封閉系統條件下膨潤土改性黏土的凍融特性研究

馬 利，崔 自 治，景 鑫

(寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

膨潤土因富含蒙脫石和伊利石等黏土礦物，具有顯著的脹縮性、親水性和陽離子結合能力[1]，在保護環境、醫療、化工、水的凈化、土木工程等方面[2-4]都有應用。在土木工程領域，它主要應用于工程防滲和泥漿護壁。劉陽生等[5]研究了膨潤土加入量、壓實含水率和壓實干密度等因素對壓實黏土土樣抗壓強度和滲透性能的影響。結果表明：膨潤土摻量為6%～7%時，黃土的抗壓強度最大，膨潤土摻量為8%時對紅土的抗壓強度和抗滲性能都有很大改善，壓實含水率為24%左右時紅土及其改性黏土的抗壓性能與防滲性能同時得到優化。史建峰[6]通過試驗發現膨潤土能較好地改善水泥漿的黏度、吸水率等工作性能。梅丹兵等[7]將膨潤土改性黏土作為豎向隔離材料進行了坍落度試驗研究。楊旭等[8]從滲流量和滲透穩定角度出發，深入研究了膨潤土防水毯搭接處的防滲問題。陳永貴等[9]對膨潤土-紅黏土混合土的滲透試驗進行了研究。溫亞楠等[10]對黏土摻加納米膨潤土的強度進行了研究。何俊等[11]對膨潤土改性黏土中裂隙擴展規律進行了研究，研究表明反復凍融會改變土的物理性質和力學性能，如使壓實土變得疏松、強度降低、壓縮性和滲透性增大等[12-14]。寧夏銀川平原渠道縱橫，渠道防滲是農業節水的重要途徑，但銀川平原的土壤含砂率高，滲透性大，作為防滲材料，難以達到防滲效果。為了改善土壤的抗滲性，崔自治團隊[15-17]研究了膨潤土改性黏土、膨潤土改性黃土、膨潤土改性砂土和膨潤土-黏土-砂土復合材料的滲透性及力學性能等。研究結果表明：膨潤土能明顯降低土壤的滲透性，膨潤土的最佳摻量在4%左右，且對土壤的力學性能沒有明顯的不利影響，為膨潤土在寧夏防滲工程中的應用奠定了基礎。調查發現，寧夏為季節性凍土區，反復凍融勢必影響膨潤土改性土的抗滲性和力學性能，決定了膨潤土改性土能否適用。因此進行膨潤土改性黏土的凍脹融沉變形研究是非常必要的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黏土取自寧夏銀川，密度ρ=1.87 g/cm3，含水率w=24.6%，最優含水率wopt=17.6%，最大干密度ρdmax=1.62 g/cm3，土粒相對密度ds=2.73，塑限wp=28.6%，液限wL=17.3%，塑性指數為11.3，為粉質黏土。粒徑分布見圖1，其中粒徑在0.075～0.005 mm之間的粉粒占約67%，黏粒含量較少，約為16%。

圖1 黏土的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of clay

膨潤土來自市場銷售，主要礦物質為蒙脫石，外比表面積為59.1 m2/g[19]。

1.2 試驗方法

以干密度ρd、飽和度Sr(%)、膨潤土摻量B(%)為因素，設計正交試驗方案L9(34)，因素與水平列于表1，其中e為誤差列。干密度設1.40，1.50和1.60三種水平，飽和度Sr設30%，50%和70%三種水平，膨潤土摻量B設0，2%和4%三種水平[17-18]。凍結溫度設為-28.0 ℃，融化溫度設為20.0 ℃[18]。凍融之前測出試樣的原始高度作為參考量，之后測定凍融循環N=0，1，3，7，12次和20次時的試樣凍脹量和融化下沉量。每個凍融循環凍24 h，融24 h。

表1 因素與水平Tab.1 Factors and levels

試樣制備：將黏土風干、碾散、攪拌，測定含水率。按試驗方案稱取黏土、膨潤土和純凈水，先將黏土和膨潤土混合攪拌，再加純凈水拌勻。用壓樣器制備直徑69.8 mm、高40.0 mm的試樣9個，用于研究膨潤土改性黏土的凍融特性。

凍融試驗：采用封閉系統單向凍融試驗方法，在可控溫度的低溫試驗箱中進行。凍融循環后用千分表分別測定試件在凍脹和融沉后的高度，計算凍脹率η和融沉系數δ。

2 結果與分析

試驗結果列于表2，凍脹率和融沉系數與凍融循環次數的關系示于圖2。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Test schemes and results

圖2 凍脹率和融沉系數與凍融循環次數的關系Fig.2 Relationship between frost heaving ratio and thawing settlement coefficient and the numbers of freeze-thaw cycles

由表2和圖2可以看出：① 9組試樣的凍脹率和融沉系數都大于0，呈現為凍結膨脹，融化下沉，且凍脹量大于融沉量，凍融后試樣體積增大。凍融20次時的最大凍脹率為2.12%，最大融沉系數為1.43%，盡管膨潤土改性黏土的凍融變形不是很大，但不容忽視。② 凍脹率和融沉系數均隨凍融循環次數的增加而逐漸增加，并逐漸趨于穩定，前3次凍融循環內試樣凍融變形增加較快，之后增加緩慢，7次凍融循環后基本達到穩定。③ 凍脹和融沉變形最大的是第3組，其次是第6組，共同的參數特征為干密度較小，飽和度大，或膨潤土摻量低。凍脹和融沉變形最小的一組為第6組，其干密度大，飽和度小，膨潤土摻量高。且可以發現最大最小凍脹率相差很大，凍融20次時達1.79%。凍融變形小的試樣凍融變形達到穩定所需凍融循環次數少，反之凍融變形大的試樣凍融變形達到穩定所需凍融循環次數多。凍融變形隨凍融循環次數的增加而增加，是因凍融過程中水的遷移、集聚所致[19]。密實度大或膨潤土含量越高，水的遷移則受到抑制，土體的凍融變形量隨凍融循環次數的增加而降低。

2.1 趨勢分析

按正交試驗理論分別計算出各因素相同水平組膨潤土改性黏土的凍脹率η與融沉系數δ的平均值k。平均值k隨干密度ρd、飽和度Sr和膨潤土摻量B變化的趨勢分別示于圖3、4。

圖3 凍脹率變化趨勢Fig.3 Trend curves of frost heaving ratio

由圖3、4可見：封閉系統條件下，試樣的凍脹率和融沉系數均隨干密度的增大呈非線性減小，干密度較小時，減小的幅度較大。凍脹率和融沉系數均隨飽和度的增大呈明顯的非線性增長，且飽和度較高時，增加的幅度也明顯較大。凍脹率和融沉系數均隨膨潤土摻量的增大呈一定的非線性減小，膨潤土摻量較大時，減小的幅度降低，摻加膨潤土有利于減小土的凍融變形。膨潤土具有凍結收縮特性[20]，這是因為強烈的親水性、吸附性和陽離子結合能力[1]使之吸附土中的水，使土中水相對減少，土體變得干硬，土中部分自由水變成結合水，甚至強結合水，水的遷移和凍結受到抑制，凍脹變形減小。土中水減少，土的強度增大，使得土體在自重作用下的融沉減小。

圖4 融沉系數變化趨勢Fig.4 Trend curves of thawing settlement coefficient

2.2 因素分析

2.2.1極差分析

正交試驗極差分析結果示于圖5。由圖5可見：在封閉系統條件下凍融時，飽和度的作用極差較大，干密度的作用極差次之，膨潤土的作用極差較小，誤差列e的極差最小，說明飽和度為首要影響因素，干密度為次要影響因素，膨潤土摻量的影響最小。試驗誤差較小，不存在不可忽略的交互作用。

2.2.2方差分析

正交試驗的方差分析結果列于表3，顯著性水平a為0.10，0.05和0.01時，相應的F臨界值分別為9.00，19.00和99.01。由表3可見，干密度和飽和度對凍脹率影響顯著；干密度對融沉系數影響較顯著，飽和度對融沉系數影響顯著；膨潤土摻量對凍脹率和融沉系數影響均不顯著。可以發現飽和度和干密度是影響膨潤土改性黏土凍融變形特性的主控因素。因此進行防水、排水和隔水設計，降低土的飽和度，是減小膨潤土改性黏土凍融變形的重要措施。雖然膨潤土對膨潤土改性黏土凍融變形影響不顯著，但其對降低凍融變形有利，這為膨潤土改性黏土作為防滲材料提供了理論依據。

圖5 凍脹率和融沉系數極差結果Fig.5 Ranges result of frost heaving ratio and thawing settlement coefficient

表3 方差分析結果

2.2.3回歸分析

由圖2可以看到，9組試樣的凍脹率和融沉系數均隨凍融循環次數的增加而逐漸增加，并逐漸趨于某一定值。凍脹率和融沉系數與凍融循環次數的關系均符合雙曲線關系：

(1)

式中：y為凍脹率或融沉系數，%；N為凍融循環次數；a、yu為擬合系數，yu的意義是N趨向于無窮大時試樣的凍脹率或融沉系數，%。

由最小二乘擬合得到的a、yu和R2，列于表4。a、yu是干密度、飽和度和膨潤土摻量的函數，yu略大于凍融循環穩定時的值。R2非常接近于1.0，尚有部分因取舍等于1.0，可見凍脹率和融沉系數與凍融循環次數的相關性非常高，用雙曲線擬合的顯著性高。

進一步擬合可得a、yu和干密度、飽和度、膨潤土摻量的關系。

關于凍脹率：

(2)

(3)

關于融沉系數：

(4)

(5)

表4 回歸分析參數Tab.4 Regression analysis parameters

表5 回歸參數的顯著性Tab.5 Significance of regression parameters

由表5可見，融沉系數的擬合系數a的顯著性水平稍低，與干密度、飽和度和膨潤土摻量相關性稍差。除此之外，凍脹率的擬合系數的顯著性水平都很高，與干密度、飽和度和膨潤土摻量相關性都很好。

3 結 論

(1) 封閉系統凍融條件下，膨潤土改性黏土的凍脹融沉變形隨凍融循環次數的增加而增加，二者呈相關性很好的雙曲線關系。

(2) 飽和度和干密度對膨潤土改性黏土的凍脹量和融沉量影響顯著，在工程施工和使用過程中應嚴格控制。

(3) 膨潤土摻量對膨潤土改性黏土的凍脹量和融沉量影響不顯著，但摻膨潤土對降低凍脹和融沉變形是有利的，膨潤土改性黏土作為防滲材料用于季節性凍土區是可行的。