表示最終的膨脹率,紅色方塊為曲線拐點(diǎn)。

a)親水膨脹土

b)親水膨脹土+30%親水砂

c)親水膨脹土+30%斥水砂

d)斥水膨脹土

e)斥水膨脹土+30%斥水砂

a)圖5a、5b曲線在前200 min的時(shí)間里膨脹劇烈,有很明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),轉(zhuǎn)折點(diǎn)前部分,由于含水量較低時(shí),水分克服蒙脫石晶層間的范德華力及靜電引力,導(dǎo)致膨脹土中礦物蒙脫石的晶層膨脹,圖中此階段膨脹變形速率大,膨脹率占總膨脹率的比例為85.7%,轉(zhuǎn)折點(diǎn)后部分,進(jìn)入長(zhǎng)程膨脹階段,此時(shí)膨脹土的膨脹性轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻p電層控制，尤其是擴(kuò)散層厚度的變化此時(shí)膨脹速率緩慢,膨脹率占總膨脹率的比例為14.3%,占比較小,而摻砂顯著降低了膨脹土的膨脹率,從35%到14%,但前期無(wú)荷膨脹率時(shí)間較短,反應(yīng)較劇烈,存在拐點(diǎn)。

b)直接摻入十八胺的試樣S4無(wú)荷膨脹率(13%)比天然膨脹土(35%)明顯減小。與此同時(shí),發(fā)現(xiàn)未加十八胺的試樣(S1/S2)無(wú)荷膨脹率時(shí)間較短,反應(yīng)較劇烈,通過(guò)加入十八胺(圖5d)，試樣斥水程度顯著增強(qiáng)，水分滲入試樣內(nèi)部也更困難，斥水膨脹土和斥水砂(圖5e)在前130 min,試樣膨脹率趨于0,水分吸收緩慢，從而膨脹變形速率緩慢，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),當(dāng)摻有十八胺的膨脹土表面的十八胺慢慢被稀釋一部分,膨脹率才開(kāi)始增加,其內(nèi)部沒(méi)有遭到破壞,總膨脹率減少,未等試樣飽和即達(dá)到膨脹穩(wěn)定狀態(tài)。

c)對(duì)比斥水砂和親水砂,極低含量的十八胺(0.04%)摻入砂子時(shí)，膨脹土膨脹穩(wěn)定且歷時(shí)較長(zhǎng)，摻斥水砂較親水砂后,膨脹率在前期顯著減緩,沒(méi)有較大的拐點(diǎn),對(duì)于摻砂改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)摻斥水砂改良膨脹土的穩(wěn)定性要比親水膨脹土稍好，經(jīng)歷27次擊實(shí)后，改良膨脹土的微結(jié)構(gòu)破壞程度依舊穩(wěn)定,摻極低含量十八胺的斥水砂保護(hù)著低價(jià)陽(yáng)離子不被置換,土顆粒表面膠體吸附層水膜厚度穩(wěn)定使土的膨脹率降低。

3 討論

膨脹土的回填或填筑工程進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)，摻入風(fēng)化砂可以改良膨脹土的壓實(shí)度與脹縮性[13],經(jīng)過(guò)預(yù)試驗(yàn)并綜合考慮強(qiáng)膨脹土和斥水砂的作用，確定摻入30%風(fēng)化砂為配合比。在巖土工程研究領(lǐng)域,學(xué)者們建立了宏觀膨脹模型,并在微觀上用蒙脫石的晶層膨脹模型來(lái)描述其膨脹。關(guān)于改良影響膨脹土膨脹性,含水率是關(guān)鍵因素,學(xué)者們采用加入風(fēng)化砂/礫石的方式抑制膨脹率,從膨脹率曲線可以看出摻礫石的膨脹土的膨脹穩(wěn)定性較純膨脹土得到顯著改善[14-16]。

親水膨脹土直接摻入十八胺,能包裹土壤顆粒,而采用斥水砂,較直接摻入而言,斥水砂能充分和膨脹土顆粒接觸,斥水砂顯著抑制了內(nèi)部土顆粒中礦物的吸水。出現(xiàn)上述現(xiàn)象，可歸因于高摻砂率混合物中砂骨架的形成[17],化學(xué)-物理聯(lián)合抑制膨脹性的方法還很少,從森林火災(zāi)的斥水砂土中得到啟發(fā)[18-19],在微觀結(jié)構(gòu)層面,試樣在浸水膨脹，但在宏觀結(jié)構(gòu)層面,最終的膨脹率由單位體積蒙脫石含量決定[20],蒙脫石中的砂骨架模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,30%含量的斥水砂使水分滲入試樣緩慢,所以膨脹率占總膨脹率的比例為純土的1/4,混合十八胺在砂子,土顆粒表面膠體少部分破壞,束縛作用依舊穩(wěn)定，蒙脫石等礦物未飽和,其膨脹量較小,斥水性的土壤能長(zhǎng)期有效阻止水分入滲，能降低擊實(shí)膨脹土膨脹率的同時(shí)又保持其斥水特性，可以考慮把其應(yīng)用于膨脹土路基及水利工程等一些需要防滲的地方。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)強(qiáng)膨脹土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和膨脹率試驗(yàn)，對(duì)親水膨脹土變?yōu)槌馑蟮膿魧?shí)特性及膨脹規(guī)律展開(kāi)研究得到以下結(jié)論。

a)斥水劑十八烷基伯胺能夠顯著降低膨脹率，抑制膨脹潛勢(shì)。摻有十八胺試樣的無(wú)荷膨脹率比天然膨脹土的無(wú)荷膨脹率明顯減小且試樣未飽和時(shí)即達(dá)到膨脹穩(wěn)定狀態(tài),塑性指數(shù)有明顯降低，十八胺對(duì)膨脹土的親水性有明顯的改善,

b)改良后的擊實(shí)膨脹土的膨脹率曲線下降了75%,說(shuō)明脹縮性得到很好的抑制,曲線平滑沒(méi)有拐點(diǎn)反應(yīng)緩慢而持久,擊實(shí)曲線更為集中,更易于施工中控制含水率進(jìn)行壓實(shí),由于直接摻入十八胺用量較多,將十八胺含量為0.04%的砂子加入膨脹土效果顯著,利用十八胺的斥水性來(lái)防止水分入滲,從而降低強(qiáng)膨脹土的膨脹率，工程上可以綜合考慮采用物理與化學(xué)改性結(jié)合的斥水砂。