黏土液塑性随矿物成份的变化规律

卢良青 董天威

摘 要：为了探索不同黏土矿物成份对黏土液塑性的影响，采用高岭土、伊利土、蒙脱石，按不同质量比例混合来进行液塑限测定试验。大量试验结果对比表明：（1）高岭土与伊利土混合土样的液限（WL）和塑限（WP）随伊利土含量的增加而减小；（2）高岭土、伊利土与蒙脱石混合土样的WL和WP随蒙脱石含量的增加而增大，且蒙脱石的作用占主导地位。基于试验结果，总结出各黏土矿物成份影响的液限与塑限的非线性表达式。此外，根据塑性图将试验土样的进行了分类，讨论了矿物成分及其含量对土样所属类别的影响。

关键词：高岭土；伊利土；蒙脱石；液限；塑限；塑性指数

中图分类号：TU47文献标识码：A

土体含水量的大小对其工程性质有着很大的影响，为了研究土体在不同含水量下的物理力学性质，Atterberg[1]将土体分为以下四种状态：固态、半固态、可塑状态、流动状态，之后Casagrande[2]将其分类方法做了进一步的细化。由于黏土的含水量都比较高，所以对黏土来说，半固态、可塑状态和流动状态是比较重要的三个状态，因此它们的界限状态，即液限（WL）和塑限（WP），就显得尤其重要。黏土的液塑限受粒组成、所含矿物成分及其含量等因素的影响，高岭土、伊利土、蒙脱石、绿泥石等矿物是构成黏土中黏粒的主要成分，其颗粒极细，一般粒径小于5微米，对黏土液塑性有着很大的影响。

为了研究矿物成份及其含量对于黏土液塑性的影响，White等分析了高岭土、伊利土、蒙脱石等纯黏土矿物的液塑性，得出了液限和塑限均是蒙脱石>伊利土>高岭土的结论；Schmitz等采用高岭土、蒙脱石和其他天然黏土研究了矿物成分对液塑限的影响，并提出了矿物成分与液塑限之间的相关关系；Seed等研究了高岭土、伊利土、蒙脱石以及它们与石英粉的混合物的液塑性并指出：当黏土成分含量不是很低的情况下，液塑限值与黏土中矿物成分的含量之间成线性关系；不过随后Seed等的研究还得出在相同黏土矿物含量下，蒙脫石与石英砂的混合物的塑限要低于高岭土与石英砂的混合物，但这与White等和Mitchll等的研究结论相反；Polidori通过分析六种非有机黏土以及它们与石英砂的混合物的液限与塑限后指出：在黏土含量不是很低时，液塑限值与黏土所含矿物的成分（粒径<2mm）含量之间成线性关系。

为此，本文通过由高岭土伊利土、蒙脱石、蒙脱石高岭土按不同的质量比例混合，分别制成“蒙脱石+高岭土+伊利土、“伊利土+高岭土”等混合土样，进行液塑限试验，来分析不同矿物成份及其含量对黏土液塑性的影响，进一步揭示塑性、液限、塑限指数随矿物成份含量的变化规律。

1 液塑限试验

1.1 试验材料及方法

试验所采用的高岭土、伊利土、蒙脱石等单一及混合土样均是通过商业购买的黏土矿物粉末制备而成，其具体的参数见表1。

试验的开展参照我国《土工试验规程》中的液塑限实验（SL237-003-1999）。实验仪器为光电式数显液塑限联合测定仪（圆锥：锥质量76g，锥角300）。试验中将土样按不同的含水量调配均匀，密实的填入试样杯中，测定圆锥下落后5s的下沉深度h，取10g以上的试样的2个测定其含水量w。

1.2 单一矿物土样试验及结果

首先针对单一矿物制备而成的土样进行液塑限试验。表2为三种黏土土样的液塑限指标。从试验结果可以得出：（1）液限：蒙脱石最大，伊利土和高岭土较小，而且二者比较接近；（2）塑限：蒙脱石最大，高岭土和伊利土相对较小且二者相差不大；（3）塑性指数：蒙脱石最大，高岭土、伊利土三者相对较小且比较接近。

1.3 混合矿物土样试验方案

为了分析不同矿物成份及其含量对黏土液塑性的影响，特制备混合矿物土样进行液塑限试验。表2为各混合方案中矿物成份及其质量比例的详细数据。

2 试验结果分析

2.1 液限WL

2.1.1伊利土+高岭土

图2表明伊利土和高岭土混合土样的液限随伊利土含量的增加而增加。基于此，可应用非线性插值函数来描述此关系：

2.1.2伊利土+蒙脱石+高岭土

图3为伊利土蒙脱石+高岭土混合土样的液限随蒙脱石含量变化曲线：液限随蒙脱石含量的增加而增加。

2.2 塑限WP

2.2.1伊利土+高岭土

图4表明伊利土+高岭土混合土样的塑限WP随伊利土含量的增加而增加。

2.2.2伊利土+蒙脱石+高岭土

从图5可以看出伊利土+蒙脱石+高岭土混合土样的塑限WP随蒙脱石含量的增加而增大。基于此，我们拓展为：

其中WPM为纯蒙脱石的液限，ρM为蒙脱石占总量的质量百分比，β为蒙脱石含量的指数。基于试验结果，应用最小方差控制原则可取β=1.0为蒙脱石含量的指数。图5还表明在同一蒙脱石含量下，塑限WP随伊利土含量的增加而减小，这种趋势在蒙脱石含量较低时比较明显。

综上，各黏土基本矿物对于黏土液塑限特性的影响可由非线性插值函数来表达，各基本矿物成份相关的参数值总结于表3，具有一定的实用价值。

2.3 塑性指数 IP与塑性图

塑性指数IP

综合上述试验结果，可以进一步分析不同矿物混合土样的塑性指数IP，根据塑性指数IP与液限、塑限的关系：

我们可以知道当土体的液限与塑限都确定时，它的塑性指数也就随之确定。根据前面的试验结果和理论结果得到不同矿物混合土样的塑性指数的试验值和理论值随矿物含量的变化关系，如图6。通过图6（a）（b）我们可以发现不同矿物混合土样的塑性指数随矿物含量变化的试验值和理论值吻合的很好，而四种矿物相互混合土样的理论值和试验值吻合的不是很好，但在绿泥石含量为40%、80%时吻合的还可以，总体来说理论值与试验值的趋势是一致的，理论值具有一定的参考价值。

3 结论

本文通过对四种黏土基本矿物（伊利土、蒙脱石、绿泥石、高岭土）按照不同比例混合制备成的土样进行试验，分析了黏土的基本矿物对黏土液塑性的影响，得出以下结论：

（1）对于单矿物黏土，液限：蒙脱石>高岭土>伊利土；塑限：蒙脱石>高岭土>伊利土（2）对于高岭土和伊利土的混合土样，其塑限和液限都随伊利土含量的增加而减小，并符合指数非线性插值。（3）对于伊利土、蒙脱石和高岭土的混合土样，其塑限和液限都随蒙脱石含量的增加而增大；与伊利土和高岭土相比，蒙脱石的作用占主导地位。（4）各黏土基本矿物对于黏土液塑限特性的影响可由非线性插值函数表达，并基于试验结果确定了各基本矿物成份相关的参数值，具有实用价值。（5）根据塑性图将试验土样的进行了分类，讨论了矿物成分及其含量对土样所属类别的影响。

此次试验的四种黏土中基本矿物是按照不同比例混合而成，与大部分天然黏土对比缺乏石英粉砂的成份对于黏土液塑性的影响，有一定的实际应用价值。

参考文献：

[1]Atterberg.Die plastizitat der tone[J]，Intern Mitteil Bodenkunde，1911，1，4-37.

[2]Casagrand.Research on the Atterberg limits of soils[J].Public Roads，1932，13，121-136.

[3]Kumar，G.and D.M.Wood.Fall cone and compression tests on clay-gravel mixtures[J].Geotechnique，1999，49（6）：727-739.