蒙脱石含量对膨胀土性质的实验研究

作者：张京斌 江金亮 徐方媛 王靖 冯逸君 来源：《科技视界》 2014年第18期

张京斌1 江金亮1 徐方媛1 王 靖2 冯逸君3

(1.河海大学 大禹学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；

3.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

【摘 要】利用南京地区常见粘性土和蒙脱石含量为95%的膨润土掺合制备膨胀土，通过实验研究蒙脱石掺量与制备的膨胀土的自由膨胀率、膨胀率、试样剪切强度的关系并分析8种土样的黏聚力、内摩擦角随蒙脱石含量的变化关系。最终对实验结果做一些合理的分析，为改良膨胀土提供一些依据。

【关键词】蒙脱石；膨胀土；膨胀率；剪切强度

0 引言

膨胀土为土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于40%的粘性土[1]。在膨胀土地区提取天然的膨胀土进行实验研究、土壤改良，已经有很多学者进行这方面的研究。杨魁分析了蒙脱石的微观结构和吸水膨胀规律，将蒙脱石吸水膨胀过程分为两个阶段[2]。王进等运用分子力学方法研究蒙脱石结构的最优构型和遇水膨胀性能，计算结果表明，在蒙脱石的稳定构型中，起主要作用的是非价键作用的库仑作用能和价键作用的角弯曲作用能[3]。燕守勋等运用现代XRD定量方法和有机染料吸附方法测量了粘土矿物成分和蒙皂石含量，同时测定了它们的液限、塑限、自由膨胀率、比表面积、粘粒、胶粒含量等指标，得出蒙皂石含量是各种膨胀势的主要控制因素[4]。王家骅认为粘土矿物的层间膨胀与晶层结构有关，通过计算提出K+能恰好嵌在两个相对的硅级四面体片的六筑环孔穴中，通过静电引力将两晶层紧密联接，使得蒙脱石的膨胀度小于伊利石[5]。温春莲等研究了未扰动膨胀性岩石的初始含水率与其膨胀势显现强弱的关系和初始干容重与膨胀率之间的关系，井对膨胀性围岩的膨胀交形与支护抚力之间的关系进行了探讨[6]。邵梧敏等用X射线衍射法、热分析和次甲基兰一氯化亚锡定量蒙脱石等方法，对采自我国十省的膨胀土进行了矿物组成特性方面的试验研究，并讨论了它们与膨胀土的膨胀势等的关系[7]。鉴于蒙脱石含量对膨胀土膨胀特性的显著影响，定量地研究蒙脱石含量对于膨胀土的自由膨胀率、膨胀率、膨胀土的疲劳性能、试样剪切强度等性质具有很现实的意义。本文的特点在于人工制作膨胀土，可以定量控制膨胀土中蒙脱石含量，有目的地模拟具有不同蒙脱石含量的膨胀土。

1 膨胀土的膨胀机理

粘土矿物晶胞构成的土粒主要是由硅-氧四面体和铝（镁）-氢氧（或氧）八面体两种基本结构单元组成的。硅-氧四面体是由一个居中的硅原子和四个在角点的氧原子组成。四面体底面的每个氧原子为两个相邻单元内的硅原子所共有。铝（镁）-氢氧八面体是由一个居中的铝原子和六个在角点的氢氧离子组成。当每个氢氧离子为两个相邻单元内的铝原子所共有时，就组成铝片。蒙脱石则为两层四面体中间夹一层八面体组成一个晶胞，晶胞之间的联结力很弱，水分子极易进入，故有遇水膨胀的特性[8]。这是富含蒙脱石的膨胀土具有膨胀性的定性解释。

本文在实验室条件下主要采取定量方法探究膨胀土中以蒙脱石为代表的粘土矿物的含量对膨胀土的自由膨胀率、膨胀率、膨胀土的疲劳性能、试样剪切强度等性质的影响。

2 实验材料和方法

2.1 实验材料

本次试验采用的膨润土蒙脱石含量>95%，吸兰量>42g/100g，外观为白色细粉。试样采用的土料取自河海大学国际学术交流中心工地，其液限ωL10=38.0%，塑性指数ωp=21.5%，塑性指数Ip=9，土粒干密度为ρd=1.53g/m3。

2.2 不同蒙脱石含量对自由膨胀率的影响

将土料风干后碾散，过0.5mm筛，放在烘箱中在105℃下烘干，分别配制蒙脱石含量为20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的8组土样。进行试验，利用自由膨胀率公式：

计算各土样的自由膨胀率。自由膨胀率与蒙脱石含量之间关系如图１。

从图1可知，人造膨胀土的自由膨胀率Fs与人造膨胀土中蒙脱石含量成线性关系。自由膨胀率随着人造膨胀土中蒙脱石含量增大而增大。同时注意到原土样也具有一定膨胀率，意味着原状土中也含有一定量具有膨胀性能的粘土矿物比如蒙脱石、伊利石等。

由于膨胀土判别指标自由膨胀率Fs是风干土碾细过筛，并在105-110℃下烘干至恒重，在干燥器中冷却后用10ml标准量杯取10cm2土样进行自由膨胀测试，测试过程中有较多人为干扰因素。另一方面8种人造膨胀土土样蒙脱石含量依次增加，而蒙脱石吸水膨胀与时间关系[2]，表明，吸水膨胀24h后可达最大膨胀状态，而试验中可能没有达到24h。

2.3 不同蒙脱石含量对膨胀率的影响

将土料风干后碾散，过0.5mm筛，配制含水率为20%，蒙脱石含量分别为20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的八组土样。在一定含水率条件下，采取无荷膨胀率实验，测得膨胀率与蒙脱石含量之间的关系。见图2。

试验中蒙脱石含量小于55%时，膨胀率与膨胀土中蒙脱石含量呈线性关系。蒙脱石含量为55%的一组测得膨胀率仅为32.35%，呈明显下降趋势。比较自由膨胀率实验可以发现当蒙脱石含量大于55%时，自由膨胀率也会明显下降。究其原因可能是初始含水率太小，造成土样较为干燥，难以成型，在相同击实功作用下，该组土样击实效果较好，干密度最大，在实验测定膨胀率时，土样内部无法吸水膨胀，造成膨胀率较低。

2.4 不同蒙脱石含量对直接剪切强度的影响

将土料风干后碾散，过0.5mm筛，配制含水率为20%，蒙脱石含量分别为20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的八组土样。采用直接剪切试验测定各土样的剪切强度，为方便实验，本实验采用竖向压力为100kPa、200kPa、300kPa，此处仅列出300kPa情况下测得各组式样的直接剪切强度如表1：

对于粘性土，由摩尔-库伦强度准则：

τf=c+σtanφ

可以求得每组试样的黏聚力c和内摩擦角φ。

从图3可见，膨胀土黏聚力总体趋势是随着蒙脱石含量增大而降低，并且下降显著，人工膨胀土的黏聚力与蒙脱石含量存在特别明显的线性关系。图4说明内摩擦角虽然随着蒙脱石含量增大而增大，但是增大不显著，在42-44℃之间。

3 结论

本文通过掺合一定蒙脱石含量的膨胀土，进而探究膨胀土的自由膨胀率、膨胀率和直接剪切强度，得出以下几个结论：

1）人造膨胀土的自由膨胀率Fs与人造膨胀土中蒙脱石含量成线性关系。自由膨胀率随着人造膨胀土中蒙脱石含量增大而增大。

2）试验中蒙脱石含量小于55%时，膨胀率与膨胀土中蒙脱石含量呈线性关系。当蒙脱石含量较大时，膨胀率与击实功有关。

3）膨胀土中蒙脱石是通过改变黏聚力来改变剪切强度的。蒙脱石含量对内摩擦角改变不显著，内摩擦角在42-44℃之间。另外一方面，蒙脱石通过吸水形成团粒间接达到土样最优含水率，得到击实效果较好的土样，提高直剪强度。

【参考文献】

［１］GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S]．

［２］杨魁．蒙脱石吸水膨胀规律的分析及应用[J]．四川建筑科学研究,2008,34(5)．

［３］王进．蒙脱石膨胀特性的分子力学模拟[J]．地球化学,2007,36(1)：103-108．

［４］燕守勋．蒙皂石含量与膨胀土膨胀势指标相关关系研究[J]．工程地质学报,2004,12(1)．

［５］王家骅．粘土矿物的结构及其层间膨胀[J]．安庆师院学报:自然科学版,1995,1(4)．

［６］温春莲．初始含水率、容重及载荷对膨胀岩特性影响的试验研究[J]．岩石力学与工程学报,1992,11(3)：304-311．

［７］邵梧敏,谭罗荣,张梅英,等．膨胀土的矿物组成与膨胀特性关系的试验研究[J]．岩石力学,1994,15(1)．

［８］卢延浩．土力学[M]．2版．南京：河海大学出版社,2005:7．

［责任编辑：汤静］