K+对膨胀土膨胀率的影响

方少文，姚华彦

(合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009)

0 引言

膨胀土是一种以蒙脱石为主要成分的高塑性粘土，并且其蒙脱石含量越高其膨胀特性越明显，性质也越不稳定。在实际工程中给施工建设带来了极大的危害，因此充分了解膨胀土的膨胀特性及改性特点具有重要的实际意义。

近年来，由于膨胀土在工程中的问题较为显著，越来越多的学者对膨胀土的膨胀特性及改性展开了深入研究。罗逸[1]等研究表明含氮的有机阳离子化合物能有效的与土颗粒中存在的阳离子进行交换并在颗粒表面形成吸附膜以此来改善膨胀土的亲水性和提高膨胀土的强度。项伟[2]等通过有荷膨胀变形、膨胀应力、循环胀缩变形等三个方面进行研究得出了膨胀土的膨胀特性与孔隙结构有着密切关系。邵梧敏[3]等采用χ射线衍射法、热分析和次甲基兰－氯化亚锡定量蒙脱石等方法得出了膨胀土的工程性质明显受到膨胀性粘土矿物含量的影响。吴建涛[4]等通过对素膨胀土和改性土的自由膨胀率、界限含水率及无侧限抗压强度的试验分析得出了引江济淮工程弱膨胀土水泥改性剂量为4%。谢妍[5]等通过研究3种干密度和4种纤维含量对纤维改性膨胀土土水特征的影响进行分析，得到了纤维改性膨胀土SWCC的拟合参数值及其统计量。董柏林[6]等通过掺入碎石研究膨胀土的膨胀特性，得出了中等强度的膨胀土碎石掺量在25%时改良效果最好。Alawaji[7]通过实验表明，膨胀土膨胀时间随着离子浓度的增加而不断减小。武科[8]通过有荷膨胀率试验得出了膨胀土的膨胀潜势随时间和压力的变化趋势与膨胀率变化趋势相同。郭红军[9]通过不同含水率和干密度下的膨胀特性试验得出了不同初始条件下膨胀率与允许膨胀力的计算公式。在前人已有研究的基础上，笔者通过自由膨胀率、无荷膨胀率和有荷膨胀率三个方面研究不同的K+浓度对膨胀土膨胀特性的影响。

1 实验材料及实验方案

1.1 实验材料

本次实验土样取自合肥地铁四号线新海大道站，土体主要呈现黄褐色，通过击实实验得到其最佳含水率为19%，相应的的最大干密度为1.68g/cm3。液限为44.3%，塑性为20.1%。土样的自由膨胀率为72%，根据国家标准《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112-2013)可知该土样为中等膨胀土，其基本物理性质如表1所列。

表1 膨胀土的基本物理性质

1.2 实验方案

为了研究K+浓度对膨胀土膨胀特性的影响，对于自由膨胀率试验采用6种溶液浓度梯度，确定最佳溶液浓度后，再围绕最佳浓度设置梯度浓度溶液进行其余实验。对此本文分别采用1.5 mol/L、3 mol/L、4 mol/L的KCl溶液对膨胀土的无荷膨胀率和有荷膨胀率进行实验研究。

(1)自由膨胀率实验:自由膨胀率表示为自由堆积在水和空气中的松散干燥土壤颗粒体积的百分比，以百分数表示，是反映土膨胀特性最直接的量度指标之一，用以判定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性。将土样碾压过0.5 mm筛，并烘至恒干待土冷却后用标准量土杯取10 mL土样进行试验，自由膨胀率共设置6种溶液浓度(分别配置0.5 mol/L、1 mol/L、1.5 mol/L、2 mol/L、3 mol/L、4 mol/L的KCl溶液)，每组浓度下做两组平行实验，取平均值作为最终值。

(2)无荷膨胀率:空载膨胀率是指试样在侧限条件下浸入水中后，垂直膨胀量与试样原始高度的比值。它是测量膨胀土膨胀势的理想准则，是衡量膨胀土膨胀潜势的一个比较理想的判定指标。试样采用重塑土样，轻便固结仪进行实验，实验中采用同一干密度制样，试样初始含水率分别为13.4%、16.2%、19.3%，每种含水率分别在1.5 mol/L、3 mol/L、4 mol/L的溶液中进行实验，每个含水率状态下做两个平行试验，试验结果取其平均值。

(3)有荷膨胀率:有荷膨胀率是指在施加上部荷载以及周围有侧限条件时，膨胀土试样所产生的膨胀量相比于原始高度的比值。竖向荷载分别施加 25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa。溶液浓度与无荷膨胀率相同，当膨胀土试样在2 h内变形不超过0.01mm时认为膨胀土达到稳定状态。

2 实验结果分析

2.1 自由膨胀率试验

自由膨胀率的实验结果如表2所列，由表2可知膨胀土的自由膨胀率随着溶液浓度的增加而逐渐减小，当溶液浓度达到3 mol/L时膨胀土的自由膨胀率达到最小值40%，按照自由膨胀率对膨胀土的分类可知此时恰为膨胀土与非膨胀土的界限值。当溶液浓度超过3 mol/L时，自由膨胀率又略有升高达到42%。

表2 自由膨胀率实验结果

2.2 无荷膨胀率试验

2.2.1 对无荷膨胀率的影响

当膨胀土的含水率发生变化时，K+浓度对无荷膨胀率的影响如表3、图1所示。由图可知膨胀土的无荷膨胀率由于溶液中K+的存在而得到降低，当溶液浓度相同时膨胀土的膨胀率随着自身含水率的增加而减小。分析原因是含水率较高的膨胀土其膨胀潜势较小；随着KCl溶液浓度的增加，相同含水率的膨胀率逐渐减小，当KCl溶液达到3 mol/L时，无荷膨胀率最小，此后浓度的增加膨胀率不再减小。

表3 无荷膨胀率实验结果

图1 不同初始含水率条件下无荷膨胀率随K+浓度变化趋势

2.2.2 对无荷膨胀时程的影响

不同浓度K+溶液中膨胀土膨胀量随时间的变化曲线如图2所示，由膨胀时程曲线可以看出加入KCl溶液过后，膨胀土的膨胀曲线也基本符合正常膨胀土膨胀曲线的三个阶段，即快速膨胀、减速膨胀和缓慢膨胀，KCl溶液对膨胀土快速膨胀阶段的影响并不明显，但是减速膨胀阶段得到有效抑制，膨胀量的增加较为缓慢。同时加入溶液过后膨胀土的膨胀稳定所需时间发生变化，以图2a为例，当不加溶液时，膨胀土膨胀稳定所需时间1400 min左右，加入KCl溶液后稳定所需时间在600 min左右，即不加KCl溶液时膨胀时程曲线在500 min后斜率虽然很小但是仍然存在，加入KCl溶液后膨胀时程曲线在500 min后已经呈现直线状态。由此可知KCl溶液缩短了膨胀土的膨胀时间。

2.3 有荷膨胀率试验

2.3.1 膨胀率随初始条件的变化

首先进行加入纯水的常规有荷膨胀率试验，研究不同含水率对膨胀率的影响。每种含水率条件下分别加 25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa 的竖向荷载。由此得出一定荷载下膨胀率与初始含水率之间的拟合关系如图3所示。由图3可知；当外部荷载在25-100 kPa时，膨胀土的有荷膨胀率与含水率有显著的线性关系，随着含水率的增加膨胀率逐渐减小。当外部荷载达到200 kPa时，膨胀率与含水率的线性关系较弱，分析原因是在外部荷载较大的情况下初始含水率对膨胀率的影响较小。和前面无荷膨胀率实验结果结合分析，可得出有荷膨胀率随竖向荷载的变化情况如图4所示。由图4可以得出，有荷膨胀率随着竖向压力的增加而逐渐减小，且在加压的初始阶段减小幅度比较大，随着竖向压力的逐渐增加，减小幅度逐渐变小，膨胀率也逐渐趋于稳定，并且此时膨胀土的膨胀率与所施加的竖向压力之间能够呈现一种较好的指数关系。分析原因是因为在一定的初始条件下，土样中的有效应力随着竖向压力的增加而逐渐增加，这种应力的增加降低了膨胀土中的矿物颗粒与水分子的结合程度，从而使膨胀土的吸水过程得到抑制使得膨胀变形减弱，并且初始含水率越低膨胀率的减小速率越大。

图2 不同含水率状态下k+对膨胀率的影响

图3 膨胀率与初始含水率的关系曲线

图4 有荷膨胀率与竖向压力的变化关系

2.3.2 K+对有荷膨胀率的影响

有荷膨胀率的实验结果如下图5所示，从图中可以看出，当溶液浓度和含水量相同时，有荷膨胀率与竖向荷载呈现负相关关系。当溶液浓度不变且垂直荷载相同时，有荷膨胀率与含水率也为负相关关系。由此可知尽管K+溶液的加入对于膨胀率影响较大的依然是膨胀率和竖向荷载两种因素，并且当K+浓度为4 mol/L时，对有荷膨胀率的影响最明显，与之前的自由膨胀率和无荷膨胀率的试验结果有所差异。当竖向荷载达到200 kPa时，含水率在16.2%和19.3%时，土样出现了湿陷，并且随着溶液浓度的增加湿陷情况越为明显。分析原因可能是土样含水率较低时，土体内部吸水膨胀占主要因素以膨胀性为主，随着含水率的增加，土体内部的吸水膨胀不足以抵消外部荷载的压力，土样整体呈现出湿陷特性，随着溶液浓度的增加，高浓度K+溶液与外部荷载共同作用抑制土体膨胀，即在存在外部荷载的条件下K+的存在加强了对膨胀土的抑制作用。

图5 膨胀率与竖向荷载的关系曲线

2.4 膨胀土变形的研究机理分析

2.4.1 外力作用下膨胀土变形的机理分析

膨胀土的有荷膨胀率实际上反映了土体内部的应力-应变关系，下面从应力-应变这一方面分析上述实验结果；常规状态下土体内部的单元体受到上面土体的压力P1，土体的自重P2以及土体的附加荷载P3。土体在这三个力的作用下产生的竖向应力为 σ1，以及土体周围的侧向压力 σ2、σ3，在这些应力的作用下产生的相应应变为 ε1、ε2、ε3。土体任一单元的的应力应变状态如图6所示，总应力应变的代数表达式如式(1):

当膨胀土吸水膨胀后，土体内部将产生膨胀力，这些力将克服P1、P2、P3而使得土体产生膨胀变形，此时单元体的受力状态将是图6和图7的组合状态。此时的膨胀应力应变表达式如式(2):

由(2)式可知；当膨胀土的膨胀力大于膨胀土所受的压力时，即σh›σ时，土体表现为膨胀特性，随着竖向荷载的增加当σh=σ时，土体呈现稳定的状态。当σh‹σ时，此时膨胀土的膨胀力不足以抵消竖向施加的荷载，土样进入压实状态，这也解释了当竖向荷载施加的足够大时土样会呈现湿陷状态的一个原因。

图6 膨胀土体内任一单元体的应力应变状态

图7 膨胀土体内任一单元体的膨胀应力应变状态

2.4.2 K+抑制膨胀土膨胀的机理分析

针对K+对膨胀土的抑制机理主要从晶层膨胀和渗透膨胀这两个膨胀阶段进行分析。由于K+水化能力较弱，因此当膨胀土发生晶层膨胀即矿物自身膨胀时，K+优先与粘土晶片形成稳定配合物，将水分子挤出，并且K+可以与膨胀土体中的其他阳离子进行交换，从而附着与粘土表面，对于减少膨胀土的层间含水量有一定的作用，从而减弱了膨胀土的膨胀性。根据渗透理论，当加入K+溶液后，土样中的孔隙溶液随着溶液浓度的增加而升高，导致了土样晶层中的水分子不断向空隙中移动，从而抑制了土样晶层的膨胀。广义渗透势理论认为，随着溶液浓度的增加，导致了颗粒间的间距不断扩大，并且膨胀土晶层收缩不断加剧，导致了晶层的收缩势能足以抵消膨胀土多余膨胀势能的需要。从宏观上导致了膨胀土的膨胀受到了抑制。

3 结论

通过对合肥地铁四号线膨胀土的膨胀率相关实验，分别研究了不同浓度的K+对膨胀土自由膨胀率、无荷膨胀率以及有荷膨胀率的影响，得出了以下结论。

(1)不同的K+浓度均能抑制膨胀土的膨胀特性，对于自由膨胀率和无荷膨胀率来说，当K+浓度为3 mol/L时抑制效果最好，当浓度超过这一值时抑制效果减弱。且对于膨胀土的膨胀时程过程而言K+的存在缩短了膨胀土达到膨胀稳定的时间。

(2)对有荷膨胀率来说在施加荷载的初级阶段膨胀率下降的比较明显，由于竖向荷载的存在K+对膨胀土的抑制效应更加显著，但是当竖向荷载达到一定时膨胀土体将会出现湿陷现象。