黏土中掺和蒙脱石粉配制高塑性黏土研究

张 婷，周 密，何晓民，罗 菊

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

黏土中掺和蒙脱石粉配制高塑性黏土研究

张 婷，周 密，何晓民，罗 菊

科技成果

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

土石坝工程建设中，一般需要在防渗墙、廊道等混凝土结构与心墙结合处设置一定范围的高塑性黏土，但是直接从自然界中获取符合工程建设要求的高塑性黏土存在一定的困难，因而提出在普通黏土中掺和蒙脱石粉人工配制高塑性黏土，研究了蒙脱石粉掺和量对黏土工程特性的影响，对比了不同掺和量的黏土液塑限、三轴试验成果，表明当蒙脱石粉掺和量为25%时，配制成的高塑性黏土符合规范要求的颗粒含量、液限及塑性指数要求，此为最经济的掺和量比，研究成果可为相关工程参考。

高塑性黏土；蒙脱石；掺和量；黏土

0 引 言

土石坝工程建设中，一般需要在防渗墙、廊道等混凝土结构与心墙结合处设置一定范围的高塑性黏土[1]，高塑性黏土属于高液限土，在工程中判别高液限土的3个指标为：小于0.075mm的颗粒含量>50%、液限>50%，塑性指数>26的细粒土[2]；1949年Burmister提出塑性指数介于20-40之间就可称为高塑性土。

高塑性黏土与普通黏土相比变形模量更低，能适应较大的变形而不产生裂缝，且具有更好的裂缝自愈能力[3]，因此高塑性黏土在土石坝工程建设中得到了广泛应用，但是高塑土是高参数敏感性材料，直接从自然界获取符合工程建设要求的高塑性黏土存在一定的困难。

文章提出在普通黏土中掺入一定量的蒙脱石粉，配制成高塑性黏土以满足工程要求。为研究蒙脱石粉掺和量对黏土工程特性的影响，开展不同蒙脱石粉掺和量的黏土液塑限、三轴试验，在此基础上提出最经济的掺和量比，对其它类似工程有借鉴作用。

1 普通黏土的工程特性

对天然黏土，在室内进行大型击实试验，获得试验料的最大干密度和最优含水率。轻型击实试验，击实筒尺寸Ф300×H288mm，击实锤质量15.5kg，落高60cm，试样分3层填装，每层击数44次，单位体积功能591.9kJ/m3。击实试验成果见表1。

表1 击实试验成果表

《碾压式土石坝设计规范DL/T5395—2007》中对黏性土的压实度有如下要求[5]：用标准击实的方法，如采用轻型击实试验，对1级、2级坝和高坝的压实度应≥98%-100%，3级及其以下的坝(高坝除外)压实度应≥96%-98%；对高坝如采用重型击实试验，压实度可适当降低，但≥95%。针对天然土料，按轻型击实试验压实度98%计算，试验干密度为1.68 g/cm3。

天然土料，在本次试验级配、试验密度条件下，非饱和状态下的抗剪强度指标内聚力为81kPa，摩擦角为24.3°；饱和状态下的抗剪强度指标内聚力为60.7kPa，摩擦角为19.6°，较非饱和状态略有降低。

2 高塑性黏土的试验

2.1 掺和工艺

蒙脱石如图1所示，在普通黏土中掺加蒙脱石粉搅拌均匀后的高塑性黏土如图2所示。

图1 蒙脱石粉

图2 掺蒙脱石粉的黏土

在黏土中掺和蒙脱石粉具体工艺如下：

1)将黏土料风干轻度过碾，过5mm的筛将其拌合均匀测风干含水率。

2)以蒙脱石粉掺量为25%的高塑性黏土为例，按干土质量(75%)：蒙脱石(25%)进行掺配，拌合均匀；

3)按要求的含水率喷水备样，这一步为关键步骤，为了保证试样充分吸湿，需采用雾状喷水，然后充分搅拌，并将备好的土样放入密封容器内里静置24h以上；

4)将土样倒出后测其含水率，配制好的黏土掺蒙脱石粉后的高塑性黏土如图3所示。

图3 配制成的高塑性黏土

2.2 物理性质

对不同掺量的高塑性黏土的液限、塑限以及塑性指数进行测量，入锥深度17mm对应的含水率称为液限含水率，试验成果如表2所示，给出了掺膨润土的液塑限成果。

表2 不同矿物掺和量的黏土液塑限试验成果

塑性指数IP表示黏性土处于可塑状态的含水量的变化范围，塑性指数越大，说明该状态的含水量变化范围也越大。由表3可知，掺膨润土对液塑限的提高程度不及掺蒙脱石粉；高塑性黏土的塑性指数为20-40，考虑到掺配的均匀性与经济性，选择蒙脱石粉掺量为25%的高塑性黏土作为模型试验材料，此时的塑性指数为27.1。

将高塑性黏土(添加蒙脱石质量等于黏土质量25%的混合土)配制成含水量为24.5%的土样，放置在密封塑料筒中24h以上，作为试验材料。

2.3 击实试验

对配制理论含水率分别为19%、21%、23%、25%、27%、29%的高塑性黏土料进行击实功592.2kJ/m3的轻型击实试验，以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的击实关系曲线，如图4所示。曲线上的峰值点的纵、横坐标分别代表土的最大干密度和最优含水率。

图4 高塑性黏土样ρd-w关系曲线

由图4击实试验的结果可知，当配制的高塑性黏土的最优含水率为24.5%，所对应的最大干密度为1.54g/cm3。

2.4 三轴试验

进行高塑性黏土的三轴试验，其成果如下表3所示，其中CCD为黏聚力，φCD为内摩擦角，K、n分别为初始弹性模量基数和弹性模量指数，Kb、m分别为初始体积模量基数和体积模量指数，Rf为破坏比。

由表3可知，配制成的高塑性黏土初始弹性模量基数K值为86.6，<139.9黏土初始弹性模量基数K值，初始体积模量基数Kb值也相应变小，表明其变形模量更低；强度参数内聚力与摩擦角有所降低，但破坏比Rf从黏土时的0.836提高到高塑性黏土时候的0.905，表明高塑性黏土的抗剪切破坏的能力要强于黏土，满足工程建设要求。

表3 三轴试验成果表

3 结 论

1)采用在普通黏土中掺和蒙脱石粉人工配制高塑性黏土，具有施工方便、快速高效，且质量可控的优点，在工程建设中是可行的。

2)对比了不同掺和量的黏土液塑限、三轴试验成果，表明当蒙脱石粉掺和量为25%时，配制成的高塑性黏土符合规范要求的颗粒含量、液限及塑性指数要求，此为最经济的掺和量比。

[1]张丹, 伍小玉, 熊堃.高土心墙堆石坝防渗墙与心墙连接部位高塑性黏土区设置研究[J].水电站设计, 2014, 30(3): 68-72.

[2]中华人民共和国交通部.公路路基施工技术规范[S].北京:人民交通出版社, 2006.

[3]中华人民共和国水利部.DL/T5395碾压式土石坝设计规范[S].北京: 中国水利水电出版社, 2007.

Study on Mixing Montmorillonite Powder with Clay to Configure High Plasticity Clay

ZHANG Ting;ZHOU Mi;HE Xiao-mi and LUO Ju

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Commonly, high plasticity clay in a certain range is commonly used in the junction between corridor wall, concrete structure with core wall in the dam engineering construction. However, high plasticity clay fitting for the construction requirements is difficult to obtain directly from the nature, the method that mixing montmorillonite powder with clay to configure the high plasticity clay manually comes to be put forward. The paper studied the influence of montmorillonite powder contents on the properties of clay engineering and compared liquid limit, plastic limit and triaxial test results of the clay mixed with different amount montmorillonite. The results show that when the montmorillonite powder admixture content is 25%, the particle content, liquid limit and plasticity index of high plasticity clay configured fits to the specifications requirements. It is the most economic quantity of admixture content ratio and the results will be references for related engineering.

high plasticity clay; montmorillonite; admixture content; clay

1007-7596(2016)11-0001-03

2016-10-21

张婷(1983-)，女，湖北武汉人，工程师；周密(1980-)，女，湖北武汉人，工程师；何晓民(1961-)，女，湖北武汉人，高级工程师；罗菊(1963-)，女，湖北武汉人，工程师。

TV443.1

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