标准吸湿含水率对膨胀土进行分类的理论与实践

中国科学 E辑 工程科学 材料科学 2005, 35(1): 43~52 43

标准吸湿含水率对膨胀土进行分类的

理论与实践*

姚海林①** 程 平② 杨 洋① 吴万平②

(①中国科学院武汉岩土力学研究所, 武汉 430071; ②中交第二公路勘察设计研究院, 武汉 430052)

摘要 通过一系列膨胀土的物理、力学和化学性质试验, 发现膨胀土的标准吸湿含水率与膨胀土的蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量有良好的线性关系, 也与塑性指数和自由膨胀率有线性相关的趋势, 表明膨胀土的标准吸湿含水率具有明确的物理意义. 塑性指数能很好地反映粒度组成、分散特性和阳离子与黏土矿物的相互作用程度. 因此, 标准吸湿含水率能反映膨胀土的最基本的本质属性. 在一些文献分类成果的基础上, 考虑到对自由膨胀率分类成果的继承性, 提出了以标准吸湿含水率、塑性指数和自由膨胀率3个指标对膨胀土进行分类的方法, 其分类指标试验操作容易、设备简单、试验耗时短.

关键词 膨胀土 标准吸湿含水率 塑性指数　　自由膨胀率　　膨胀土分类

膨胀土的裂隙、膨胀与收缩是与环境变化息息相关的. 环境的变化可以包括由于开挖造成的压力释放、由于温度升高造成的干燥以及由于水分进入或逸出造成的体积增大或缩小. 最重要的因素, 而且对实践工程来说又是关系最大的因素, 就是水对膨胀土的作用. 膨胀土中具有膨胀晶格结构的黏土矿物的存在是膨胀土具有胀缩特性的物质基础, 膨胀土最重要的黏土矿物是蒙脱石、伊利石和高岭石, 它们都是晶质含水硅酸铝. 蒙脱石是决定膨胀土性质的主要黏土矿物, 蒙脱石在含量增加时黏性土出现膨胀, 而黏土其他矿物不发生膨胀或仅发生有限膨胀. 蒙脱石是指除蛭石以外所具有膨胀晶架的黏土矿物群, 也是一种特定的矿物. 从矿物学观点来看, 膨胀的大小取决于黏土矿物的种类和含量、它们的可交换阳离子、水态的电解质含量以及内部结构[1]. 黏土矿物专家称, 任何黏土的膨胀潜势都可

2004-06-07收稿, 2004-09-27收修改稿

* 交通部西部交通建设科技资助项目(批准号: 2002 318 00014) **E-mail: hlyao@http://doc.guandang.net

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以通过鉴定该黏土的组成矿物加以评价[2]. 国内外膨胀土分类方法很多, 所选用的指标和标准也不相同. 各行业各自选用了一些与膨胀土的膨胀和收缩直接或间接有关的一些指标对膨胀土进行了分类, 如自由膨胀率、液限、塑性指数、小于2 µm的黏粒含量、蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量、胀缩特性指标等等, 导致分类结果也有较大的区别. 单自由膨胀率指标分类法[3]方法简单, 但存在很多弊端. 一是自由膨胀率实验方法不一致, 二是自由膨胀率对膨胀土进行分类经常产生误判[4]. 作图法也为很多人采用, 比如南非威廉姆斯分类法[5]、塑性图分类法[6]和风干含水量分类法[7]. 《土的分类标准》(GBJ145-90)只利用塑性图给出了判别标准. 李生林虽然给出了分类标准, 但采用的是10 mm液限, 实际中很难加以应用. 南非威廉姆斯分类法简单明了, 但采用分类指标为 <2 µm黏粒含量百分比与塑性指数, 利用南非威廉姆斯分类对膨胀土进行分类, 结果明显偏高, 且理论依据不是很明确. 风干含水量分类法有一定的理论基础, 但风干含水量试验条件过于宽松, 结果的离散性太大. 美国垦务局USBR法[8,9]、柯尊敬的最大胀缩指标分类法[10]和印度黑棉土分类法[10]都是采用多指标分类法, 这些分类方法有些采用了一些不是独立的因子, 如天然含水量、天然孔隙比、胀缩特性指标等是随客观环境变化的变量, 会造成同一种膨胀土在不同的环境状态下, 出现不同的胀缩等级情况, 一些是多参数的简单罗列, 没有分析参数的相关关系和组合规律.

铁路系统2001年经过修编《铁路工程岩土分类标准》[11]对膨胀土的分类标准进行了较大的修改, 利用了土质学的理论, 选择了反映膨胀土本质的参数. 对膨胀土判别分类较为合理, 但一般公路部门的土工试验室对蒙脱石含量和阳离子交换量没有条件进行测试, 因而难于在公路部门加以推广. 以上这些分类方法反映了膨胀土的一些特性, 并且有的已经在工程中得到成功的应用. 然而要准确地进行膨胀土的判别, 在全国公路部门统一分类方法标准, 直接利用现有的这些方法还有一些局限性, 必须另辟蹊径, 对膨胀土判别分类还需进一步研究. 膨胀土的标准吸湿含水率的概念被提出[12], 本文利用标准吸湿含水率对膨胀土分类进行了有益尝试, 研究表明界限含水量能反映膨胀土的本质, 指标的测定简单便捷, 指标数据可靠, 重现性好, 所提出的分类标准是合适的.

1 标准吸湿含水率的物理意义

1.1 膨胀土标准吸湿含水率的定义

膨胀土标准吸湿含水率为在标准条件下(温度为(25±2)℃, 相对湿度为(60±3)%), 膨胀土试样从天然含水量脱湿至平衡后的含水量. 1.2 膨胀土标准吸湿含水率的物理意义

水蒸气分压(相对湿度)可以利用在一定的温度下密封容器里的各种饱和盐溶

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液精确地确定. 本试验所采用的饱和盐溶液和其对应的相对湿度如表1所示[13].

表1 ２５℃温度下各种饱和盐溶液的相对湿度

饱和盐溶液 CuSO4 25℃时的 相对湿度

98

ZnSO4 90

4KNO3 72.6

NaBr Mg(NO3)2 Zn(NO3)2 CaCl2 CH3COOK LiCl 57

55

42

32.3

20

15

ZnCl2 10

试验用土采用经过提纯后的美国怀俄明州商用蒙脱土. 将经过不同阳离子处理的试样放置于一系列装有饱和盐溶液的干燥器中, 然后将干燥器置于25℃的恒温实验室内, 直至试样恒重. 称量恒重后试样的重量, 并用X衍射试验确定平衡时土样的d001晶层间距, 蒙脱土晶层间距d001与25℃时的相对湿度之间的关系的试验结果如图1所示

.

图1 不同的阳离子饱和的蒙脱石晶层间距的变化与相对湿度的关系

由于膨胀土的比表面积主要由膨胀土中的蒙脱土含量控制, 且蒙脱土的特殊晶层结构和同晶置换作用后使晶层表面带负电荷, 在25℃的温度和大于55%的相对湿度下, 吸湿平衡后的Ca蒙脱石、Mg蒙脱石、Na蒙脱石的晶层间距d001稳定在15.1~15.2Å之间, 不仅使蒙脱石外表面牢固地吸附单层水分子层, 而且晶层间的内表面吸附双层水分子层, 而K蒙脱石晶层间距在12.6~12.7Å之间, 晶层间只吸附了一层水分子. 其他含有晶层结构蒙脱石家族的黏土矿物具有相同或相似的性质. 我国膨胀土绝大多数阳离子为Ca2+, Mg2+和Na+, 而K+只占阳离子总量的2~3%左右.

对不含晶层结构的黏土矿物, 固体颗粒表面也吸附水分子, 这种吸附属于物理吸附, 但其比表面积小, 对标准吸湿含水率的贡献有限.

按照以上分析, 从理论上, 可用下式计算标准吸湿含水率:

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ωa=d×A×C×ρa×β,

(1)

式中, ωa为标准吸湿含水率(%), d为吸附单分子水层厚度(Å), A为具有晶层结构的蒙脱石矿物的理论比表面积(m2/g), C为具有晶层结构的黏土矿物的含量(%),

ρa为吸附水的密度(g/cm3), β 为修正系数, 在0.70~0.98之间选取. 如果已知试样

的总比表面积, 可以用总比表面积来代替A×C, 此时β 取较小的值; 如果是由蒙脱石含量换算的比表面积, 此时β 取较大值.

对于上 …… 此处隐藏：10730字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……