蒙脫石含量對膨脹土性質的實驗研究

張京斌等

【摘 要】利用南京地區常見粘性土和蒙脫石含量為95%的膨潤土摻合制備膨脹土，通過實驗研究蒙脫石摻量與制備的膨脹土的自由膨脹率、膨脹率、試樣剪切強度的關系并分析8種土樣的黏聚力、內摩擦角隨蒙脫石含量的變化關系。最終對實驗結果做一些合理的分析，為改良膨脹土提供一些依據。

【關鍵詞】蒙脫石；膨脹土；膨脹率；剪切強度

【Abstract】In this paper， we use common clay in Nanjing area and Bentonite with content of 95% to blend and prepare expansive soil.we study the relationship between montmorillonite content and free expansion，expansion， shear strength of prepared expansive soil through experiments. Analyze soil cohesion， internal friction angle of the eight kinds of soil samples with the variation of the content of montmorillonite.At last we do some reasonable analysis of the experimental results and provide a basis for expansive soil improvement.

【Key words】Montmorillonite； Expansive soil； Expansion； Shear strength

0 引言

膨脹土為土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮特性，其自由膨脹率大于或等于40%的粘性土[1]。在膨脹土地區提取天然的膨脹土進行實驗研究、土壤改良，已經有很多學者進行這方面的研究。楊魁分析了蒙脫石的微觀結構和吸水膨脹規律，將蒙脫石吸水膨脹過程分為兩個階段[2]。王進等運用分子力學方法研究蒙脫石結構的最優構型和遇水膨脹性能，計算結果表明，在蒙脫石的穩定構型中，起主要作用的是非價鍵作用的庫侖作用能和價鍵作用的角彎曲作用能[3]。燕守勛等運用現代XRD定量方法和有機染料吸附方法測量了粘土礦物成分和蒙皂石含量，同時測定了它們的液限、塑限、自由膨脹率、比表面積、粘粒、膠粒含量等指標，得出蒙皂石含量是各種膨脹勢的主要控制因素[4]。王家驊認為粘土礦物的層間膨脹與晶層結構有關，通過計算提出K+能恰好嵌在兩個相對的硅級四面體片的六筑環孔穴中，通過靜電引力將兩晶層緊密聯接，使得蒙脫石的膨脹度小于伊利石[5]。溫春蓮等研究了未擾動膨脹性巖石的初始含水率與其膨脹勢顯現強弱的關系和初始干容重與膨脹率之間的關系，井對膨脹性圍巖的膨脹交形與支護撫力之間的關系進行了探討[6]。邵梧敏等用X射線衍射法、熱分析和次甲基蘭一氯化亞錫定量蒙脫石等方法，對采自我國十省的膨脹土進行了礦物組成特性方面的試驗研究，并討論了它們與膨脹土的膨脹勢等的關系[7]。鑒于蒙脫石含量對膨脹土膨脹特性的顯著影響，定量地研究蒙脫石含量對于膨脹土的自由膨脹率、膨脹率、膨脹土的疲勞性能、試樣剪切強度等性質具有很現實的意義。本文的特點在于人工制作膨脹土，可以定量控制膨脹土中蒙脫石含量，有目的地模擬具有不同蒙脫石含量的膨脹土。

1 膨脹土的膨脹機理

粘土礦物晶胞構成的土粒主要是由硅-氧四面體和鋁（鎂）-氫氧（或氧）八面體兩種基本結構單元組成的。硅-氧四面體是由一個居中的硅原子和四個在角點的氧原子組成。四面體底面的每個氧原子為兩個相鄰單元內的硅原子所共有。鋁（鎂）-氫氧八面體是由一個居中的鋁原子和六個在角點的氫氧離子組成。當每個氫氧離子為兩個相鄰單元內的鋁原子所共有時，就組成鋁片。蒙脫石則為兩層四面體中間夾一層八面體組成一個晶胞，晶胞之間的聯結力很弱，水分子極易進入，故有遇水膨脹的特性[8]。這是富含蒙脫石的膨脹土具有膨脹性的定性解釋。

本文在實驗室條件下主要采取定量方法探究膨脹土中以蒙脫石為代表的粘土礦物的含量對膨脹土的自由膨脹率、膨脹率、膨脹土的疲勞性能、試樣剪切強度等性質的影響。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料

本次試驗采用的膨潤土蒙脫石含量>95%，吸蘭量>42g/100g，外觀為白色細粉。試樣采用的土料取自河海大學國際學術交流中心工地，其液限ωL10=38.0%，塑性指數ωp=21.5%，塑性指數Ip=9，土粒干密度為ρd=1.53g/m3。

2.2 不同蒙脫石含量對自由膨脹率的影響

將土料風干后碾散，過0.5mm篩，放在烘箱中在105℃下烘干，分別配制蒙脫石含量為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的8組土樣。進行試驗，利用自由膨脹率公式：

計算各土樣的自由膨脹率。自由膨脹率與蒙脫石含量之間關系如圖1。

從圖1可知，人造膨脹土的自由膨脹率Fs與人造膨脹土中蒙脫石含量成線性關系。自由膨脹率隨著人造膨脹土中蒙脫石含量增大而增大。同時注意到原土樣也具有一定膨脹率，意味著原狀土中也含有一定量具有膨脹性能的粘土礦物比如蒙脫石、伊利石等。

由于膨脹土判別指標自由膨脹率Fs是風干土碾細過篩，并在105-110℃下烘干至恒重，在干燥器中冷卻后用10ml標準量杯取10cm2土樣進行自由膨脹測試，測試過程中有較多人為干擾因素。另一方面8種人造膨脹土土樣蒙脫石含量依次增加，而蒙脫石吸水膨脹與時間關系[2]，表明，吸水膨脹24h后可達最大膨脹狀態，而試驗中可能沒有達到24h。

2.3 不同蒙脫石含量對膨脹率的影響

將土料風干后碾散，過0.5mm篩，配制含水率為20%，蒙脫石含量分別為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的八組土樣。在一定含水率條件下，采取無荷膨脹率實驗，測得膨脹率與蒙脫石含量之間的關系。見圖2。

試驗中蒙脫石含量小于55%時，膨脹率與膨脹土中蒙脫石含量呈線性關系。蒙脫石含量為55%的一組測得膨脹率僅為32.35%，呈明顯下降趨勢。比較自由膨脹率實驗可以發現當蒙脫石含量大于55%時，自由膨脹率也會明顯下降。究其原因可能是初始含水率太小，造成土樣較為干燥，難以成型，在相同擊實功作用下，該組土樣擊實效果較好，干密度最大，在實驗測定膨脹率時，土樣內部無法吸水膨脹，造成膨脹率較低。

2.4 不同蒙脫石含量對直接剪切強度的影響

將土料風干后碾散，過0.5mm篩，配制含水率為20%，蒙脫石含量分別為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的八組土樣。采用直接剪切試驗測定各土樣的剪切強度，為方便實驗，本實驗采用豎向壓力為100kPa、200kPa、300kPa，此處僅列出300kPa情況下測得各組式樣的直接剪切強度如表1：

從圖3可見，膨脹土黏聚力總體趨勢是隨著蒙脫石含量增大而降低，并且下降顯著，人工膨脹土的黏聚力與蒙脫石含量存在特別明顯的線性關系。圖4說明內摩擦角雖然隨著蒙脫石含量增大而增大，但是增大不顯著，在42-44℃之間。

3 結論

本文通過摻合一定蒙脫石含量的膨脹土，進而探究膨脹土的自由膨脹率、膨脹率和直接剪切強度，得出以下幾個結論：

1）人造膨脹土的自由膨脹率Fs與人造膨脹土中蒙脫石含量成線性關系。自由膨脹率隨著人造膨脹土中蒙脫石含量增大而增大。

2）試驗中蒙脫石含量小于55%時，膨脹率與膨脹土中蒙脫石含量呈線性關系。當蒙脫石含量較大時，膨脹率與擊實功有關。

3）膨脹土中蒙脫石是通過改變黏聚力來改變剪切強度的。蒙脫石含量對內摩擦角改變不顯著，內摩擦角在42-44℃之間。另外一方面，蒙脫石通過吸水形成團粒間接達到土樣最優含水率，得到擊實效果較好的土樣，提高直剪強度。

【參考文獻】

[1]GB50007-2011 建筑地基基礎設計規范[S].

[2]楊魁.蒙脫石吸水膨脹規律的分析及應用[J].四川建筑科學研究，2008，34（5）.

[3]王進.蒙脫石膨脹特性的分子力學模擬[J].地球化學，2007，36（1）：103-108.

[4]燕守勛.蒙皂石含量與膨脹土膨脹勢指標相關關系研究[J].工程地質學報，2004，12（1）.

[5]王家驊.粘土礦物的結構及其層間膨脹[J].安慶師院學報：自然科學版，1995，1（4）.

[6]溫春蓮.初始含水率、容重及載荷對膨脹巖特性影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，1992，11（3）：304-311.

[7]邵梧敏，譚羅榮，張梅英，等.膨脹土的礦物組成與膨脹特性關系的試驗研究[J].巖石力學，1994，15（1）.

[8]盧延浩.土力學[M].2版.南京：河海大學出版社，2005：7.

[責任編輯：湯靜]

2.3 不同蒙脫石含量對膨脹率的影響

將土料風干后碾散，過0.5mm篩，配制含水率為20%，蒙脫石含量分別為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的八組土樣。在一定含水率條件下，采取無荷膨脹率實驗，測得膨脹率與蒙脫石含量之間的關系。見圖2。

試驗中蒙脫石含量小于55%時，膨脹率與膨脹土中蒙脫石含量呈線性關系。蒙脫石含量為55%的一組測得膨脹率僅為32.35%，呈明顯下降趨勢。比較自由膨脹率實驗可以發現當蒙脫石含量大于55%時，自由膨脹率也會明顯下降。究其原因可能是初始含水率太小，造成土樣較為干燥，難以成型，在相同擊實功作用下，該組土樣擊實效果較好，干密度最大，在實驗測定膨脹率時，土樣內部無法吸水膨脹，造成膨脹率較低。

2.4 不同蒙脫石含量對直接剪切強度的影響

將土料風干后碾散，過0.5mm篩，配制含水率為20%，蒙脫石含量分別為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的八組土樣。采用直接剪切試驗測定各土樣的剪切強度，為方便實驗，本實驗采用豎向壓力為100kPa、200kPa、300kPa，此處僅列出300kPa情況下測得各組式樣的直接剪切強度如表1：

從圖3可見，膨脹土黏聚力總體趨勢是隨著蒙脫石含量增大而降低，并且下降顯著，人工膨脹土的黏聚力與蒙脫石含量存在特別明顯的線性關系。圖4說明內摩擦角雖然隨著蒙脫石含量增大而增大，但是增大不顯著，在42-44℃之間。

3 結論

本文通過摻合一定蒙脫石含量的膨脹土，進而探究膨脹土的自由膨脹率、膨脹率和直接剪切強度，得出以下幾個結論：

1）人造膨脹土的自由膨脹率Fs與人造膨脹土中蒙脫石含量成線性關系。自由膨脹率隨著人造膨脹土中蒙脫石含量增大而增大。

2）試驗中蒙脫石含量小于55%時，膨脹率與膨脹土中蒙脫石含量呈線性關系。當蒙脫石含量較大時，膨脹率與擊實功有關。

3）膨脹土中蒙脫石是通過改變黏聚力來改變剪切強度的。蒙脫石含量對內摩擦角改變不顯著，內摩擦角在42-44℃之間。另外一方面，蒙脫石通過吸水形成團粒間接達到土樣最優含水率，得到擊實效果較好的土樣，提高直剪強度。

【參考文獻】

[1]GB50007-2011 建筑地基基礎設計規范[S].

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[4]燕守勛.蒙皂石含量與膨脹土膨脹勢指標相關關系研究[J].工程地質學報，2004，12（1）.

[5]王家驊.粘土礦物的結構及其層間膨脹[J].安慶師院學報：自然科學版，1995，1（4）.

[6]溫春蓮.初始含水率、容重及載荷對膨脹巖特性影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，1992，11（3）：304-311.

[7]邵梧敏，譚羅榮，張梅英，等.膨脹土的礦物組成與膨脹特性關系的試驗研究[J].巖石力學，1994，15（1）.

[8]盧延浩.土力學[M].2版.南京：河海大學出版社，2005：7.

[責任編輯：湯靜]

2.3 不同蒙脫石含量對膨脹率的影響

將土料風干后碾散，過0.5mm篩，配制含水率為20%，蒙脫石含量分別為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的八組土樣。在一定含水率條件下，采取無荷膨脹率實驗，測得膨脹率與蒙脫石含量之間的關系。見圖2。

試驗中蒙脫石含量小于55%時，膨脹率與膨脹土中蒙脫石含量呈線性關系。蒙脫石含量為55%的一組測得膨脹率僅為32.35%，呈明顯下降趨勢。比較自由膨脹率實驗可以發現當蒙脫石含量大于55%時，自由膨脹率也會明顯下降。究其原因可能是初始含水率太小，造成土樣較為干燥，難以成型，在相同擊實功作用下，該組土樣擊實效果較好，干密度最大，在實驗測定膨脹率時，土樣內部無法吸水膨脹，造成膨脹率較低。

2.4 不同蒙脫石含量對直接剪切強度的影響

將土料風干后碾散，過0.5mm篩，配制含水率為20%，蒙脫石含量分別為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%的八組土樣。采用直接剪切試驗測定各土樣的剪切強度，為方便實驗，本實驗采用豎向壓力為100kPa、200kPa、300kPa，此處僅列出300kPa情況下測得各組式樣的直接剪切強度如表1：

從圖3可見，膨脹土黏聚力總體趨勢是隨著蒙脫石含量增大而降低，并且下降顯著，人工膨脹土的黏聚力與蒙脫石含量存在特別明顯的線性關系。圖4說明內摩擦角雖然隨著蒙脫石含量增大而增大，但是增大不顯著，在42-44℃之間。

3 結論

本文通過摻合一定蒙脫石含量的膨脹土，進而探究膨脹土的自由膨脹率、膨脹率和直接剪切強度，得出以下幾個結論：

1）人造膨脹土的自由膨脹率Fs與人造膨脹土中蒙脫石含量成線性關系。自由膨脹率隨著人造膨脹土中蒙脫石含量增大而增大。

2）試驗中蒙脫石含量小于55%時，膨脹率與膨脹土中蒙脫石含量呈線性關系。當蒙脫石含量較大時，膨脹率與擊實功有關。

3）膨脹土中蒙脫石是通過改變黏聚力來改變剪切強度的。蒙脫石含量對內摩擦角改變不顯著，內摩擦角在42-44℃之間。另外一方面，蒙脫石通過吸水形成團粒間接達到土樣最優含水率，得到擊實效果較好的土樣，提高直剪強度。

【參考文獻】

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[3]王進.蒙脫石膨脹特性的分子力學模擬[J].地球化學，2007，36（1）：103-108.

[4]燕守勛.蒙皂石含量與膨脹土膨脹勢指標相關關系研究[J].工程地質學報，2004，12（1）.

[5]王家驊.粘土礦物的結構及其層間膨脹[J].安慶師院學報：自然科學版，1995，1（4）.

[6]溫春蓮.初始含水率、容重及載荷對膨脹巖特性影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，1992，11（3）：304-311.

[7]邵梧敏，譚羅榮，張梅英，等.膨脹土的礦物組成與膨脹特性關系的試驗研究[J].巖石力學，1994，15（1）.

[8]盧延浩.土力學[M].2版.南京：河海大學出版社，2005：7.

[責任編輯：湯靜]