土-膨润土系竖向隔离墙材料施工和易性试验研究

梅丹兵　杜延军　刘松玉　范日东　杨玉玲

(东南大学岩土工程研究所,南京210096)

土-膨润土系竖向隔离墙材料施工和易性试验研究

梅丹兵杜延军刘松玉范日东杨玉玲

(东南大学岩土工程研究所,南京210096)

摘要:为研究满足各类场地条件下土-膨润土系竖向隔离墙材料施工和易性要求的主要施工参数,对钙基膨润土浆液和钠基膨润土浆液进行马氏漏斗黏度试验、API滤失试验和密度测定,并针对砂-膨润土、黏性土-膨润土、砂-黏性土-膨润土3类土-膨润土系竖向隔离墙材料进行坍落度试验．试验结果表明,钙基膨润土浆液和钠基膨润土浆液的合理膨润土掺量分别为10%和3%．3类土-膨润土系竖向隔离墙材料的坍落度与含水率均呈良好的线性正相关性．采用标准坍落筒和迷你锥坍落筒所测定的坍落度结果之间存在统一的经验关系．采用迷你锥坍落筒代替标准坍落筒进行土-膨润土系竖向隔离墙材料施工和易性试验时,满足坍落度要求的含水率范围为其液限的1.0～1.6倍,所对应坍落度范围为22～48 mm．

关键词:膨润土;隔离墙;施工和易性;坍落度

土-膨润土系竖向隔离墙应用于阻滞地下水及工业污染场地重金属运移已有40多年的历史,鉴于其低渗透性、低暴露风险和低工程造价等优点而被欧美国家广泛纳入污染场地的修复、再造计划中[1-2]．

采用开挖-回填法施工土-膨润土系竖向隔离墙的过程主要包括开挖沟槽、膨润土浆液护壁、混合料拌和、混合料回填4个部分．浆液护壁时需要控制浆液的流动性、黏度和密度,以保证形成的滤饼能满足防渗要求,且浆液所形成的静水压力也能保持开挖沟槽的稳定性[3];回填料拌和前需要通过坍落度试验控制其初始含水率,一般要求拌和料的坍落度为100～150 mm,使回填料同时兼具流动性和黏滞性,从而保证墙体的整体均一性[4-5]．

土-膨润土系竖向隔离墙材料的施工和易性试验(坍落度试验)主要采用美国材料与试验协会(ASTM)标准C143标准坍落筒(高300 mm,上底和下底直径分别为100和200 mm),其缺陷在于试验中耗材量大,拌和均匀性较差,对于实验室研究来说极不方便．Schowalter等[6-7]认为弹性材料的坍落度取决于材料的屈服应力和密度,对于同种材料,其坍落度大小与坍落筒尺寸存在一定的相关性．基于此坍落度理论,Malusis等[4]采用高150 mm、上底和下底直径分别为75和100 mm的迷你锥坍落筒进行砂性土-钠基膨润土竖向隔离墙材料施工和易性试验,发现试验结果与标准坍落筒的试验结果之间存在良好的线性正相关关系．

钙基膨润土在我国广泛存在,具有巨大的应用前景,但就笔者所见，目前尚无针对采用钙基膨润土的土-膨润土系竖向隔离材料进行膨润土浆液施工和易性试验及回填料施工和易性试验的相关研究．本文采用钙基膨润土与钠基膨润土系竖向隔离墙材料进行膨润土浆液的相关试验和回填料的坍落度试验,探究满足施工和易性要求的浆液中膨润土掺量与回填料含水率,为工程实践提供经验参考值．

1试验材料与方法

1.1试验材料

膨润土采用江苏镇江产商用钙基膨润土(CB)和美国怀俄明天然钠基膨润土(AB)．文献[8-9]指出,南京地区土层结构主要包括黏土、砂-黏性土互层结构及砂土单层结构3种形式．本文选取了3种典型的土-膨润土系竖向隔离墙材料,分别为砂-膨润土、砂-黏性土-膨润土和黏性土-膨润土．砂土取自南京地区,过1.0 mm筛,测得其不均匀系数和曲率系数分别为5.2和1.42,属级配良好的土体;黏性土取自南京龙潭港地区,同一取土处不同深度的黏性土工程性质差异较大,包括黏土和粉质黏土,过0.45 mm筛．砂-黏性土-膨润土隔离墙材料中的黏性土由黏土与粉质黏土按干质量比1∶1混合而成;黏性土-膨润土隔离墙材料中的黏性土采用粉质黏土．参照文献[10],测得试验材料的基本指标见表1．

表1　试验材料的基本物理性质指标

膨润土浆液施工和易性试验中,钙基膨润土掺量(即膨润土干土占浆液的质量百分数)取5%,8%,9%,10%,11%,12%;钠基膨润土掺量取2%,3%,4%．参考文献[1,11],坍落度试验中,砂-膨润土竖向隔离墙材料的钙基膨润土掺量取12%,18%,24%,钠基膨润土掺量取6%;黏性土-膨润土竖向隔离工墙材料的钙基膨润土掺量取5%,10%,15%;砂-黏性土-膨润土竖向隔离墙材料的钙基膨润土掺量取12%和18%,砂与黏性土质量比取4∶1和3∶1．回填料配比方案如表2所示．

表2　坍落度试验回填料中膨润土和黏性土掺量

1.2试验过程

将自来水与风干膨润土充分混合,于高速胶体剪切器中搅拌5～10 min,静置水化24～48 h,得到膨润土浆液．充分水化后的膨润土浆液按照美国石油学会标准(API)进行马氏漏斗黏度试验、滤失试验和密度测定[12]．坍落度试验方法参考文献[4],采用标准坍落筒和迷你锥坍落筒的坍落度试验同时进行,以测定相同含水率下2种坍落筒的试验结果;填筑回填料前,在坍落筒的筒壁均匀涂抹少许润滑油,以减少回填料与筒壁间的摩擦,避免土体黏着于筒壁．采用标准坍落筒进行试验时,回填料分3层填筑;采用迷你锥坍落筒时,则分2层填筑．试验由低含水率坍落度(90～110 mm)开始,并逐步添加适量膨润土浆液改变回填料的含水率,从而调节其坍落度,直至坍落度为150 mm为止．

2试验结果与分析

2.1膨润土浆液试验

膨润土浆液的马氏漏斗黏度v、API滤失量V以及密度ρ随膨润土掺量wCB的变化曲线如图1所示．由图可知,膨润土浆液的马氏漏斗黏度和密度均随膨润土掺量的增加而增大;API滤失量则随膨润土掺量的增加而减小．分析其原因在于,浆液中黏粒含量随膨润土掺量的增加而增加,黏度也相应增大;同时,膨润土的高膨胀性使滤失试验得到的膨润土滤饼渗透系数降低,滤失量减小．文献[13]指出,膨润土浆液施工参数控制要求中,v=40～50 s,V<25 mL,ρ>1.03 g/cm3．钠基膨润土浆液的膨润土掺量达到3%时,马氏漏斗黏度与API滤失量均满足施工和易性要求,但此时的密度略低于施工要求;而满足密度要求时的钠基膨润土掺量为5%～6%,膨润土浆液流动性显著降低,难以拌和．基于上述因素,并结合文献[4]试验研究结果,将钠基膨润土浆液中膨润土掺量取为3%．

(a) 密度

(b) API滤失量

(c) 马氏漏斗黏度

钙基膨润土浆液的膨润土掺量达到10%时,膨润土浆液的马氏漏斗黏度、API滤失量和密度均能满足施工和易性要求．考虑到实际施工中的成本控制,本试验中钠基膨润土浆液中膨润土掺量取3%,钙基膨润土浆液中膨润土掺量取10%．

2.2坍落度试验

2.2.1坍落度与含水率的关系

采用标准坍落筒和迷你锥坍落筒对3类土-膨润土系竖向隔离墙材料进行了坍落度试验,所得的坍落度与含水率的关系见图2．图中,SS,SM分别为标准坍落度和迷你锥坍落度,w为含水率．由图可知,3类土-膨润土系竖向隔离墙材料的坍落度与含水率间均呈良好的线性正相关性,线性拟合结果的决定系数R2达到0.93～0.99．坍落度理论表明,材料的坍落度只与其密度与屈服应力值有关,即材料的含水率直接影响其密度和屈服强度[7]．坍落度S的计算公式为

(1)

式中,τy为材料的屈服应力;γ为材料的重度;H为坍落筒高度;R0为坍落筒顶部半径;RH为坍落筒底部半径;h0为锥体未变形部分高度．

结合本文与已有试验研究结果[2, 14],得到含水率与液限的比值w/wL随回填料液限wL的变化关系如图3所示．由图可知,各类土-膨润土系竖向隔离墙材料的含水率达到液限的1.0～1.6倍,满足施工和易性要求(SS=100～ 150 mm)．究其原因在于,含水率达到液限时, 土体既具有一定的抗剪强度,又兼具较好的均匀流动性,能够保证在自身重力作用下顺利发生坍落．

(a) 标准坍落度

(b) 迷你锥坍落度

图3　拌和料含水率与液限的比值随液限变化关系

此外,结合本文试验结果与文献[2,14]中的结果,总结了满足施工和易性要求的坍落度范围所对应的含水率与液限的关系图(见图4)．将标准坍落度为100,125,150 mm所对应的回填料含水率与液限分别进行线性拟合,得出在一定的液限(25%～50%)下,标准坍落度为100,125,150 mm时回填料含水率与液限之间均呈良好的线性关系,即

图4　回填料含水率与液限关系

(2)

wB,125=1.76wL-14.7R2=0.88

(3)

wB,150=1.73wL-12.0R2=0.84

(4)

式中,wB,100,wB,125,wB,150分别表示标准坍落度为100,125,150 mm时回填料的含水率．

式(2)～(4)的斜率和截距在数值上相差较小,说明拟合曲线较相近．文献[2,14]中均采用标准坍落度为125 mm时所对应的回填料含水率作为土-膨润土系竖向隔离墙材料的设计含水率.因此,结合图3与图4中的试验结果,在实际工程中可通过式(3)初步给定满足土-膨润土系竖向隔离墙材料施工和易性要求的回填料含水率．

2.2.2标准坍落度与迷你锥坍落度的关系

3种土-膨润土系竖向隔离墙材料在同一含水率下分别采用标准坍落筒与迷你锥坍落筒进行坍落度试验,得到标准坍落度SS与迷你锥坍落度SM关系(见图5)．由图可知,标准坍落度SS与迷你锥坍落度SM间存在唯一的线性经验关系,即

SS=59+1.9SMR2=0.96

(5)

图5　标准坍落度与迷你锥坍落度关系

式(5)所示的经验关系与根据坍落度理论[7]计算所确定的数值关系(SS=64+1.8SM)以及Malusis等[4]针对砂-钠基膨润土竖向隔离墙材料的坍落度试验结果(SS=60+1.8SM)基本一致．由式(1)可知,材料的坍落度只与其密度和屈服应力值有关,在含水率不变的条件下坍落筒的尺寸变化会引起坍落度的线性变化,故本文结果具有合理性．根据式(5)可知,采用迷你锥坍落筒进行土-膨润土系竖向隔离墙材料坍落度试验时,满足施工和易性要求的含水率范围所对应的迷你锥坍落度为22～ 48 mm．

图6为采用迷你锥坍落筒进行坍落度试验的结果,其中迷你锥坍落度分别为8,19,40 mm．由图可知,采用迷你锥坍落筒进行土-膨润土系竖向隔离墙材料的坍落度试验时,回填料的坍落效果与含水率呈正相关关系．当含水率较低(小于液限)时,回填料搅拌难达到均匀,内部存在不均匀孔隙,在坍落过程中出现偏心现象,导致试样表面产生不规则裂缝(见图6(a));当含水率接近施工要求的界限含水率时,坍落过程顺利完成(见图6(b))．因此,在满足施工要求的坍落度范围内,迷你锥坍落筒试验具有良好的可操作性,并能够准确地代替标准坍落筒进行施工和易性试验研究．特别是针对实验室研究时,采用该方法取材少、操作方便,所得的坍落度能较为精确地转化为传统的标准坍落度,便于为设计方提供施工参数．

(a) SM=8 mm

(b) SM=19 mm

(c) SM=40 mm

3结论

1) 采用开挖-回填法施工土-膨润土系竖向隔离墙时,钙基膨润土制备膨润土浆液的膨润土掺量取为10%;采用钠基膨润土时,膨润土掺量为3%．

2) 对于砂-膨润土、黏性土-膨润土、砂-黏性土-膨润土3类典型的土-膨润土系竖向隔离墙材料,满足施工和易性要求的含水率范围略高于液限,在1.0～1.6倍液限之间,并在实际施工中可通过液限初步确定回填料的含水率与控制各回填料的配比．

3) 进一步拓宽了迷你锥坍落筒在各类场地土层条件下采用各类膨润土材料进行土-膨润土系竖向隔离墙材料施工和易性试验的适用范围．给出了标准坍落度与迷你锥坍落度之间的经验关系式,得出满足施工要求的迷你锥坍落度范围为22 ～48 mm．

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Experimental study on workability of soil-bentonite backfills for vertical slurry cutoff walls

Mei DanbingDu YanjunLiu SongyuFan RidongYang Yuling

(Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract:In order to investigate the main construction parameters that meet the workability of soil-bentonite backfills for vertical slurry cutoff walls under various types of site conditions, the marsh funnel test, API(American Petroleum Institute) filtrate loss test and density measurement for sodium bentonite-water slurries and calcium bentonite-water slurries were carried out. The slump tests of three soil-bentonite backfills, including sandy soil-bentonite, clayey soil-bentonite sandy and soil-clayey soil-bentonite backfills, were measured. The experimental results show that the suitable contents of bentonite for calcium bentonite-water slurries and sodium bentonite-water slurries are 10% and 3%, respectively. The slumps of three soil-bentonite backfills and the water content exhibit a good linear positive correlation. And there exists a uniform correlation between the results based on the standard slump cone and those based on the miniature slump cones. When the standard slump cone is replaced by the miniature slump cone, the water content meeting the requirements of the slump is approximately 1.0 to 1.6 times higher than the liquid limit, and the corresponding slump is 22 to 48 mm.

Key words:bentonite; cutoff wall; workability; slump

doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.027

收稿日期:2015-07-21.

作者简介:梅丹兵(1991—)，男，硕士生；杜延军(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，duyanjun@seu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(41330641)、国家自然科学基金资助项目(41472258，51278100)、江苏省自然科学基金杰出青年基金资助项目(BK2012022).

中图分类号:TU 443

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)02-0400-06

引用本文: 梅丹兵,杜延军,刘松玉,等.土-膨润土系竖向隔离墙材料施工和易性试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(2):400-405. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.027.