孔隙水溶液浓度对膨胀土膨胀特性的影响

贾景超，杨永香，黄志全

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

孔隙水溶液浓度对膨胀土膨胀特性的影响

贾景超，杨永香，黄志全

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

通过开展恒体积膨胀压力试验与有荷膨胀率试验，研究了孔隙水溶液浓度对膨胀土膨胀特性的影响.试验结果表明，随着溶液浓度的增大，膨胀压力降低;相同浓度溶液制作的试样，分别浸入不同浓度的溶液，一种浓度小于制样所用浓度，另一种与制样溶液浓度相等，最终所得的膨胀压力与膨胀应变均很接近.通过对孔隙水赋存状态的分析表明，试验结果均符合渗透压理论.

膨胀土;膨润土;膨胀压力;膨胀应变;孔隙水溶液浓度

膨胀土主要是由强亲水性黏土矿物——蒙脱石组成，是具有多裂隙性、强胀缩性和超固结性的高塑性黏土.膨胀土遇水膨胀会给土木工程，如建筑物基础、铁路和公路路基、护坡、挡土墙和桩等造成很大危害.

另外，近年来膨胀土中的一类土——膨润土在高放射性核废料处理方面的应用引起了人们的广泛重视.在此应用中，高压实的膨润土或膨润土和砂土的混合物填充在核废料罐和围岩之间，遇水膨胀后，压实土一方面会填充周围围岩中的裂隙，另一方面矿物颗粒的膨胀会填充土体自身存在的孔隙，从而形成低渗透区，很大程度上阻隔了核废料罐和周围环境的联系［1－2］.针对此应用，众多研究者对压实膨润土及膨润土－砂土混合物的膨胀特性和物理特性进行了研究［1，3－5］.

对于影响膨胀土膨胀特性的研究多集中于力学因素以及土的物理性质方面，如初始干密度、初始含水量、所施加荷载等［6－10］.而孔隙水溶液浓度对膨胀特性同样有影响.Alawaji［11］研究了电解质溶液浓度对膨胀潜势、膨胀压力和压缩度的影响，发现这些指标随浓度的增大而降低.

在以往的试验中，拌制土样所用的溶液浓度与试验开始后加入的溶液浓度相同或者都是纯净水.然而，在实际工程中，所遇到的自然降雨以及地下水中都含有一定浓度的离子，膨胀土所经历的水溶液浓度并非恒定不变.因此，以制样所用溶液的浓度作为先期浓度，试验开始时所加溶液浓度为后期浓度，研究了膨胀土先后经历不同浓度溶液时的膨胀特性，并基于渗透压理论对试验结果进行了分析.

1 试验方案

试验所用土为辽宁朝阳西壤矿膨润土，其颗粒大小约为75 μm，基本参数见表1.

表1 西壤膨润土物理特性指标

由于所用土为钙基膨润土，制备土样所用溶液以及试验开始时加入溶液都用CaCl2溶液，以避免阳离子交换的影响.制样时，用喷壶将溶液均匀喷洒在膨润土粉末上，以防粉末结团影响水分在试样中的均匀分布.配制好的土放入塑料袋中密封静置24 h后，将土按照预定的干密度压入环刀.这里所有试样的初始含水量均为40%，初始干密度均为1.10 g/cm3.

开展了膨胀压力与膨胀率两类试验.膨胀压力采用恒体积测试方法，试验在固结盒中进行，与常规固结试验所不同的是轴向安装刚性螺杆，并在螺杆上安装传感器，传感器与应变仪连接.将环刀连同试样放入固结盒，旋转螺杆预加1 kPa的力以保证传感器与试样有良好接触，然后向固结盒中加入溶液至覆盖上部透水石为止，并开始计时.试验结束的条件是2 h内膨胀压力变化小于1 kPa.由于侧向与轴向均限制试样变形，因此在轴向可测得恒体积条件下的一维膨胀压力.膨胀压力试验分为两组，一组是拌制土样所用溶液浓度与注入固结盒中溶液浓度相等的情况，以下简称为A组膨胀压力试验;另一组中，用不同浓度溶液制备3个试样，分别是0.01，0.1，1 mol/L 3种浓度，而注入固结盒中的浓度均为0.001 mol/L，以下简称为B组膨胀压力试验.

有荷膨胀率试验在GDG－4S型三联高压固结仪上完成，施加的轴向荷载均为10 kPa.试验中，制样所用溶液浓度为0.1 mol/L，而固结盒中注入的溶液浓度分别为 0.1，0.01，0.001 mol/L.由于膨胀率与膨胀应变的表达式相同，以下统称膨胀应变.

2 试验结果

2.1 膨胀压力试验结果

A 组膨胀压力试验中，把 0.001，0.01，0.1，1 mol/L 4种不同浓度CaCl2溶液制备的试样放入固结盒后，分别加入和制备试样浓度相等的溶液，竖向膨胀压力随时间的变化如图1所示.B组试验中，将不同浓度溶液制备的试样加入0.001 mol/L CaCl2溶液中，膨胀压力随时间的变化如图2所示.

图1 A组试验中膨胀压力随时间的变化情况

图2 B组试验中膨胀压力随时间的变化情况

由图1及图2可以看出，溶液浓度对膨胀时间的影响不大，所有试样的膨胀压力在2 h左右接近或达到最大值.

膨胀压力最大值随溶液浓度的变化情况如图3所示.由图可知，膨胀压力随浓度的增大而降低.这与Alawaji［11］的试验结果一致.需要注意的是，对比A，B两组膨胀压力试验结果可知，制备试样所用溶液相同的情况下，无论后加入的溶液浓度等于还是小于制样所用溶液浓度，膨胀压力均很接近.

图3 压实膨润土样的膨胀压力随溶液浓度的变化

2.2 有荷膨胀率试验结果

用0.1 mol/L的溶液制备3个试样，并放入常规固结仪中，向3个固结盒中分别加入0.1，0.01，0.001 mol/L的溶液，试样应变随时间的变化情况如图4所示.

图4 膨胀应变随时间的变化

由图4可知，与膨胀压力试验相似，用0.1 mol/L溶液所制备试样浸于不同浓度溶液后，膨胀应变也在2 h左右趋于稳定，最终的膨胀应变分别为12.5%，11.0%，12.0%，可见在 3 种溶液中膨胀应变近似相等.

3 结果讨论

蒙脱石颗粒由相互平行的晶层叠加而成.由于晶层表面吸附有阳离子以及晶层表面具有较高的水化能，制样时，使得溶液中的水分子进入平行晶层之间，导致蒙脱石颗粒体积膨胀，同时晶层表面的阳离子溶入水中，在平行晶层之间形成了具有一定浓度的溶液［12－13］.根据渗透压理论，蒙脱石颗粒晶层间产生的膨胀力与晶层内外溶液浓度之差［14］有关，即

式中:pr为平行晶层间的渗透压力或膨胀力;NA为阿伏加得罗常数;k为Boltzmann常数，1.38×10－23J/K;T为绝对温度;nA为平行晶层之间的溶液浓度，其值与颗粒晶层表面电荷密度及平行晶层间距离有关［12－13］;nB为晶层外的溶液浓度.

由于蒙脱石晶层表面电荷密度恒定不变，所以平行晶层间溶液浓度仅与晶层间距有关，在间距相等的情况下，nA相同.因此根据式(1)可知，nB越大，即晶层外溶液浓度越大，膨胀压力越小，这与图3中膨胀压力试验结果一致.

此外，拌制土样时溶液中的部分水分子渗入晶层中使其产生最初的膨胀，还有部分溶液遗留在外部，包围在晶层周围形成结合水，其浓度即为nB.当后加溶液注入固结盒后，逐渐渗入土体并存在于颗粒间的孔隙中，由于晶层周围有结合水存在，所以后加溶液并不与颗粒直接接触.因此，即使后加入的溶液浓度与拌制土样时的溶液浓度不同，也不能对已经包围在晶层周围的溶液浓度产生较大的影响.因此，式(1)中的nB仍然为拌制土样的溶液浓度，并非后加入溶液的浓度，所以只要拌制土样溶液浓度相同，后加入溶液浓度对膨胀特性影响很小.正如图3与图4的试验结果，制样溶液浓度相同的情况下，即使后加溶液浓度小于前者，测得的膨胀压力与先后经历两种相同溶液时的数值接近.说明膨胀土即使先后经历的溶液浓度不同，仍符合渗透压理论.

对于膨胀应变，试验开始后，蒙脱石晶层吸水使得自身体积增大，当外荷载不足以抑制晶层膨胀时就会产生膨胀变形.随着水分子逐渐进入晶层内部，晶层间距不断增大，晶层间溶液浓度nA减小.由于晶层外结合水的溶液浓度nB不变，所以由式(1)可知，膨胀压力逐渐减小，最终导致土体自身膨胀压力与外荷载相等，膨胀变形结束.对3个试样进行的膨胀应变试验中外荷载相同，所以土体内部最终的膨胀压力也相同.拌制土样的溶液浓度相等(该试验为0.1 mol/L)，所以晶层外结合水浓度nB也相等.为了使膨胀压力相等，根据式(1)可知，3个试样的蒙脱石晶层间的溶液浓度nA也应相同.根据前面叙述可知，若要nA相同，晶层间距应相等，所以最终的体积相同，即膨胀应变相等.

4 结语

针对孔隙水溶液浓度对膨胀土膨胀特性的影响进行了研究，重点探讨了制样所用溶液浓度与后加入溶液浓度不同时的膨胀特性.结果表明:①西壤矿膨润土的膨胀压力和膨胀变形在2 h左右接近或达到稳定;②恒体积膨胀力随溶液浓度的增大而降低;③膨胀土先期经历的溶液浓度对膨胀特性有重要影响，只要先期溶液浓度相同，后期经历的溶液浓度对膨胀特性影响很小.这种现象仍服从渗透压理论.

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Influences of Pore Aqueous Solution Concentration on the Swelling Property of Expansive Soil

JIA Jing-chao，YANG Yong-xiang，HUANG Zhi-quan
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The paper studies the influences of pore aqueous solution concentration on the swelling property of expansive soil through the constant volume swelling pressure experiment and loaded swelling rate experiment.The results indicate that the swelling pressure decreases with the increasing of solution concentration.In the experiment，two specimens made of the same solution concentration are immersed into the solutions with two different concentrations，one less than the solution concentration used to prepare specimen，and the other same to that.The result shows that the swelling pressure and the swelling strain of two specimens gained from the experiment are very close.The analysis on the existing state of the pore water shows that the experiment result is agree with the osmotic pressure theory.

expansive soil;bentonite;swelling pressure;swelling strain;the pore aqueous solution concentration

1002－5634(2012)02－0124－03

2012－01－11

国家自然科学基金项目(41140030);郑州市创新型科技人才培育计划领军人才项目(10LJRC185);教育部留学回国人员科研启动基金项目;华北水利水电学院高层次人才科研启动基金项目.

贾景超(1980—)，男，河北正定人，讲师，博士，主要从事膨胀土膨胀机理及膨胀模型方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)