提高膨胀土自由膨胀率试验精度的研究

张伟利，李永红，党进谦，王 飞

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

提高膨胀土自由膨胀率试验精度的研究

张伟利，李永红，党进谦，王 飞

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 分析膨胀土自由膨胀率试验的误差来源，为提高自由膨胀率试验的精确度提供依据。【方法】 取陕西安康、陕西洋县和河北邯郸3种膨胀土，将安康素膨胀土筛分为3个粒组(粒径≤0.1 mm、0.1 mm<粒径≤0.25 mm和0.25 mm<粒径≤0.5 mm)，分别测试3个粒组膨胀土的自由膨胀率；将占烘干安康膨胀土质量0.5%，1.0%，2.5%和5.0%的硅酸钠和0.1%，0.5%，1.0%和2.5%的阳离子型聚丙烯酰胺溶于纯水加入安康膨胀土中制成16种改性土样，研究粒度组成对改性土样自由膨胀率的影响；测试不同环境温度(10，15和25 ℃)下安康、洋县和邯郸膨胀土的自由膨胀率，并测试烘干土样是否在干燥器中冷却至室温对量土杯中土样质量的影响。【结果】 粒径≤0.1 mm的安康膨胀土自由膨胀率为20%，0.25 mm<粒径≤0.5 mm安康膨胀土的自由膨胀率为53%，结果相差33%。改性安康土样中，当硅酸钠质量为干素土的1.0%、阳离子型聚丙烯酰胺质量为干素土0.1%时，未控制粒组改性土样Ⅰ的自由膨胀率为23%，控制粒组改性土样Ⅱ(0.1 mm<粒径≤0.25 mm和0.25 mm<粒径≤0.5 mm的土样等质量混合而成)的自由膨胀率为40%。低温环境会造成自由膨胀率严重偏低，当温度从25 ℃降至10 ℃时，自由膨胀率降低约43%；干燥土样是否在干燥器中冷却至室温对量土杯中的土样质量影响较小。【结论】 为提高自由膨胀率试验精确度，建议将土样过筛后制作试样，其中粒径≤0.1 mm的占0～20%，0.1 mm<粒径≤0.25 mm的占土样20%～50%，0.25 mm<粒径≤0.5 mm的占土样20%～50%，并最好将膨胀土样在干燥器中冷却至室温(25 ℃)且在室温条件下进行试验。

膨胀土；改性土；自由膨胀率；粒度组成；环境温度

膨胀土的改性已经成为国内外膨胀土研究的一个重要课题，而衡量各种改性剂抑制膨胀土变形效果的一个最直观指标就是自由膨胀率[1]，其试验结果可能会直接影响研究者对一种改性剂改性效果好坏的判断，甚至对改性剂的研究产生影响。因此，从操作上对自由膨胀率试验方法进行完善，以增加试验结果的精确度和不同试验人员测试结果的可对比性显得尤为重要。

自由膨胀率作为反映黏土膨胀性的一个重要物理指标，与土中黏土矿物，主要是亲水性矿物蒙脱石和伊利石的含量有关[2-3]，其含量的大小可以直接反映土的膨胀潜势，是土判别分类的依据。自由膨胀率试验因所需仪器设备简单、操作方便、试验周期短、适于野外初步鉴定而成为评价黏土胀缩特性的重要方法。虽然现行的土工试验规程[4]和相关部门的试验标准[5-6]对自由膨胀率的测试方法有比较详细的规定，但按照规范步骤进行操作时，由于一些不确定因素的存在，如粒度组成(土样制备)、搅拌次数、环境温度、无径漏斗口径和漏斗离调土杯口距离等[7-8],往往导致不同人员的试验结果存在很大的差异，造成对工程土的判别和分类出现误差。其中土粒粒度组成是试验结果的主要影响因素已成为大家的共识，但对土粒粒度的影响规律及环境温度等对测试结果的影响大小，目前尚缺少深入的研究。为此，本研究探讨了粒度组成、环境温度以及干燥土样是否在干燥器中冷却至室温对自由膨胀率试验结果的影响，以期为提高自由膨胀率试验的精确度提供支持。

1 材料与方法

1.1 试验用土

试验所用安康土，颜色呈红褐色，其自由膨胀率为50%，最大干密度为1.61 g/cm3，最优含水率为22.8%，液限为45.10%，塑限为22.16%，比重为2.70，孔径小于0.002 mm黏粒含量为33%。X-衍射分析表明，供试膨胀土矿物组成中，非黏土矿物石英、钾长石、斜长石含量分别为48.9%，1.0%和11.3%，黏土矿物伊利石、高岭石含量分别为9.7%和1.9%；根据伊蒙混层质量分数为27.2%，伊蒙混层比为55%，计算得全土中蒙脱石含量为14.96%，伊利石含量为21.94%，黏土矿物质含量为36.89%。以上百分含量均为质量分数。根据黏粒含量[2]、膨胀潜势等级标准[9]等膨胀土的判别分类依据，判定安康土的膨胀潜势较低，为弱膨胀土。洋县膨胀土取自陕西汉中洋县膨胀土地区,邯郸膨胀土取自河北省邯郸市膨胀土地区,二者均呈淡黄色,为强膨胀土。

1.2 改性材料

试验选用硅酸钠(Na2SiO3·9H2O)和阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)对膨胀土进行改性。硅酸钠由不同比例碱金属和氧化硅的化合物组成(Na2O∶SiO2模数为1∶1)，属于可溶性硅酸盐类，因其具有胶凝和团聚作用，故硅酸钠成为一种很有发展前景的膨胀土无机固化剂[10]。CPAM是一种线性高分子化合物，由于具有多种活泼的基团，能与许多物质亲和、吸附形成氢键，絮凝为带负电荷的胶体[11]，从而对土颗粒产生“团聚化”作用[12-16]。

1.3 方 法

试验于2012年在西北农林科技大学水利与建筑工程学院土工实验室进行。

1.3.1 粒度组成对土样自由膨胀率的影响 土样制备过程中，由于碎土工具、用力大小、试验人员差异等的影响，会使试验用土的粒度组成有很大差别。颗粒越细，则10 mL量土杯中土样的质量越小。据统计，若土样粒径全部在0.1 mm以下，则10 mL量土杯中土样的质量可小于7 g；若土样粒径均在0.1～0.5 mm，量土杯中土样的质量可达12 g左右。文献[4]并未规定土样的具体粒径组成，为减小粒径组成对试验造成的误差并提出改进建议，进行下述试验。

首先将烘干后的素土分别过孔径为0.5，0.25和0.1 mm的标准筛，将素土分为粒径(d)d≤0.1 mm、0.1 mm

为进一步研究控制土样粒径组成是否能提高自由膨胀率的试验精度，增强不同人次试验结果的可比性和膨胀土改性试验结果的规律性，需对多种不同土样进行研究。为省去土样选取的麻烦，在所取素膨胀土中加入改性材料硅酸钠(固体)和阳离子聚丙烯酰胺(固体)对素膨胀土进行改性。具体方法为：称掺量(与烘干素膨胀土的质量百分比)为0.5%，1.0%，2.5%，5.0%的硅酸钠和掺量(与烘干素膨胀土的质量百分比)为0.1%，0.5%，1.0%，2.5%的阳离子型聚丙烯酰胺，分别将不同掺量的2种物质用纯水溶解后加入素土中，充分搅拌使改性剂与土颗粒充分反应，静置24 h，放入烘箱中在60 ℃(为防止有机改性剂分解,烘干温度不宜过高)烘干，然后将添加2种改性剂的16种改性土碾碎后分为2组进行处理，编号为Ⅰ和Ⅱ。第Ⅰ组土样只过孔径0.5 mm的标准筛后进行自由膨胀率试验。第Ⅱ组土样分别过孔径0.5，0.25和0.1 mm标准筛后分为d≤0.1 mm、0.1 mm

1)将第Ⅰ、Ⅱ两组多个土样混合均匀后烘干，在干燥器内冷却至室温。

2)将无径漏斗放在支架上，漏斗下口对准量土杯中心并保持10 mm。

3)用取土匙取适量土样倒入漏斗中，倒土时取土匙应与漏斗壁接触，并尽量靠近漏斗底部，边倒边用细铁丝轻轻搅动，当量杯装满土样并溢出时，停止向漏斗倒土，移开漏斗刮去杯口多余土，称量土杯中试样质量，将量土杯中试样倒入匙中，再次将量土杯置于漏斗下方，将匙中土样按上述方法全部倒回漏斗并落入量土杯，刮去多余土，称量土杯中的试样质量。本步骤应进行2次平行测定，2次测定的差值不得大于0.1 g。

4)在量筒内注入30 mL纯水，加入5 mL质量分数5%氯化钠(分析纯)溶液，将试样倒入量筒内，用搅拌器上下搅拌悬液各10次，用纯水冲洗搅拌器和量筒壁至悬液达50 mL。

5)待悬液澄清后，每2 h测读1次土面读数(估读至0.1 mL)，直至2次读数差值不超过0.2 mL即认为膨胀稳定。按下式计算自由膨胀率，并准确至1.0%。

(1)

式中：δef为自由膨胀率 (%)；νwe为试样在水中膨胀后的体积(mL)；ν0为试样初始体积，本研究为10 mL。

1.3.2 烘干土样冷却与否对量土杯中土样质量的影响 文献[4]指出，进行自由膨胀率试验的土样在烘干后要放在干燥器中冷却至室温。为研究土样是否冷却至室温对测试结果的影响程度，先将改性土样风干后碾碎，分别过孔径0.5，0.25，0.1 mm标准筛，按1.3.1中第Ⅱ组土样的处理方法处理后混合均匀，在60 ℃下烘干,按文献[4]确定土杯中的试样质量。以CPAM掺量为0.1%，0.5%，Na2SiO3·9H2O掺量为0.5%，1.0%，2.5%和5.0%的改性膨胀土为例，按照1.3.1中第Ⅱ组土样的处理方法过筛取样，烘干后分不冷却至室温和冷却至室温2种情况测定10 mL量土杯中的土样质量。

1.3.3 环境温度对土样自由膨胀率的影响 多次试验发现，环境温度对膨胀土自由膨胀率的测定结果也有一定影响。为研究环境温度对不同土样影响的统一性，取来自陕西安康、洋县和河北邯郸的3种膨胀土土样进行试验。具体方法参照文献[4]，先将试验所需纯水放入恒温箱中使其温度达到试验温度(10,15和25 ℃)备用，用四分对角法取上述3种代表性风干土样，分别过孔径0.5，0.25和0.1 mm标准筛，使试验土样的粒径组成为d≤0.1 mm、0.1 mm

2 结果与分析

2.1 粒度组成对土样自由膨胀率的影响

由表1可知，10 mL土样质量随粒径的减小而降低，自由膨胀率也相应减小。由于粒度组成的差异，土样的自由膨胀率最大达到53%，最小为20%，随土样粒径的变小，自由膨胀率最大相差33%。若只从最小自由膨胀率看，已足以将原来的膨胀土判别为非膨胀土[8]。出现上述结果的原因是,土样的粒度组成直接影响了10 mL土样在分散状态下的堆积密度，即不同粒度组成的土样孔隙比不同，土样质量及所含亲水性矿物的量不同，最终测得的自由膨胀率也出现了很大差异。结果说明,自由膨胀率随土样质量的增加而增大,但是不同粒度组成的土样，这种关系的变化幅度可能不同。

表1 10 mL不同粒径素膨胀土的质量及其自由膨胀率Table 1 Masses and free swelling ratios of 10 mL soil samples from with different gradation compositions

由表2可知，3种粒径土样的自由膨胀率与其质量基本均呈线性关系，其中0.1 mm

表2 3种不同粒径土样在不同取土质量下的自由膨胀率Table 2 Free swelling ratios for different masses of soil samples under with different gradation compositions %

添加改性剂Na2SiO3·9H2O和CPAM的改性土Ⅰ、Ⅱ的土样质量和自由膨胀率见表3和表4。

表3 添加改性剂Na2SiO3·9H2O和CPAM的改性土Ⅰ的土样质量和自由膨胀率Table 3 Mass and free swelling ratio of soil Ⅰ modified by Na2SiO3·9H2O and CPAM

由表3和表4可知，10 mL第Ⅰ组土样的质量为8.98～11.30 g，最大质量差为2.32 g，10 mL第Ⅱ组土样的质量为9.22～10.13 g，最大质量差为0.91 g，Ⅱ组土样的最大质量差明显减小。当改性土样中Na2SiO3·9H2O的掺量(即Na2SiO3·9H2O与烘干素土的质量百分比)为1.0%、CPAM掺量(即CPAM与烘干素土的质量百分比)为0.1%时，Ⅱ号土样的自由膨胀率为40%，比相应Ⅰ号改性土样(23%)提高17%。可见粒度组成会影响膨胀土的判别分类，考虑到工程的安全性，宜选择第Ⅱ种土样处理方法测定自由膨胀率。此外，表4中不同改性土样自由膨胀率测试结果明显更具规律性，说明对第Ⅱ组土样的过筛处理减小了自由膨胀率的试验误差，增加了不同土样之间的可比性。结合表2不同粒组测试结果的相似性,并为适度保持土样粒度组成的天然性，建议控制试验土样的粒径组成为：d≤0.1 mm土样占0%～20%，0.1 mm

表4 添加改性剂Na2SiO3·9H2O和CPAM的改性土Ⅱ的土样质量和自由膨胀率Table 4 Mass and free swelling ratio of soilⅡmodified by Na2SiO3·9H2O and CPAM

2.2 烘干土样冷却与否对量土杯中土样质量的影响

由表5可知，同一土样在干燥缸中冷却后量土杯中试样质量均较冷却前稍大，由于本试验改性土样中掺加了有机物，因此设定的温度为60 ℃，若烘土温度为100 ℃，则量土杯中试样的质量差会更大。物体密度会因温度的升高而变小，因此高温情况下10 mL量土杯中的土样总质量偏小;另外,热土易吸收空气中的水分，这也会导致实际称量的干土颗粒质量变小。结合表2可知，热土样的自由膨胀率会偏小。因此,在实际工程中，很多试验人员为节省时间将未经冷却的土样直接用以确定取土质量的做法将会导致自由膨胀率的测试结果偏低，但影响不大。

表5 添加改性剂Na2SiO3·9H2O和CPAM的改性土冷却与否的土样质量Table 5 Masses of soil samples modified by Na2SiO3·9H2O and CPAM through cooling or notwith and without cooling g

2.3 环境温度对土样自由膨胀率的影响

由表6可知，3种膨胀土在不同温度下的自由膨胀率均相差较大，低温环境对试验结果影响十分明显，以安康土为例，在10 ℃下其自由膨胀率为35%，根据相关判别标准，判为非膨胀土,在25 ℃下其自由膨胀率为50%,为弱膨胀土。

温度之所以会对自由膨胀率有如此明显的影响，从分子热运动的角度看，因为亲水性物质在吸水膨胀的过程中受到温度的影响，温度越高水分子的热运动平均动能越大，与土粒中的亲水性矿物作用越剧烈，扩散双电层的厚度越大，当这一吸水膨胀的过程结束后，扩散双电层处于动态平衡状态，短时间内不会再收缩变薄。因此，环境温度高会导致测试结果偏大，反之亦然。对比分析不同土样的自由膨胀率时，建议在环境温度约为25 ℃的室温条件下进行。

表6 3种膨胀土在不同测定温度下的自由膨胀率Table 6 Free swelling ratios of the three expansive soils under different temperatures %

3 结 论

1)在粒径组成、环境温度和冷却与否3种因素中，粒径组成对自由膨胀率测试结果的影响最大。采用控制供测土样粒度组成的方法可以有效提高不同土样自由膨胀率试验结果的可比性，同时能够减小试验误差。建议将土样分别过孔径0.5，0.25和0.1 mm的标准筛分为3个粒组，再分别按粒径d≤0.1 mm占0%～20%，0.1 mm

2)环境温度对自由膨胀率测试结果有一定的影响，本试验结果表明，自由膨胀率随测试环境温度的升高而增大。虽然在文献[4]中已明确测试结果可以有小于8%的误差，但为便于比较不同研究的结果，试验应在温度相近的环境条件下进行。在对土进行判别分类时，应以较高温度下的测试结果为准，如夏季测定膨胀土的自由膨胀率，即按最危险的情况进行处理。因此建议在室温(25 ℃)条件下进行试验。

3)在确定取土质量时，烘干后的土样是否冷却至室温对自由膨胀率的测试结果影响不大，但为提高试验精度，仍建议先将烘干土样放入干燥缸中冷却至室温后再进行后续操作。

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Study on improving Improving the accuracy of free swelling ratio test

ZHANG Wei-li,LI Yong-hong,DANG Jin-qian,WANG Fei

(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study analyzed the error sources of free swelling ratio test to provide basis for improving its accuracy.【Method】 The study took expansive soil samples from Ankang and Yangxian in Shaanxi and Handan in Hebei.The Ankang expansive soil samples were sieved to particle diameters (d≤0.1 mm,0.1 mm

expansive soil;modified soil;free swelling ratio;gradation composition;environment temperature

时间:2015-08-05 08:57

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.029

2014-02-28

张伟利(1987-)，女，河南郑州人，硕士，主要从事膨胀土工程性质研究。E-mail:weili1987.love@163.com

党进谦(1964-)，男，陕西澄城人，教授，硕士生导师，主要从事黄土工程性质研究。E-mail:dangjinqian@163.com

TU411

A

1671-9387(2015)09-0203-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150805.0857.058.html