强膨胀土的斥水改性研究

丁钧浩, 柴林春,张建军

(云南农业大学，云南 昆明 650201)

膨胀土在中国分布广泛,其膨胀特性对土壤的土水特性与水利工程防渗有重要影响[1],自然环境的改变使土体发生沉降、变形，甚至变得斥水等[2],这些引起了国内外学者们强烈的关注并深入研究,NAREEMAN等[3]指出主要影响土壤膨胀特性的因素是含水量的变化和土壤中黏土颗粒。李献民等[4]认为击实膨胀土的胀缩趋势增强，对其胀缩规律进行研究是有必要的,掺入风化砂、石灰、粉煤灰、崩解性砂软岩等可以改良其膨胀[5-10],其所用砂之类的低比表面积颗粒物质，增大了膨胀土中孔隙水的质量,石灰等胶结材料进行离子交换作用,而化学方法是通过加改性剂使土颗粒变得斥水,增大孔隙水间的接触角，如Doerr等[11]通过水滴渗透时间(WDPT)测试，在现场和实验室中测定了火灾引起或增强的斥水性土壤样品,杨松等[12]发现加入少量斥水剂十八烷能够抑制膨胀土的收缩开裂,其斥水性对工程防渗具有潜在的应用价值。

结合砂子等物理改性材料和少量斥水剂对膨胀潜势的影响效果,本文提供了一个新思路,将极少量的十八胺配制出的斥水砂混入膨胀土中,利用斥水砂来改善工程中土料填筑的压实度和初始含水率,验证强膨胀土斥水改良的可行性,提高其抗渗性并降低工程造价。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自内蒙古赤峰宁城某风化边坡，膨胀黏土含蒙脱石等矿物较多,外表呈现灰白色，土样取土深度为0.5 m，试验前，先将土样自然风干、轻锤碾碎，并过2 mm筛,将筛好的土样放入105℃的烘箱内烘干至恒重,斥水土用土样和斥水剂混合搅拌法制样，十八胺的加入量为2 g/100g，同时配备十八胺含量为0.04%的斥水砂,十八胺熔点在50～60℃,烘箱温度控制为70℃(稍高于十八胺熔点),将十八胺在研钵中碾成粉状，均匀铺在土样表面不断搅拌,直至十八胺完全均匀混入土样,然后放置到烘箱内烘烤8 h，每隔1 h搅拌5 min，在室内放置冷却后进行初始的WDPT测量试验,得到5种土样,分别为膨胀土(S1)、膨胀土+30%清水砂(S2)、膨胀土+30%亲水砂(S3)、斥水膨胀土(S4)、斥水膨胀土+30%斥水砂(S5)、5种土样过0.05 mm的筛后,采用液、塑限联合测定仪确定液塑限并得到临界含水率范围。采用土工试验方法标准(GB/T 50123—1999)对土样基本物理性质进行测定，得到土样的基本物理指标(表1)。

表1 5种备样方法下膨胀土基本性质

1.2 试验过程

1.2.1击实试验

采用手动击实仪,待散土冷却后再加水制样。将拌合料多次搅拌使水和土充分混合,取塑限附近的含水率进行多次击实,击实次数定为27次，环境温度为25°C,击实筒内每层土料称重200 g且余土高度控制在5 mm以内。击实后用61.8 mm×20 mm的环刀取样,上下表面刮平置于盘中备用，每组5个,制作2组平行样,一组放入烘箱105℃烘干,计算干密度,另一组进行膨胀率试验。

1.2.2膨胀率试验

采用WZ-2型膨胀仪进行无荷载膨胀率试验作为5种土样的膨胀性的指标。膨胀土的膨胀变形机理较为复杂，受含水率、干密度的影响显著,对在最大干密度下的环刀样进行膨胀率试验,在单变量下,土体发生竖向的一维膨胀变形,绘制在膨胀仪上所得到的膨胀土膨胀率曲线并进行拟合，建立膨胀变形与时间的关系,反映土体的膨胀率变化规律。

2 试验结果及分析

2.1 改性膨胀土的击实特性

对5种土样进行了手动击实实验，在击实的作用下,土颗粒之间的连接更加紧密，含水率范围更广,变化趋势见图1。图1五条曲线均出现了峰值(最优含水率),其范围在42%～50%,最大干密度在1.01～1.21。

图1 5种土样的击实曲线

a)亲水膨胀土含水率集中在48%附近,掺砂没有显著改变其最优含水率。试验设计了斥水膨胀土+斥水砂土样(S5)，发现膨胀土直接加入十八胺的情况下仍然不能把土样击实到1.2 g/cm3，对比下掺入斥水砂土样(S3)的最大干密度最高,这主要是因为：土样由亲水直接变为斥水后，其最大干密度发生了变化,颗粒表面薄膜水较少，击实功较多消耗在摩阻力上，拌合料偏干,最大干密度从1.07 g/cm3下降到1.01 g/cm3，而最大干密度影响膨胀土强度的一个重要指标,故掺入30%的斥水砂效果明显。

b)用30%的砂掺入到膨胀土中提高了膨胀土的压实性,土中的黏粒含量相对减小,使土的干容重增加,膨胀势减小,一定程度形成空间网状骨架，使最大干密度从1.07 g/cm3提高到了1.21 g/cm3。其次，通过拌入斥水砂,其表面的十八胺容易将自由水排斥,降低了含水率,但砂骨架依然存在,击实的影响较小,说明亲水膨胀土加入斥水砂击实以后的最大含水率能保持在亲水膨胀土的46%附近且最大干密度优于其余土样,大大提高了压实度。

2.2 膨胀率曲线

5种土样的膨胀率曲线拟合时相关系数都达到0.99以上,数据和曲线吻合程度高,较好地反映了无荷状态下膨胀率的变化，图2中各图的R表示最终的膨胀率,红色方块为曲线拐点。

a)亲水膨胀土

b)亲水膨胀土+30%亲水砂

c)亲水膨胀土+30%斥水砂

d)斥水膨胀土

e)斥水膨胀土+30%斥水砂

a)图5a、5b曲线在前200 min的时间里膨胀剧烈,有很明显的转折点,转折点前部分,由于含水量较低时,水分克服蒙脱石晶层间的范德华力及静电引力,导致膨胀土中矿物蒙脱石的晶层膨胀,图中此阶段膨胀变形速率大,膨胀率占总膨胀率的比例为85.7%,转折点后部分,进入长程膨胀阶段,此时膨胀土的膨胀性转变为由双电层控制，尤其是扩散层厚度的变化此时膨胀速率缓慢,膨胀率占总膨胀率的比例为14.3%,占比较小,而掺砂显著降低了膨胀土的膨胀率,从35%到14%,但前期无荷膨胀率时间较短,反应较剧烈,存在拐点。

b)直接掺入十八胺的试样S4无荷膨胀率(13%)比天然膨胀土(35%)明显减小。与此同时,发现未加十八胺的试样(S1/S2)无荷膨胀率时间较短,反应较剧烈,通过加入十八胺(图5d)，试样斥水程度显著增强，水分渗入试样内部也更困难，斥水膨胀土和斥水砂(图5e)在前130 min,试样膨胀率趋于0,水分吸收缓慢，从而膨胀变形速率缓慢，持续时间较长,当掺有十八胺的膨胀土表面的十八胺慢慢被稀释一部分,膨胀率才开始增加,其内部没有遭到破坏,总膨胀率减少,未等试样饱和即达到膨胀稳定状态。

c)对比斥水砂和亲水砂,极低含量的十八胺(0.04%)掺入砂子时，膨胀土膨胀稳定且历时较长，掺斥水砂较亲水砂后,膨胀率在前期显著减缓,没有较大的拐点,对于掺砂改良膨胀土，发现掺斥水砂改良膨胀土的稳定性要比亲水膨胀土稍好，经历27次击实后，改良膨胀土的微结构破坏程度依旧稳定,掺极低含量十八胺的斥水砂保护着低价阳离子不被置换,土颗粒表面胶体吸附层水膜厚度稳定使土的膨胀率降低。

3 讨论

膨胀土的回填或填筑工程进行质量控制时，掺入风化砂可以改良膨胀土的压实度与胀缩性[13],经过预试验并综合考虑强膨胀土和斥水砂的作用，确定掺入30%风化砂为配合比。在岩土工程研究领域,学者们建立了宏观膨胀模型,并在微观上用蒙脱石的晶层膨胀模型来描述其膨胀。关于改良影响膨胀土膨胀性,含水率是关键因素,学者们采用加入风化砂/砾石的方式抑制膨胀率,从膨胀率曲线可以看出掺砾石的膨胀土的膨胀稳定性较纯膨胀土得到显著改善[14-16]。

亲水膨胀土直接掺入十八胺,能包裹土壤颗粒,而采用斥水砂,较直接掺入而言,斥水砂能充分和膨胀土颗粒接触,斥水砂显著抑制了内部土颗粒中矿物的吸水。出现上述现象，可归因于高掺砂率混合物中砂骨架的形成[17],化学-物理联合抑制膨胀性的方法还很少,从森林火灾的斥水砂土中得到启发[18-19],在微观结构层面,试样在浸水膨胀，但在宏观结构层面,最终的膨胀率由单位体积蒙脱石含量决定[20],蒙脱石中的砂骨架模型与试验结果吻合较好,30%含量的斥水砂使水分渗入试样缓慢,所以膨胀率占总膨胀率的比例为纯土的1/4,混合十八胺在砂子,土颗粒表面胶体少部分破坏,束缚作用依旧稳定，蒙脱石等矿物未饱和,其膨胀量较小,斥水性的土壤能长期有效阻止水分入渗，能降低击实膨胀土膨胀率的同时又保持其斥水特性，可以考虑把其应用于膨胀土路基及水利工程等一些需要防渗的地方。

4 结论

通过对强膨胀土进行击实试验和膨胀率试验，对亲水膨胀土变为斥水后的击实特性及膨胀规律展开研究得到以下结论。

a)斥水剂十八烷基伯胺能够显著降低膨胀率，抑制膨胀潜势。掺有十八胺试样的无荷膨胀率比天然膨胀土的无荷膨胀率明显减小且试样未饱和时即达到膨胀稳定状态,塑性指数有明显降低，十八胺对膨胀土的亲水性有明显的改善,

b)改良后的击实膨胀土的膨胀率曲线下降了75%,说明胀缩性得到很好的抑制,曲线平滑没有拐点反应缓慢而持久,击实曲线更为集中,更易于施工中控制含水率进行压实,由于直接掺入十八胺用量较多,将十八胺含量为0.04%的砂子加入膨胀土效果显著,利用十八胺的斥水性来防止水分入渗,从而降低强膨胀土的膨胀率，工程上可以综合考虑采用物理与化学改性结合的斥水砂。