微波加熱對膨脹土膨脹性影響的試驗研究

蔣銀強(qiáng),梁建楠,趙雅貞,段 朕,趙昊洋

(1.安陽學(xué)院 河南 安陽 455000; 2.河南大學(xué) 河南 開封 475004)

0 引言

膨脹土富含蒙脫石等強(qiáng)親水性礦物,是一種具有吸水膨脹、失水收縮、反復(fù)脹縮特性的粘性土。粘性土的物理性質(zhì)與溫度密切相關(guān),高溫可以改變粘性土的物理力學(xué)性質(zhì)。20世紀(jì)中葉Philip J R等[1]探究了蒸汽在土壤中的擴(kuò)散作用,標(biāo)志著溫度對土性質(zhì)影響研究的開始。近年來,國內(nèi)外為探究高溫對土體性質(zhì)的影響做了很多研究。?zcan Tan等[2]人探究了熱處理對土耳其東部兩種粘土的影響,發(fā)現(xiàn)溫度升高對粘性土最佳含水量、最大干密度、比重等性質(zhì)有重要影響;Majed M Abu-Zreig等[3]人研究了在實驗室條件下溫度對約旦北部3種粘性土的影響,試驗發(fā)現(xiàn)高溫?zé)崽幚頃档屯寥赖囊核芟?、最佳含水量、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和膨脹壓力;Sun Qiang等[4]人為了解粘土物理性質(zhì)的演變,在加熱爐中對粘土進(jìn)行200～800 ℃的試驗,發(fā)現(xiàn)粘土性質(zhì)在高溫下受3種主要機(jī)制的影響,包括礦物基質(zhì)的變化、熱微裂紋和礦物顆粒的剝落;Geng Jishi 等[5]通過室內(nèi)試驗,分析了900 ℃以下高溫對粘土熱物理性質(zhì)的影響,揭示了粘土熱導(dǎo)率與密度的關(guān)系;Hu Qijun 等[6]采用微波輻射法對試樣中的弱泥質(zhì)夾層進(jìn)行強(qiáng)化處理,發(fā)現(xiàn)微波輻射增加了弱泥質(zhì)夾層的孔隙率和裂縫,有利于注漿加固,且當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃以上時,土體的水穩(wěn)定性得到了有效的改善;Zhang Shuai 等[7]研究了微波燒結(jié)法處理放射性污染土壤,證明了微波輻射能夠有效處理土壤中的放射性污染物;劉云壯等[8]對高溫?zé)Y(jié)淤泥質(zhì)土進(jìn)行水解試驗,探究了不同燒結(jié)溫度和時間下淤泥質(zhì)土在水解作用下抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律;尹鐵峰等[9]對寧波地區(qū)軟黏土進(jìn)行了不同溫度和圍壓下的熱固結(jié)試驗,研究其在溫度作用下的固結(jié)特性,結(jié)果表明溫度越高其固結(jié)度越高,并且達(dá)到一定固結(jié)度所需時間越短。陳正發(fā)等[10]采用氣相法研究了上海軟黏土在高溫作用下的土-水特征曲線隨溫度的變化,發(fā)現(xiàn)孔隙數(shù)量和孔隙結(jié)構(gòu)隨溫度升高發(fā)生的變化是導(dǎo)致軟黏土的土-水特性隨溫度升高而變化的原因;陳皓等[11]系統(tǒng)研究了干密度、圍壓、溫度和含水率對高廟子膨潤土強(qiáng)度特性的影響,建立了高廟子膨潤土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨溫度變化的公式;J J Reinosa等[12]研究了在微波輻射下高嶺土樣品的介電性能隨溫度的變化,證明微波加熱效應(yīng)的高效率與吸收微波電磁場表面載流子的存在有關(guān);曾召田等[13]對MX-80膨潤土粉末進(jìn)行了不同時長的高溫強(qiáng)堿處理,發(fā)現(xiàn)MX-80膨潤土的比重、比表面積和膨脹指數(shù)下降幅度較大,并通過X射線衍射試驗和熱重分析試驗發(fā)現(xiàn)蒙脫石發(fā)生溶解為高溫強(qiáng)堿環(huán)境下膨潤土物理性劣化的根本原因。劉俊新等[14]對堿-熱處理后的膨潤土進(jìn)行恒體積膨脹力試驗,發(fā)現(xiàn)膨潤土的蒙脫石含量、水化反應(yīng)時長和最大膨脹力均減小,而徑向與豎向最大膨脹力的比值不受堿-熱影響,且始終在0.5左右。

綜上所述,溫度是影響土體性質(zhì)的一個重要因素,然而嘗試將高溫處理作為膨脹土改良的一種思路目前還鮮有研究。本文利用微波加熱升溫速度快、均勻性好、熱穿透力強(qiáng)的特點,對膨脹土進(jìn)行微波加熱處理,探究微波加熱對膨脹土膨脹性的影響規(guī)律。

1 試驗材料及微波加熱方案

1.1 試驗材料

本文所用土樣取自合肥地區(qū)引江濟(jì)淮項目引江濟(jì)巢段菜子湖施工區(qū)河道內(nèi)。試樣采集、運(yùn)輸及保存按照《土工試驗規(guī)程》(YS/T 5225-2016)[15]相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行。土樣自由膨脹率試驗結(jié)果為55.2%,依據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112-2013)判定為弱膨脹土[16]。通過液塑限試驗、比重試驗及擊實試驗測得土樣的基本物理性質(zhì)(見表1),XRD(X射線衍射儀)分析得土樣主要礦物成分及含量(見表2)。

表1 膨脹土基本物理參數(shù)

表2 膨脹土主要礦物含量

1.2 微波加熱方案

微波加熱試驗采用CM-06S型多模諧振腔工業(yè)微波爐(見圖1)。微波頻率為2.45 GHz,功率為0～6 kW。加熱過程中使用在腔體上壁中心安裝的紅外測溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度測量,加熱結(jié)束后采用紅外測溫儀對土樣進(jìn)行手動輔助測溫。

圖1 CM-06S型多模諧振腔工業(yè)微波爐

膨脹土樣自然風(fēng)干后碾碎過篩,取粒徑為2 mm以下部分作為試驗用土樣。將試驗用土樣置于烘箱中在105 ℃環(huán)境下烘8～9 h,隨后轉(zhuǎn)移至密封干燥器內(nèi)冷卻至室溫。稱取1 kg干燥土樣置于石英坩堝中并抹平表面,隨后將坩堝放入工業(yè)微波爐加熱腔內(nèi),設(shè)置加熱功率為4 kW,加熱時間為5 min。恒定4 kW功率下,用相同型號的坩堝將另外兩份質(zhì)量為1 kg的土樣分別加熱10 min和15 min。加熱完成后,利用測溫儀測得加熱時間為5 min、10 min、15 min土樣表面溫度分別達(dá)到315 ℃、510 ℃和650 ℃。

2 試驗方案

2.1 自由膨脹率試驗

對微波加熱時間為0 min、5 min、10 min、15 min的土樣分別進(jìn)行自由膨脹率試驗。將無頸漏斗安裝在支架上與量土杯中心對正后固定,漏斗下口與杯口間距離控制在10 mm左右;取50 g過0.5 mm篩的土樣裝入杯中,裝填過程中保持土樣的松散狀態(tài);用量筒量取30 mL純凈水,并加入5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的純氯化鈉溶液;將稱量好的土樣倒到量筒當(dāng)中,用攪拌器從底部向液面充分?jǐn)嚢?等到土樣完全沉淀之后方可開始讀數(shù),每隔5 h記錄一次體積,當(dāng)前后兩次讀數(shù)差小于等于0.2 mL時停止讀數(shù),并將最后一次讀數(shù)記錄為試驗結(jié)果。

2.2 無荷膨脹率及有荷膨脹率試驗

對加熱時間為0 min、5 min、10 min、15 min的土樣分別開展無荷膨脹率及有荷膨脹率試驗,試樣初始含水率控制為17%、20%、23%、26%,豎向荷載為0 kPa、25 kPa、50 kPa。按預(yù)定的含水率配制土樣,土樣在恒溫恒濕環(huán)境中悶料24 h后用靜壓法制樣,試樣為直徑61.8 mm,高20 mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣。將標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣裝入膨脹儀中,施加預(yù)定的豎向荷載,調(diào)整百分表位置并記錄初始讀數(shù)。向膨脹儀中加入蒸餾水至水面與試樣底面齊平。記錄注水時間及不同時間間隔下的百分表讀數(shù)。試驗過程中應(yīng)保持實驗室的安靜與穩(wěn)定,讀數(shù)時需避免觸碰膨脹儀及百分表。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 微波加熱對自由膨脹率的影響

土的膨脹潛在勢能常用自由膨脹率來反映。試驗結(jié)果表明加熱0 min土樣的自由膨脹率為55.2%,加熱5 min后降至41.7%,加熱10 min后繼續(xù)下降到31.5%,當(dāng)加熱時間為15 min時僅為11.0%。圖2表示自由膨脹率隨著加熱時間的增加不斷下降,且二者接近線性相關(guān)。根據(jù)膨脹土膨脹潛在勢能的分類,加熱0 min和加熱5 min的土樣為弱膨脹土,當(dāng)加熱時間達(dá)到10 min和15 min時土樣變?yōu)榉桥蛎浲痢?/p>

圖2 自由膨脹率隨微波加熱時間變化曲線

3.2 無荷膨脹率及有荷膨脹率試驗結(jié)果與分析

無荷膨脹率和有荷膨脹率(下文統(tǒng)稱為膨脹率)是試樣在側(cè)限條件下,浸水后高度方向上的膨脹量與原高度的比值,是反映土體膨脹性能的重要指標(biāo)。浸水后t時的膨脹率δt為

δt=[(Rt-R0)/h0]×100%

(1)

式中,Rt為浸水時間時百分表的讀數(shù),單位為mm;R0為百分表初始讀數(shù),單位為mm;h0為試樣初始高度,單位為mm。

圖3反映了當(dāng)含水率和豎向荷載一定時,膨脹率隨著加熱時間的增加而減小。以含水率為17%的試樣在豎向荷載為0 kPa時的試驗結(jié)果為例,加熱0 min土樣的膨脹率為15.05%,加熱15 min土樣的膨脹率為6.65%,降幅為8.4%,下降率達(dá)到55.81%,表明微波加熱能夠明顯改良膨脹土的膨脹性。這是因為高溫作用導(dǎo)致土樣里親水礦物蒙脫石中的層間水脫出,造成層間塌陷,從而使晶格發(fā)生重新排列,蒙脫石礦物首先轉(zhuǎn)化成蒙脫石-伊利石混層礦物,且在持續(xù)高溫的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾V物。這一轉(zhuǎn)變使得膨脹土中親水礦物的含量降低,導(dǎo)致土樣與水的結(jié)合能力下降,膨脹性降低。同時,層間塌陷及晶格重組使土體微觀結(jié)構(gòu)中的大孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)樾】紫?土顆粒間的距離變小,土體結(jié)構(gòu)趨于密實,對自由水的吸附能力降低,進(jìn)而導(dǎo)致土體的膨脹性降低。當(dāng)加熱時間增加,土體溫度更高,這一現(xiàn)象變得更加明顯。

圖3 膨脹率隨加熱時間的變化曲線

此外,當(dāng)豎向荷載水平及含水率較低時,土樣膨脹率較高,加熱0～5 min膨脹率下降量及下降率較5～10 min和10～15 min普遍要小。仍以含水率為17%的試樣在豎向荷載為0 kPa時的試驗結(jié)果為例,加熱5 min,膨脹率從15.05%下降至13.5%,下降量為1.55%,下降率為10.3%;加熱至10 min膨脹率從13.5%降為9.98%,下降量為3.52%,下降率為26.07%;加熱時間為15 min時的膨脹率較10 min時下降3.3%,下降率為33.07%。這是因為微波加熱時間越長,土體所達(dá)到的溫度越高,并且出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象(見圖4),土樣礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)的變化越顯著,對膨脹性的影響加劇。當(dāng)豎向荷載水平較高時,土樣膨脹率較低,這一現(xiàn)象不明顯。

圖4 部分燒結(jié)土樣

由圖5可知,在含水率和加熱時間一定時,膨脹率隨著豎向荷載的增加而降低,且當(dāng)豎向荷載達(dá)到50 kPa時,含水率為23%及26%的土樣膨脹率為0,不再膨脹。此外,豎向荷載對膨脹過程也會產(chǎn)生影響。圖6為含水率23%土樣的膨脹率時程曲線,當(dāng)豎向荷載水平較低時,不同的初始條件下,不同加熱時間土樣的膨脹過程是比較相似的,都存在高速膨脹、減速膨脹,低速膨脹及膨脹穩(wěn)定等4個階段,各階段對應(yīng)時間分別為0～2 h、2～5 h、5～11 h、11～24 h,其中初始土樣的膨脹過程中階段性尤為明顯。膨脹過程出現(xiàn)階段性主要是因為初始階段試樣含水量低,土樣內(nèi)部孔隙較多接近“架空結(jié)構(gòu)”,而“架空結(jié)構(gòu)”的親水作用較強(qiáng),剛浸水時吸水速度較快,試樣體積迅速增大,膨脹現(xiàn)象十分顯著。當(dāng)浸水時間達(dá)到2 h后,土樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)由于大量水分的侵入發(fā)生了重組,原先的“架空結(jié)構(gòu)”被破壞,轉(zhuǎn)變成較為密實穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致親水作用降低,膨脹速度逐漸減小,進(jìn)入減速膨脹階段。當(dāng)膨脹土樣在水中的浸泡時間超過5 h后,內(nèi)部的孔隙已被水充分填滿,親水作用消耗殆盡,土樣膨脹潛勢隨之耗散,膨脹停止進(jìn)入穩(wěn)定階段。

圖5 膨脹率隨豎向荷載的變化曲線

圖6 含水率為23%時土樣膨脹率時程圖

當(dāng)豎向荷載水平較高(達(dá)到50 kPa)時,部分土樣失去了減速膨脹階段或低速膨脹階段,而直接由高速膨脹階段進(jìn)入膨脹穩(wěn)定階段,如圖6(b)中加熱時間為0 min土樣的膨脹率時程曲線較為典型。失去減速階段及低速階段的原因是土樣受到的豎向壓力較大,土樣浸水后發(fā)生膨脹產(chǎn)生的膨脹力難以超過豎向壓力而至多進(jìn)入持平狀態(tài),土樣在開始吸水膨脹階段呈現(xiàn)出勻速的狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)部的孔隙被水充分填滿后,土樣膨脹潛勢被耗盡,膨脹力下降不足以抵抗較高的豎向荷載,高水平的豎向壓力使膨脹突然停止,進(jìn)入穩(wěn)定階段。

4 結(jié)論

本文以合肥地區(qū)膨脹土為研究對象,研究微波加熱對膨脹土膨脹性的影響規(guī)律,得到的主要結(jié)論如下:

(1)微波加熱能夠明顯改良膨脹土的膨脹性,隨著加熱時間的增加膨脹土的自由膨脹率、無荷膨脹率和有荷膨脹率均下降。

(2)豎向荷載能夠影響膨脹土膨脹過程的特點。豎向荷載水平較低時,膨膨脹過程分為高速膨脹、減速膨脹,低速膨脹及膨脹穩(wěn)定四個階段;豎向荷載達(dá)到50 kPa時土樣失去減速階段或低速階段,由高速膨脹階段直接進(jìn)入膨脹穩(wěn)定階段。

(3)微波加熱作用從兩個方面影響膨脹土的膨脹性:高溫使親水礦物蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?降低土體對結(jié)合水的吸收能力;層間塌陷及晶格重組使土體微觀結(jié)構(gòu)中的大孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)樾】紫?使土質(zhì)趨于密實,對自由水的吸收能力降低。