微波加热对膨胀土膨胀性影响的试验研究

蒋银强,梁建楠,赵雅贞,段 朕,赵昊洋

(1.安阳学院 河南 安阳 455000; 2.河南大学 河南 开封 475004)

0 引言

膨胀土富含蒙脱石等强亲水性矿物,是一种具有吸水膨胀、失水收缩、反复胀缩特性的粘性土。粘性土的物理性质与温度密切相关,高温可以改变粘性土的物理力学性质。20世纪中叶Philip J R等[1]探究了蒸汽在土壤中的扩散作用,标志着温度对土性质影响研究的开始。近年来,国内外为探究高温对土体性质的影响做了很多研究。Özcan Tan等[2]人探究了热处理对土耳其东部两种粘土的影响,发现温度升高对粘性土最佳含水量、最大干密度、比重等性质有重要影响;Majed M Abu-Zreig等[3]人研究了在实验室条件下温度对约旦北部3种粘性土的影响,试验发现高温热处理会降低土壤的液塑限、最佳含水量、无侧限抗压强度和膨胀压力;Sun Qiang等[4]人为了解粘土物理性质的演变,在加热炉中对粘土进行200～800 ℃的试验,发现粘土性质在高温下受3种主要机制的影响,包括矿物基质的变化、热微裂纹和矿物颗粒的剥落;Geng Jishi 等[5]通过室内试验,分析了900 ℃以下高温对粘土热物理性质的影响,揭示了粘土热导率与密度的关系;Hu Qijun 等[6]采用微波辐射法对试样中的弱泥质夹层进行强化处理,发现微波辐射增加了弱泥质夹层的孔隙率和裂缝,有利于注浆加固,且当温度达到500 ℃以上时,土体的水稳定性得到了有效的改善;Zhang Shuai 等[7]研究了微波烧结法处理放射性污染土壤,证明了微波辐射能够有效处理土壤中的放射性污染物;刘云壮等[8]对高温烧结淤泥质土进行水解试验,探究了不同烧结温度和时间下淤泥质土在水解作用下抗压强度的变化规律;尹铁峰等[9]对宁波地区软黏土进行了不同温度和围压下的热固结试验,研究其在温度作用下的固结特性,结果表明温度越高其固结度越高,并且达到一定固结度所需时间越短。陈正发等[10]采用气相法研究了上海软黏土在高温作用下的土-水特征曲线随温度的变化,发现孔隙数量和孔隙结构随温度升高发生的变化是导致软黏土的土-水特性随温度升高而变化的原因;陈皓等[11]系统研究了干密度、围压、温度和含水率对高庙子膨润土强度特性的影响,建立了高庙子膨润土的黏聚力和内摩擦角随温度变化的公式;J J Reinosa等[12]研究了在微波辐射下高岭土样品的介电性能随温度的变化,证明微波加热效应的高效率与吸收微波电磁场表面载流子的存在有关;曾召田等[13]对MX-80膨润土粉末进行了不同时长的高温强碱处理,发现MX-80膨润土的比重、比表面积和膨胀指数下降幅度较大,并通过X射线衍射试验和热重分析试验发现蒙脱石发生溶解为高温强碱环境下膨润土物理性劣化的根本原因。刘俊新等[14]对碱-热处理后的膨润土进行恒体积膨胀力试验,发现膨润土的蒙脱石含量、水化反应时长和最大膨胀力均减小,而径向与竖向最大膨胀力的比值不受碱-热影响,且始终在0.5左右。

综上所述,温度是影响土体性质的一个重要因素,然而尝试将高温处理作为膨胀土改良的一种思路目前还鲜有研究。本文利用微波加热升温速度快、均匀性好、热穿透力强的特点,对膨胀土进行微波加热处理,探究微波加热对膨胀土膨胀性的影响规律。

1 试验材料及微波加热方案

1.1 试验材料

本文所用土样取自合肥地区引江济淮项目引江济巢段菜子湖施工区河道内。试样采集、运输及保存按照《土工试验规程》(YS/T 5225-2016)[15]相关规定严格执行。土样自由膨胀率试验结果为55.2%,依据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112-2013)判定为弱膨胀土[16]。通过液塑限试验、比重试验及击实试验测得土样的基本物理性质(见表1),XRD(X射线衍射仪)分析得土样主要矿物成分及含量(见表2)。

表1 膨胀土基本物理参数

表2 膨胀土主要矿物含量

1.2 微波加热方案

微波加热试验采用CM-06S型多模谐振腔工业微波炉(见图1)。微波频率为2.45 GHz,功率为0～6 kW。加热过程中使用在腔体上壁中心安装的红外测温系统进行温度测量,加热结束后采用红外测温仪对土样进行手动辅助测温。

图1 CM-06S型多模谐振腔工业微波炉

膨胀土样自然风干后碾碎过筛,取粒径为2 mm以下部分作为试验用土样。将试验用土样置于烘箱中在105 ℃环境下烘8～9 h,随后转移至密封干燥器内冷却至室温。称取1 kg干燥土样置于石英坩埚中并抹平表面,随后将坩埚放入工业微波炉加热腔内,设置加热功率为4 kW,加热时间为5 min。恒定4 kW功率下,用相同型号的坩埚将另外两份质量为1 kg的土样分别加热10 min和15 min。加热完成后,利用测温仪测得加热时间为5 min、10 min、15 min土样表面温度分别达到315 ℃、510 ℃和650 ℃。

2 试验方案

2.1 自由膨胀率试验

对微波加热时间为0 min、5 min、10 min、15 min的土样分别进行自由膨胀率试验。将无颈漏斗安装在支架上与量土杯中心对正后固定,漏斗下口与杯口间距离控制在10 mm左右;取50 g过0.5 mm筛的土样装入杯中,装填过程中保持土样的松散状态;用量筒量取30 mL纯净水,并加入5 mL质量分数为5%的纯氯化钠溶液;将称量好的土样倒到量筒当中,用搅拌器从底部向液面充分搅拌;等到土样完全沉淀之后方可开始读数,每隔5 h记录一次体积,当前后两次读数差小于等于0.2 mL时停止读数,并将最后一次读数记录为试验结果。

2.2 无荷膨胀率及有荷膨胀率试验

对加热时间为0 min、5 min、10 min、15 min的土样分别开展无荷膨胀率及有荷膨胀率试验,试样初始含水率控制为17%、20%、23%、26%,竖向荷载为0 kPa、25 kPa、50 kPa。按预定的含水率配制土样,土样在恒温恒湿环境中闷料24 h后用静压法制样,试样为直径61.8 mm,高20 mm的标准环刀样。将标准环刀样装入膨胀仪中,施加预定的竖向荷载,调整百分表位置并记录初始读数。向膨胀仪中加入蒸馏水至水面与试样底面齐平。记录注水时间及不同时间间隔下的百分表读数。试验过程中应保持实验室的安静与稳定,读数时需避免触碰膨胀仪及百分表。

3 试验结果与分析

3.1 微波加热对自由膨胀率的影响

土的膨胀潜在势能常用自由膨胀率来反映。试验结果表明加热0 min土样的自由膨胀率为55.2%,加热5 min后降至41.7%,加热10 min后继续下降到31.5%,当加热时间为15 min时仅为11.0%。图2表示自由膨胀率随着加热时间的增加不断下降,且二者接近线性相关。根据膨胀土膨胀潜在势能的分类,加热0 min和加热5 min的土样为弱膨胀土,当加热时间达到10 min和15 min时土样变为非膨胀土。

图2 自由膨胀率随微波加热时间变化曲线

3.2 无荷膨胀率及有荷膨胀率试验结果与分析

无荷膨胀率和有荷膨胀率(下文统称为膨胀率)是试样在侧限条件下,浸水后高度方向上的膨胀量与原高度的比值,是反映土体膨胀性能的重要指标。浸水后t时的膨胀率δt为

δt=[(Rt-R0)/h0]×100%

(1)

式中,Rt为浸水时间时百分表的读数,单位为mm;R0为百分表初始读数,单位为mm;h0为试样初始高度,单位为mm。

图3反映了当含水率和竖向荷载一定时,膨胀率随着加热时间的增加而减小。以含水率为17%的试样在竖向荷载为0 kPa时的试验结果为例,加热0 min土样的膨胀率为15.05%,加热15 min土样的膨胀率为6.65%,降幅为8.4%,下降率达到55.81%,表明微波加热能够明显改良膨胀土的膨胀性。这是因为高温作用导致土样里亲水矿物蒙脱石中的层间水脱出,造成层间塌陷,从而使晶格发生重新排列,蒙脱石矿物首先转化成蒙脱石-伊利石混层矿物,且在持续高温的作用下进一步转变为伊利石矿物。这一转变使得膨胀土中亲水矿物的含量降低,导致土样与水的结合能力下降,膨胀性降低。同时,层间塌陷及晶格重组使土体微观结构中的大孔隙转变为小孔隙,土颗粒间的距离变小,土体结构趋于密实,对自由水的吸附能力降低,进而导致土体的膨胀性降低。当加热时间增加,土体温度更高,这一现象变得更加明显。

图3 膨胀率随加热时间的变化曲线

此外,当竖向荷载水平及含水率较低时,土样膨胀率较高,加热0～5 min膨胀率下降量及下降率较5～10 min和10～15 min普遍要小。仍以含水率为17%的试样在竖向荷载为0 kPa时的试验结果为例,加热5 min,膨胀率从15.05%下降至13.5%,下降量为1.55%,下降率为10.3%;加热至10 min膨胀率从13.5%降为9.98%,下降量为3.52%,下降率为26.07%;加热时间为15 min时的膨胀率较10 min时下降3.3%,下降率为33.07%。这是因为微波加热时间越长,土体所达到的温度越高,并且出现烧结现象(见图4),土样矿物成分及微观结构的变化越显著,对膨胀性的影响加剧。当竖向荷载水平较高时,土样膨胀率较低,这一现象不明显。

图4 部分烧结土样

由图5可知,在含水率和加热时间一定时,膨胀率随着竖向荷载的增加而降低,且当竖向荷载达到50 kPa时,含水率为23%及26%的土样膨胀率为0,不再膨胀。此外,竖向荷载对膨胀过程也会产生影响。图6为含水率23%土样的膨胀率时程曲线,当竖向荷载水平较低时,不同的初始条件下,不同加热时间土样的膨胀过程是比较相似的,都存在高速膨胀、减速膨胀,低速膨胀及膨胀稳定等4个阶段,各阶段对应时间分别为0～2 h、2～5 h、5～11 h、11～24 h,其中初始土样的膨胀过程中阶段性尤为明显。膨胀过程出现阶段性主要是因为初始阶段试样含水量低,土样内部孔隙较多接近“架空结构”,而“架空结构”的亲水作用较强,刚浸水时吸水速度较快,试样体积迅速增大,膨胀现象十分显著。当浸水时间达到2 h后,土样内部的结构由于大量水分的侵入发生了重组,原先的“架空结构”被破坏,转变成较为密实稳定的结构,导致亲水作用降低,膨胀速度逐渐减小,进入减速膨胀阶段。当膨胀土样在水中的浸泡时间超过5 h后,内部的孔隙已被水充分填满,亲水作用消耗殆尽,土样膨胀潜势随之耗散,膨胀停止进入稳定阶段。

图5 膨胀率随竖向荷载的变化曲线

图6 含水率为23%时土样膨胀率时程图

当竖向荷载水平较高(达到50 kPa)时,部分土样失去了减速膨胀阶段或低速膨胀阶段,而直接由高速膨胀阶段进入膨胀稳定阶段,如图6(b)中加热时间为0 min土样的膨胀率时程曲线较为典型。失去减速阶段及低速阶段的原因是土样受到的竖向压力较大,土样浸水后发生膨胀产生的膨胀力难以超过竖向压力而至多进入持平状态,土样在开始吸水膨胀阶段呈现出匀速的状态。当内部的孔隙被水充分填满后,土样膨胀潜势被耗尽,膨胀力下降不足以抵抗较高的竖向荷载,高水平的竖向压力使膨胀突然停止,进入稳定阶段。

4 结论

本文以合肥地区膨胀土为研究对象,研究微波加热对膨胀土膨胀性的影响规律,得到的主要结论如下:

(1)微波加热能够明显改良膨胀土的膨胀性,随着加热时间的增加膨胀土的自由膨胀率、无荷膨胀率和有荷膨胀率均下降。

(2)竖向荷载能够影响膨胀土膨胀过程的特点。竖向荷载水平较低时,膨膨胀过程分为高速膨胀、减速膨胀,低速膨胀及膨胀稳定四个阶段;竖向荷载达到50 kPa时土样失去减速阶段或低速阶段,由高速膨胀阶段直接进入膨胀稳定阶段。

(3)微波加热作用从两个方面影响膨胀土的膨胀性:高温使亲水矿物蒙脱石转变为伊利石,降低土体对结合水的吸收能力;层间塌陷及晶格重组使土体微观结构中的大孔隙转变为小孔隙,使土质趋于密实,对自由水的吸收能力降低。