不同分散剂对膨胀土颗粒分析试验的影响

王维

河北省水利水电勘测设计研究院 天津 300250

摘要：现如今，我国的科技十分发达，具有特殊的团粒结构的土是膨胀土，准确确定其粒组含量对于工程实践有重要意义。以南水北调工程中线南阳段膨胀土为研究对象，在分析其基本物理性质的基础上，通过密度计法对不同分散剂下的膨胀土进行颗粒分析试验，对比研究了分散剂类型对试验结果的影响。结果表明:采用六偏磷酸钠作为分散剂的分散效果较好，氨水的次之，氢氧化钠的分散效果最差。此结论明确了不同分散剂对同一试样的颗粒分析试验结果的影响，对于进一步认识和了解膨胀土的工程性质具有一定的意义。

关键词：膨胀土;密度计法;分散剂;颗粒分析试验

引言

膨胀土是一种典型的非饱和土，相比于普通土，膨胀土具有特殊的矿物组成和微结构特征。吸水膨胀和失水收缩是膨胀土的一个主要工程性质，由于膨胀和收缩造成膨胀土体积不稳定，而膨胀土体积的不稳定性极容易引发公路、铁路路基的工程性灾害。目前，国内学者对膨胀土的研究重点主要集中于膨胀特性或者收缩特性单方面，将两者综合研究相对较少，且在工程设计中主要考虑膨胀土的膨胀特性，而常常忽略膨胀土的收缩特性，综合考虑不全面，以此指导公路路基、铁路路基等基础性设施的施工往往会引发不可挽回的建设事故和经济损失。因此，综合研究膨胀土的膨胀特性和收缩特性具有重要的现实意义。基于此，本文通过试验，综合研究不同初始含水率膨胀土试样的膨胀特性和收缩特性，为更加合理地指导膨胀土路基施工提供良好的理论支持。

1膨胀土主要类别、矿物成分及结构特征

工程实际中对膨胀土需注意区分、鉴别、判定膨胀等级。《规程》规定膨胀土的膨胀等级按自由膨胀率δef分为4级：强膨胀土δef≥90，中等膨胀土65≤δef＜90，弱膨胀土40≤δef＜65，无膨胀土δef＜40。采用相应的试验方法测试膨胀土的物理、力学性质指标，科学合理的选择工程技术处理措施，保证工程的安全、稳定、经济有效地运行。自由膨胀率是胀缩潜能指标，不能完全反映膨胀土现有状态的胀缩能力，其胀缩能力还与含水率、密度、内应力积聚状况等有关。膨胀土的矿物包括碎屑矿物和黏土矿物。碎屑矿物主要为石英、水长石、其次为方解石硬石膏等，碎屑在膨胀土中以粗颗粒形式存在，对土的膨胀性起稀释作用。黏土矿物包括蒙脱石、伊利石、高岭石，部分膨胀土中还含有蛭石、石英、绿泥石等。在电子显微镜下蒙脱石呈不规则鳞片状叠聚体，高岭石呈规则六边形，具清晰而平直的边缘轮廓，伊利石介于二者之间，呈册束状或栅束状。黏土矿物是具有层状或键状晶体构造的含水铝硅酸盐，结晶度低，晶粒细微，同晶置换现象普遍，胶体特性典型。然而，各类黏土矿物由于化学成分、晶格构造、交换阳离子能力等不同造成了不同黏土矿物之间的特性差异。膨胀土的微结构是一类具有复杂型式的特殊结构体系。以片状或扁平状黏土颗粒相互集聚形成的微集聚体（或叠聚体），是组成膨胀土结构的主要结构基本单元体，决定着膨胀土的膨胀与收缩性，以及强度特性。各种微孔隙与微裂隙的存在，决定了膨胀土的孔隙—裂隙介质体属性，有利于水的渗入与溢出，为聚集体的膨胀与收缩创造了水分迁移变化的必要条件；但同时决定了土体的各向异性，产生了复杂的微观结构效应，其中突出的是对超固结黏土的软化。膨胀土微观上对水吸附、排泄作用在宏观上的综合体现是，土体在某一方向上的长度胀缩。抑制长度膨胀则显示出膨胀力，或二者均部分体现；阻碍长度收缩土体便拉裂；膨胀降低土体抗剪强度，收缩增加膨胀潜势破坏土体结构。

2试验材料与方法

2.1试验材料

试验用土取自南水北调工程中线南阳段膨胀土，呈红褐色、硬塑～可塑状，局部可见灰白色充填物。通过室内试验测得膨胀土的基本物理性质指标，具体见表1。由表1中这些基本参数指标值可以判断出该土属于弱膨胀性黏土，根据塑性图分析，该土属于低液限黏土(CL)。

2.2　加氨水试验方法

将野外取回的土样经过风干,在橡皮垫上碾碎,过2mm的细筛,然后进行分析。筛下土用4分法进行取样,再在烘箱里进行烘干(烘箱温度100～105℃,烘干时间不少于8h),用精密的电子天平(1/1000)称取经烘干冷却后的土样30g,放入烧杯中,加入蒸馏水进行大约24h的浸泡,加入1mL氨水,摇匀(氨水易挥发,把氨水溶入水中)放在砂浴上进行煮沸、排气、分散,时间控制在1h左右。对于较粘的土,煮沸时间应适当延长,煮沸过的溶液进行冷却,过0.1mm洗筛,筛上经烘干进行筛分析,筛下的滤液注入1000mL的量筒里,进行甲种比重计分析。读数前需在1000mm的量筒里另加入0.5mL的氨水,再经过30次/分左右的搅拌,分不同的时间(1min,5min,30min,120min,360min,俗称5点法)测读比重计、温度计等读数。最后整理出颗粒大小关系曲线,从曲线上查出各粒组的百分含量,用于判定土的名称。

2.3试验仪器设备及试验步骤

试验仪器设备:烘箱、TM-85甲种密度计(精确至0．5)、试验筛、天平、量筒、锥形瓶、温度计、搅拌器、煮沸设备等。试验主要采用密度计法，试验操作严格按照《土工试验规程》(SL237—1999)［18］或《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)［19］进行，具体试验步骤如下。步骤1将膨胀土土样放入烘箱中进行烘干，烘干后对其研磨，研磨后的土样颗粒通过0．075mm筛，并称取过筛土样30g。步骤2将称取好的试样倒入锥形瓶中，注入纯水300mL并浸泡过夜，之后把锥形瓶放在煮沸设备上煮沸，煮沸时间约1h。步骤3将冷却后的悬液摇晃均匀倒入1000mL的量筒中，先加入一定量纯水反复清洗锥形瓶内残留土粒并将其倒入量筒内，再分别加入4%六偏磷酸钠、25%氨水及0．5mol/L氢氧化钠各10、1、20mL，最后注入纯水，使筒内悬液达l000mL。步骤4在量筒内用搅拌器沿整个悬液深度进行上下搅拌，时间1min，上下各搅拌30～40次，尽量保证悬液中的土颗粒均匀分布，搅拌时，勿使悬液溅出筒外。

3试验结果与分析

3.1　胶粒含量统计

对粘粒含量进行统计,用六偏磷酸钠作分散剂所得胶粒含量大于用氨水作分散剂所得胶粒含量的土样进行统计,结果见表3。表中所有大于氨水的土样为80组,占总土样的百分率为56.4%。

3.2膨胀土的收缩特性

失水收缩是膨胀土的一项主要工程性质，分析膨胀土的收缩特性对指导膨胀土路基施工具有重要意义。选用初始含水率分别为32.3%、28.4%、25.0%和21.1%的膨胀土，成型直径为61.8mm，高为20mm的标准环刀压实重塑膨胀土试样。

3.3不同分散剂条件下的膨胀土粒度分析

依据现有的土工试验方法、规范及已有的研究成果，选用3种不同的分散剂对膨胀土进行颗粒分析试验，研究不同分散剂对膨胀土黏粒含量及分散效果的影响。分散剂的浓度及使用量参考《土工试验规程》以及《公路土工试验规程》。

结语

由于所用仪器设备、人员操作、环境条件的差异，颗粒分析试验均或多或少存在着一定的系统误差和随机误差。颗粒筛分试验过程中所产生的粒级误差，常归因于:土颗粒研磨不合理或不充分，测得各粒级土样含量不准确，使得粒级分离精度降低;土颗粒的粒径和颗粒在筛面上的角度及筛分的持续时间;在实际操作过程中出现不同程度的堵筛现象;筛分过程中，漂浮在空气中的细小颗粒也会影响筛分结果，使得试验结果造成土的定名与实际不符。

参考文献

［1］彭国喜，熊灵阳，邱世廷．颗分试验在利用红黏土作填料中的应用［J］．铁道工程学报，2016，33(10):29－32．

［2］李治朋，张宇亭，马希磊，等．颗粒分析试验方法的论证［J］．水道港口，2012，33(6):540－543．