關于膨脹土得陽離子交換量試驗方法的探討研究

劉 靜

遼寧省東煤測試分析研究院有限責任公司 遼寧 沈陽110000

膨脹土是由親水性礦物蒙脫石組成,具有強脹縮性的高塑性黏土。由于蒙脫石特性遇水后水分子進入礦物顆粒內,導致大量礦物顆粒組成土樣產生宏觀膨脹,被外界限制產生膨脹壓力,膨脹土為土木工程帶來很大危害,包括建筑物基礎,擋土墻等。膨脹土在世界范圍內分布廣泛,由于其脹縮特性使得各類工程建設受到破壞。澳大利亞南部有的城市50%的建筑遭受危害,日本不少鐵路通過膨脹土地區出現隧道仰拱隆起等。陽離子交換量是判斷膨脹土屬性的主要依據,膨脹土吸水膨脹后急劇收縮,工程上威脅構建物安全。隨著鐵路客運專線的發展,對路基穩定性、地基承載力提出更高的要求。準確測定膨脹土陽離子交換量尤為重要。

1 膨脹土機理研究

膨脹土是具有顯著濕脹干縮特性及超固結性的高液限非飽和黏土,由于其對工程建設危害性,國內外研究人員對膨脹土的成因機理作出大量研究。礦物學上定義為以蒙脫石為主,含有高嶺石等礦物的巖土。蒙脫石是影響膨脹土脹縮性主要礦物成分,由于黏土顆粒與周圍水溶液離子交換改變結合水數量,蒙脫石是活性強的次生黏土礦物,晶層內硅離子被其他陽離子交換。膨脹土分布遍及世界各國,我國投運鐵路中很多鐵路需穿越膨脹土地區。

2.2 調節離心管平衡,將平衡好的離心管對稱放入離心機中,在3000～4000 r/min的轉速下,離心5 min左右。如需測定交換性鹽基,將離心管上部清液收集在250 mL容量瓶中,待用,如不測定,棄去。

2.3 于離心管中加少量乙醇,用橡皮頭玻璃棒攪拌土樣,使其成為泥漿狀態,再加人50～60 mL95%乙醇溶液,充分攪拌,以洗去土粒表面多余的乙酸銨。將平衡好的離心管放人離心機中,在3000～4000 r/min的轉速下,離心5 min左右。棄去乙醇,直至過剩銨鹽洗凈為止(取數滴離心清液放在白瓷比色板上,加人1滴定氮混合指示劑或鈉氏試劑檢查)。一般洗滌三次即可,個別試樣在洗滌到最后可能出現混濁,此時可加人20 mL95%乙醇和40 mL丙酶(苯),攪拌,離心洗滌。

2.6 停止反應,用水沖洗緩沖管的內壁將洗液洗入錐形瓶內,取下錐形瓶,加人3～5滴混合指示劑,用鹽酸標準溶液滴定吸收液由藍色變為紫紅色。同時做空白試驗。

膨脹土是含有較多黏土礦物的特殊土,具有快速崩解等特性,具備固結狀態較好的特點。膨脹土工程特性對建設路基等工程結構造成威脅[1]。膨脹土造成經濟損失估算每年約超過50億美元。膨脹土引發的工程地質問題受到人們的重視。膨脹土病害類型體現在邊坡與地基兩方面,膨脹土邊坡不穩定性造成建筑物開裂,膨脹土脹縮特性導致路基發生破壞,路堤邊坡坡角坍落等。膨脹土地基受溫度影響導致地基上建筑物開裂破壞。膨脹土為達到規定工程特性指標,需要對其進行改善保證符合相關規范。工程建設中可通過改變含水量消除部分脹縮性,強膨脹土需通過化學方法改良處理。

最早對膨脹土工程問題的認識源于1938年美國鋼制虹吸管工程,1958年膨脹土黏土學術會議在克羅里達州召開,1959年到1977年期間美國、英國等在規范中添加膨脹土相關內容。我國對膨脹土研究始于50年代初成渝鐵路建設工程,國內在鐵路干線及工業民用基礎工程建設中進行大量實驗研究,為工程施工設計提供科學依據。1990年我國首屆膨脹土工程研究會議召開,為膨脹土研究指明了方向。為后續工程設計施工提供理論經驗。

2 膨脹土陽離子交換量測定實驗

為保證頒布標準《鐵路工程巖土化學分析規程》順利實施,為工程建設提供可靠巖土化學分析技術參數非常必要。1987年頒布的鐵路工程巖土化學分析方法經多年測試工作建言,部分項目分析方法滯后于化學分析測試機技術手段,修編主要增加巖土化學分析項目,對許多測試項目調整使用酸溶法融礦。增加測試項目包括氧化錳含量,陽離子交換量等。

測定陽離子交換量可組裝儀器,定氮儀通過可編程未處理起電子控制,使用定氮儀測定土壤中陽離子交換量蒸餾時間可減少23 min,節約時間資源。操作中由于定氮儀為密閉裝置,蒸餾液體體積穩定,比使用自裝蒸餾儀提高分析實驗精確度。

膨脹土研究始于50年代,我國由于修建成渝鐵路首次遇到膨脹土危害問題開展相關研究。1988年國家計委會頒布膨脹土建筑技術規范,第二屆膨脹土科研會上總結膨脹土地區公鐵路等工程建設經驗。本文實驗研究膨脹土陽離子交換量測定,已完成多批膨脹土勘測樣測試,抽取代表性樣品分析,根據TB10042-95膨脹土潛勢分級規章,將膨脹土分為弱中強三級。按測陽離子交換量對膨脹土分級,結論基本一致。按規范要求對膨脹土判別更加準確。