【摘要】：由于天然膨脹土成分復(fù)雜,膨脹性黏土礦物含量變化范圍較大,黏土礦物種類復(fù)雜多樣化,在研究其膨脹特性、持水特性、力學(xué)性質(zhì)過程中,難以解釋各成分在其中所起的作用,對于清晰認識膨脹土的膨脹機制、水分運移機制大大增加研究困難。因此在本文中選用不同比例的摻砂膨潤土作為研究對象,來研究不同膨潤土含量下的土體其膨脹變形規(guī)律,確定摻砂膨潤土的界限摻砂率,土水特性,水分運移機制,力學(xué)強度隨摻砂率的衰減變化規(guī)律等,從而簡化膨脹土理論研究模型,簡單清晰的解釋其膨脹機理。離子土壤固化劑(Ionic Soil Stabilizer)是一種化學(xué)試劑,將其加入土中可以改進土體的工程性質(zhì),包括增強土體的壓實度、密度、承載力、凝聚力,降低土體的水敏感性。它含有多種天然的分散劑,來分解土體礦物質(zhì),然后通過促使其重新結(jié)晶來形成金屬鹽和新的化學(xué)鍵,最終能夠保持土壤長期穩(wěn)定。土壤的活性是可以通過固化劑的強離子交換來進行,來對土壤顆粒外表面雙電層結(jié)構(gòu)破壞,從而減弱水對土壤表面的化學(xué)作用。由于該過程將土壤的毛細結(jié)構(gòu)進行破壞,從而導(dǎo)致土壤顆粒表面的水最終不可逆的脫出為自由水。當通過碾壓來排去水分子后,土壤就會從親水性轉(zhuǎn)換為斥水性,從而增強土壤顆粒表面之間的相互作用,促使裂隙不易產(chǎn)生。隨后,由于含水率下降,土體的密實度便會提高,從而對土體的穩(wěn)定性和強度進行了提高。根據(jù)上述原理,離子土壤固化劑可以應(yīng)用在摻砂膨潤土中,通過改變膨潤土中黏土礦物表面的離子類型來破壞土體表面的雙電層結(jié)構(gòu),改變土體的親水性和結(jié)合水的類型,從而使膨潤土與砂顆粒更好的相互連結(jié),降低摻砂膨潤土的親水性和膨脹特性,提高土體強度和整體穩(wěn)定性。本文就不同摻砂率下的膨潤土的基本物理力學(xué)性質(zhì)展開實驗研究,得知摻砂率對膨潤土的脹縮特性和力學(xué)強度都有著明顯的影響,且存在界限摻砂率。然后采用離子固化劑對摻砂膨潤土進行加固,通過一系列實驗研究來了解離子固化劑對摻砂膨潤土膨脹特性、收縮特性、力學(xué)強度、土水特性、水分遷移過程的影響,從而進一步闡述離子固化劑加固摻砂膨潤土的機理。本文的主要研究工作如下:(1)研究不同摻砂率對膨潤土物理力學(xué)性質(zhì)的影響。通過擊實實驗、液塑限實驗、膨脹率試驗、膨脹力測試實驗和單軸無側(cè)限壓縮實驗來了解不同摻砂率下膨潤土的最大干密度與最有含水率之間的關(guān)系,土體的液限含水率和塑限含水率,土體的膨脹淺勢以及力學(xué)強度的性質(zhì)。實驗結(jié)果表明,摻砂率對土體的物理力學(xué)性質(zhì)均有影響且摻砂膨潤土存在一定的界限摻砂率。隨著摻砂率的變化,土體的最大干密度與最優(yōu)含水率發(fā)生變化,且在摻砂率80%時土體的干密度達到最大。摻砂率對土體的液限含水率和塑限含水率有較大影響,隨摻砂率的降低,膨潤土含量增加,此時土體的液限含水率和塑限含水率均增加,且液限含水率近乎程指數(shù)形式增加。摻砂率對膨潤土膨脹特性影響顯著,當摻砂率高于80%時,土體膨脹性較低,當膨脹率低于80%時,土體膨脹性顯著,因此將80%時的摻砂率定義為界限摻砂率。另外,隨摻砂率的變化,土體的強度已發(fā)生變化,且在摻砂率80%-70%時土體的強度相對較高。(2)了解實驗用固化劑的電化學(xué)性質(zhì)及其加固膨潤土的最佳配比。本文采用便攜式290A型PH計和電導(dǎo)率計測定了不同濃度下的固化劑溶液的酸堿度和電導(dǎo)率,并且采用強制離子交換法進行了陽離子交換量實驗和液塑限實驗,確定出在某一濃度配比下,固化劑溶液與膨脹性黏土礦物的離子交換效果最優(yōu)且土體的塑性指數(shù)最低。實驗表明當固化劑與水配比為1:150時土體陽離子交換量最低,塑性指數(shù)最低,故而在此配比下離子固化劑對膨潤土的加固效果最好,因此本文中選定此配比作為實驗研究用的離子固化劑濃度。(3)研究離子固化劑加固摻砂膨潤土膨脹特性。通過一維膨脹實驗和膨脹力實驗結(jié)果可以得知,離子固化劑對摻砂膨潤土的膨脹特性有很好的抑制效果。隨著摻砂率降低,土中膨潤土含量增加,土體的膨脹特性變化越大,抑制效果也越來越明顯。但當摻砂率降低到一定含量,固化劑對膨脹土的抑制效果有所降低。這是由于離子固化劑與摻砂膨潤土中的膨脹性黏土礦物發(fā)生充分的離子交換,摻砂膨潤土中的膨脹性黏土礦物在于離子固化劑溶液發(fā)生反應(yīng)后,其土體內(nèi)的膠體分子由原來的親水性變?yōu)榕潘?其吸水能力降低,故而膨脹性降低。隨著黏土礦物含量的增加,雖然離子固化劑對于加固膨脹土,降低膨脹性有顯著效果,但是黏土礦物含量的增加導(dǎo)致離子固化劑不能與其發(fā)生充分的離子交換作用,故而對抑制土體膨脹淺勢能力減弱。說明隨著黏土礦物含量的增加,土體膨脹性增強,經(jīng)離子固化劑加固后對膨脹土膨脹性有一定的抑制效果,但當土體中膨潤土含量過多,土體的吸水活性增強,所需要的離子固化劑含量與濃度也需要相應(yīng)的發(fā)生變化,故而在工程實際中,要根據(jù)實際的工程需要配制相應(yīng)濃度的離子固化劑溶液。(4)研究了離子固化劑加固摻砂膨潤土的長期穩(wěn)定性。通過設(shè)置實驗條件,將離子固化劑加固前后的摻砂膨潤土進行反復(fù)凍脹融化后,測量土體的單軸壓縮強度。實驗結(jié)果如下:(1)摻砂率對膨潤土的力學(xué)強度有較大的影響且離子固化劑對摻砂膨潤土界限摻砂率有一定的影響。未經(jīng)離子固化劑加固的摻砂膨潤土其界限摻砂率為80%左右,此時摻砂膨潤土眼周壓縮強度為200kPa,而經(jīng)離子固化劑加固后土體的界限摻砂率明顯降低,介于70%-60%之間,且此時摻砂膨潤土單軸壓縮強度提高到250kPa左右。這說明離子固化劑通過一系列加固作用,有效提高的土體密實度,降低土體的孔隙比,使膨潤土與石英砂更好的相互黏連,有效降低土體的膨脹淺勢,提高摻砂膨潤土的強度。(2)摻砂率對膨潤土的抗凍性有著顯著的影響。凍融循環(huán)作用下,摻砂膨潤土的力學(xué)強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加衰減,并且在第一次凍脹融化后土體的衰減率最大。而后土體強度依然有一定程度的衰減,但是變化不大。當摻砂率高于80%時,土體的強度相對較低,抗凍性也較差,離子固化劑對土體的強度和穩(wěn)定性影響較小。當摻砂率介于70%-50%之間時,摻砂膨潤土強度提高,在凍脹融化作用下,強度有一定程度的衰減,但總體穩(wěn)定性較好。當摻砂率低于50%時,此時摻砂膨潤土強度雖然有一定的衰減,但經(jīng)離子固化劑加固后的摻砂膨潤土強度比未經(jīng)固化劑加固土強度高,固化劑加固效果明顯。(5)采用HYPROP裝置測定離子固化劑加固前后摻砂膨潤土的土水特性曲線。實驗研究表明,經(jīng)固化劑加固后,在同一基質(zhì)吸力作用下,摻砂膨潤土的含水量要低于未經(jīng)固化劑加固的土體。這是由于經(jīng)固化劑加固后的土體,由于離子固化劑中的大分子有機膠體與膨脹土中的黏土礦物發(fā)生離子交換,土體內(nèi)的親水基被排水性的有幾大分子取代,土體顆粒表面結(jié)合水膜變薄,故而降低土體的吸水性。且摻砂率對膨潤土的土水特性亦有所影響。摻砂率降低,土體的膨潤土含量增加,基質(zhì)吸力增大,吸水能力增強。(6)開放系統(tǒng)中離子土固化劑加固摻砂膨潤土水分遷移過程實驗研究。本文采用自行改進和組裝的水分遷移實驗裝置開展這一實驗。實驗結(jié)果表明:(1)摻砂膨潤土經(jīng)過多次凍脹融化作用后,經(jīng)離子固化劑加固的土體其不同高度處的含水率要低于未經(jīng)固化劑加固的摻砂膨潤土試樣。這是由于離子固化劑中的有機大分子膠體與土體中黏土礦物原有的親水基發(fā)生離子交換作用,土體由原來的親水性變?yōu)槌馑?且土體的顆粒之間相互連接的更緊密,這一定程度上阻礙了水分子的遷移。故而經(jīng)固化劑加固后的土體對水分的吸收能力相對降低,含水率較低。(2)摻砂率對土體水分遷移過程的影響。摻砂膨潤土中摻砂率較高時,經(jīng)固化劑加固后,膨脹土幾乎不發(fā)生膨脹。土體溫度降低,土體發(fā)生凍結(jié),雖然有一定量的底部自由水發(fā)生向上的遷移并在凍結(jié)鋒面處結(jié)冰,土體含水率一定程度上增大,體積發(fā)生膨脹。但是當溫度升高后,土體中的冰開始發(fā)生融化,由于該土體中摻砂率高,土體顆�？紫遁^大,故而毛細力較小,土體融化后,自由水分子沿顆粒的孔隙通道流回底部。當摻砂率降低,土中膨潤土含量增加,當溫度降低,土體頂部發(fā)生凍結(jié),土體中的自由水結(jié)冰,毛細力增大,水分子沿孔隙通道向上遷移。當溫度升高,冰融化,由于土體中黏土含量較多,土體基質(zhì)吸力較大,故而沿毛細通道上升的自由水分子大部分滯留在土體內(nèi)。(3)當離子土壤固化劑對摻砂膨潤土進行處理后,雖然土體裂隙在凍結(jié)過程中存在著一定程度生長,但速度較慢,凍脹與融化作用對于土體的整體結(jié)構(gòu)具有較小影響,因此,在凍融過程中離子土壤固化劑可以有效地降低膨脹土裂隙的生長速度。本文通過開展上述實驗研究,從離子固化劑加固摻砂膨潤土膨脹特性的變化,力學(xué)強度的提高,基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系的變化以及水分遷移過程中溫度與含水率變化等方面來闡述了離子固化劑加固摻砂膨潤土的加固效果和加固機理,從而為摻砂膨潤土的加固與應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和可靠的實驗數(shù)據(jù)。
【圖文】：
圖 1-1 實驗用摻砂膨潤土（3）采用 HYPROP 裝置測定摻砂膨潤土的土水特性曲線及滲透系數(shù)，得到摻砂膨潤土含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，，定量化分析摻砂率對膨潤土土水特性的影響以及離子固化劑對不同摻砂率下的膨潤土持水特性及水力傳導(dǎo)函數(shù)的影響。（4）在前人基礎(chǔ)上進一步改進水分遷移實驗裝置，用以開展凍融循環(huán)作用下
圖 2-1 硅氧四面體晶體結(jié)構(gòu)[149-150]圖 2-2 鋁氧八面體晶體結(jié)構(gòu)[149-150]蒙脫石最重要的構(gòu)造特性是晶格內(nèi)存在異價類質(zhì)同像置換。在蒙脫石的八面體結(jié)構(gòu)中有部分 Al3+被 Mg2+、Fe3+、Fe2+、Mn2+、Zn2+、Li+[152-153]等置換，四面體中有部分 Si4+被 Al3+置換，在進行晶格置換之前，蒙脫石的電荷基本平衡。晶格置換后產(chǎn)生的電荷差，使蒙脫石晶胞產(chǎn)生了永久性負電荷[154]。由于晶片內(nèi)和晶層內(nèi)的
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU472
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本文編號：
2656246
