十八胺改性下膨胀土斥水与变形特性试验研究

敖炜超， 王茂胜， 刘嘉铭， 付芳远， 吴珺华

（南昌航空大学 土木建筑学院，南昌 330063）

引 言

随着我国“一带一路”战略性目标的逐步实施，诸多膨胀土地区会遇到地质、气候等原因，可能会引起工程安全问题[1]，如边坡失稳[2]、管涌[3]、地面变形[4]、地面沉降[5]等，合理解决膨胀土工程问题具有重要意义[6]。膨胀土富含蒙脱石等亲水性粘土矿物[7]，其工程性质比一般黏性土更为复杂：水的反复作用导致膨胀土工程性质迅速恶化，使得膨胀土地区工程长期遭受严重破坏，造成巨大经济损失和人员伤亡[8]。常见的改性方式主要有物理改性[9-11]、生物改性[12-14]和化学改性[15-18]。部分学者[19-20]采用石灰[21-22]、水泥[23]、橡胶颗粒[24]、天然砂砾[25]、岩石纤维[26]、高炉水渣[27]甚至植被根系[28]等材料来改善膨胀土的胀缩性，并且在研究了化学改性后膨胀土的膨胀性能后，发现膨胀土本身仍具有强烈的亲水性，改性效果不明显，但意识到隔水防水在膨胀土工程防护中的重要性[29]。然而目前常用防水措施只是将部分土体与水隔离，并未改变土体亲水性的内在本质，防渗长期性无法保证。一旦水进入土体内部并长期反复作用，那么看似稳定的边坡仍有可能再次失稳[30]。

如果能够通过技术手段对膨胀土颗粒进行处理，使其由亲水性变为斥水性，同时其膨胀变形特性亦有所改善，那么膨胀土受水分变化影响而带来的胀缩变形问题可以有效避免，相应的工程问题就不易出现[31]。因此，本文以十八胺为斥水剂，通过配置不同初始含水率和不同十八胺含量的膨胀土试样，进行了斥水等级测定试验和膨胀率试验，获得了不同十八胺含量、初始含水率对改性膨胀土的斥水性与膨胀变形的影响规律，为有效解决膨胀土工程问题提供新的思路。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自昆明市某地区，风干碾碎后过2 mm 筛备用。参考《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）中的规定，其基本参数为：相对密度2.71 g/cm3，最大干密度1.56 g/cm3，最优含水率27.2%，液限63.5%，塑限30.8%，塑性指数32.7，自由膨胀率52%，该膨胀土自由膨胀率小于60%，属于弱膨胀土。采用丹东百特仪器有限公司生产的BT-9300Z 型激光粒度分布仪测定其颗粒级配曲线见图1，其中粒径 < 0.002 mm、0.002～0.02 mm 和0.02～2 mm 的土壤颗粒质量占比分别为6.72%、56.32%和36.96%。根据国际土壤质地三角形分类法可知，试验用土为粉砂质壤土。

图1 膨胀土粒径级配曲线

1.2 试验方法

1.2.1 斥水等级测定试验

采用滴水穿透时间法测定改性后膨胀土的斥水等级，分类标准见表1。将十八胺质量分数为0%、0.2%、0.3%、0.5%、0.8%分别与膨胀土进行搅拌均匀后放置75 ℃烘箱中，每隔两时取出搅拌均匀后再放入烘箱，共搅拌四次以获得改性膨胀土。为降低制样不均匀性的影响，在试样表面选取3 处（正三角形分布，间距4 cm）测定滴水穿透时间，每处滴水量为80 μL，取其平均值作为最终结果。整个试验过程中温度控制在（24 ± 1）℃，湿度控制在64% ± 2%。

表1 斥水等级分类标准—滴水穿透时间法

1.2.2 无荷膨胀率试验

根据斥水等级测定结果选取十八胺质量分数分别为0%、0.2%、0.3%、0.5%和0.8%，初始含水率分别控制在5%、10%、15%和20%等共20 组试样，将其密封24 h 后采用千斤顶取样。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）采用WG-1B 型三联中压固结仪开展无荷膨胀率试验。

1.2.3 有荷膨胀率试验

试验土样制备与无荷膨胀率试验土样相同，将土样放置固结仪中，竖向荷载分别施加50、100、200、400 kPa，严格根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）开展有荷膨胀率试验。

2 试验结果与分析

2.1 改性膨胀土斥水等级

不同十八胺含量改性膨胀土斥水等级测定结果见表2。可以看出：在十八胺质量分数未超过0.2%时，试样从无斥水到轻微斥水。由于十八胺含量少，大部分土颗粒表面未被十八胺覆盖，导致斥水性不明显；当十八胺质量分数为0.3%和0.5%时，斥水等级为中等和严重，此时试样具有较好的斥水性；当十八胺质量分数为0.8%时，试样斥水等级为极度。这表明，膨胀土斥水性随着十八胺质量分数的增大而增大。

表2 改性膨胀土斥水等级

2.2 改性膨胀土的无荷膨胀率

2.2.1 十八胺及含水率对无荷膨胀率的影响

不同十八胺含量、试样含水率对改性膨胀土无荷膨胀率的影响规律见图2。图2a 可以看出：相同十八胺含量下，随着含水率的增加，膨胀土的无荷膨胀率逐渐降低。随着含水率的增加，试样内部孔隙被水分充填的区域越大，吸水能力下降，试样膨胀变形量逐渐减小。图2b 可以看出：在相同含水率下，随着十八胺含量的增加，无荷膨胀率迅速减小并逐渐趋于稳定。随着十八胺含量的添加，十八胺覆盖在膨胀土颗粒表面的区域越大，外界水分越难渗入试样内部，导致其无荷膨胀率减小。含水率为15%的试样，当十八胺质量分数从0%增至0.2%时，其无荷膨胀率从12.1%降至9.9%，降幅约20%；十八胺质量分数增至0.5%时，其无荷膨胀率降幅变缓，约为5.6%；十八胺质量分数增至0.8%时，其无荷膨胀率几乎保持不变。这表明，十八胺能在一定程度上降低膨胀土的膨胀性，但并不能无限降低膨胀性，存在一个临界范围。根据本文试验结果，当十八胺质量分数为0.8%时，其斥水性能达到极度，而无荷膨胀率亦能有效降低。

图2 无荷膨胀率随含水率与十八胺含量关系

2.2.2 十八胺及含水率对膨胀时程的影响

本文以十八胺质量分数为0%、0.2%、0.5%和0.8%时无荷膨胀率随时间变化曲线为例，探究不同十八胺含量及含水率对膨胀土膨胀时程的影响规律，结果见图3。可以看出：1）十八胺含量相同时，试样初始含水率越小，到达膨胀稳定时的膨胀量越大。这是因为在十八胺含量相同时，初始含水率越小，试样内部孔隙可入渗更多水分，其达到膨胀变形稳定时的膨胀量就越大；2）未添十八胺时，随着时间的推移，无荷膨胀率的膨胀量先增长较快，历时4 d 后趋于稳定。添加十八胺后，膨胀时程曲线呈现出倒“S”型：膨胀初期，试样吸水缓慢膨胀，经历某一时间段后膨胀速率明显增大，到达一定值后膨胀速率明显减缓，最终趋于稳定。十八胺的存在会一定程度上减小水分入渗通道，延缓水分入渗过程，且十八胺含量越多，延缓程度越明显。但是水分仍然可以缓慢渗入内部孔隙，只是入渗时间相对延长，因此表现为初期膨胀速率较小，曲线上呈现为缓慢上升型；当水分渗入一定时间后，试样孔隙内部水分连通范围逐渐增大，此时水分入渗量会显著增大，膨胀速率亦明显增大。当其内部孔隙通道被水完全贯通后，其膨胀速率又会明显降低，此时十八胺的存在对水分入渗几乎没有影响；3）试样含水率相同时，随着十八胺含量的增加，其无荷膨胀率达到稳定的时间越短，且相应的无荷膨胀率越小。含水率为20%时的试样，当十八胺质量分数为0%时，其膨胀稳定历时约为4000 min，无荷膨胀率为11.18%；当十八胺质量分数为0.8%时，其膨胀稳定历时约为2000 min，无荷膨胀率为8.16%，降幅约30%。

图3 不同十八胺含量的无荷膨胀时程曲线

2.3 改性膨胀土的有荷膨胀率

2.3.1 初始含水率对有荷膨胀率的影响

图4 为不同初始含水率时试样有荷膨胀率随荷载变化曲线。可以看出：1）十八胺含量相同时，有荷膨胀率随初始含水率的增大而减小，这与无荷膨胀率的试验结果类似；2）有荷膨胀率随着竖向荷载的增大而逐渐减小。当竖向荷载较小时，十八胺含量和初始含水率对有荷膨胀率有较大影响。随着竖向荷载的增大，降低幅度逐渐减小，荷载成为影响膨胀率的主要因素。

图4 不同含水率下有荷膨胀率随荷载关系曲线

2.3.2 十八胺含量对有荷膨胀率的影响

图5 为不同十八胺含量下，试样有荷膨胀率随荷载变化关系曲线。可以看出：竖向荷载相同时，随着十八胺含量的增加，试样有荷膨胀率逐渐减小。当十八胺质量分数为0.8%时，其有荷膨胀率最小。当试样含水率为20%、竖向荷载为50 kPa条件下，十八胺质量分数从0%到0.8%，其有荷膨胀率从4.89%降至2.14%，降幅约57%。这表明，十八胺的存在亦能有效降低膨胀土的膨胀性，这对工程是有利的。

图5 不同十八胺含量下膨胀率与荷载关系

3 结 论

1）十八胺含量和初始含水率是影响膨胀土膨胀性的重要因素。十八胺含量相同时，无荷膨胀率与有荷膨胀率均随初始含水率的增大而减小。试样含水率相同时，随着十八胺含量的增加，无荷膨胀率逐渐下降并趋于稳定，无荷膨胀率稳定历时从4 d 缩短至2 d，且最大膨胀率从12.9%减小至9.4%，降幅约30%。当竖向荷载较小时，十八胺含量和初始含水率对有荷膨胀率有较大影响；当竖向荷载较大时，荷载是影响膨胀土膨胀性的重要因素。

2）十八胺的存在能有效抑制膨胀土的膨胀特性。十八胺质量分数为0.8%的试样，斥水等级为极度，能较大程度抑制膨胀土的吸水膨胀性，同时斥水效果好，可为膨胀土地区相关问题的解决提供参考。