粒径对黏性土自由膨胀率的影响规律研究

粒径对黏性土自由膨胀率的影响规律研究
朱德余刘爱叶谭永平
【摘要】摘要研究样品粒径级配对自由膨胀率的影响规律，通过数据分析得出自由膨胀率最优试验粒径。

试验结果表明：试验者不同，样品粒径级别差别较大，进而影响到自由膨胀率测试结果，甚至影响到膨胀级别的判别；样品中d<0.075 mm颗粒的比例较小时，自由膨胀率变化不明显；当d<0.075 mm颗粒比例增大到一定程度，自由膨胀率变小趋势越来越明显，甚至影响膨胀级别的判别；综合分析得出自由膨胀率最优试验粒径范围为0.075～0.5 mm。

【期刊名称】铁道勘察
【年(卷),期】2015(000)003
【总页数】4
【关键词】关键词自由膨胀率级配影响黏性土
1 概述
我国是膨胀岩土分布最广的国家之一，很多省份都有膨胀岩土分布，如广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等。

关于膨胀岩土的研究很多，大部分集中在地区性膨胀岩土的综合概述、膨胀岩土的分类方法及膨胀试验的方法等[1-5]。

膨胀土主要由强亲水性矿物成分蒙脱石组成，具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性。

膨胀土的判别指标很多，主要可分为两大类，一类是直接指标，包括阳离子交换量、蒙脱石含量(用化学法或X射线衍射法测定)等，这类方法结果比较直观，但方法复杂，对试验人员要求较高；另一类是间接指标，包括界限含水量、黏粒含量、自由膨胀率等，这类指标虽然不那么直观，但试验操作比
较简单易行，对操作人员要求不高，具有一定的准确性[6-9]。

自由膨胀率作为常用的判别指标，具有试验设备少、操作简单易行、试验周期短等特点。

很多研究表明，影响自由膨胀率的因素很多，如试验仪器、土样制备条件、搅拌方法等，其中样品粒径级别对自由膨胀率测试结果影响较大[10-12]。

研究内容主要分为两部分：一是研究人为因素对样品粒径级配及自由膨胀率测试结果的影响；二是通过制备含有不同粒径级配比例的样品，研究粒径级配对自由膨胀率的影响规律，从而找出最优试验粒径范围。

2 材料与方法
2.1 试验样品
试验样品均取自于哈尔滨至佳木斯铁路沿线，通过液塑限联合测定法将样品细分为粉质黏土和黏土。

2.2 主要试验设备及试剂
膨胀率仪(无颈漏斗口径5 mm，下落高度10 mm)、量筒、氯化钠溶液(5%)等，实验所用水为超纯水，试剂均为分析纯(A.R)。

2.3 试验方法
自由膨胀率测试步骤及方法均按照铁路工程土工试验规程(TB 10102—2010)进行。

试验主要分为两大部分：一是分析不同人员制备样品的粒径级别及自由膨胀率，研究人为因素对样品级配及自由膨胀率的影响；二是人工配制不同颗粒级别的试验样品，研究粒径级别对自由膨胀率的影响规律。

(1)常规样品的制备
将风干试样用四分对角线法取相同的三份，每份100 g，试验员甲、乙、丙、
丁四人分别制备。

制备步骤为：将样品在橡皮板上碾碎，剔除石子、结核，反复过0.5 mm筛，并在105～110 ℃温度下烘干8 h，取出移入干燥器内冷却至室温，分别测定不同人员制备样品的粒径级配及自由膨胀率。

(2)不同粒径含量样品的制备
将风干试样用四分对角线法取500 g，将样品在橡皮板上碾碎，剔除石子、结核，反复过0.5 mm筛，并在105～110 ℃温度下烘干8 h，取出移入干燥器内冷却至室温备用。

将样品分为两份，取其中一份过0.075 mm标准分析筛。

将样品分为两部分：筛上部分A，粒径大于0.075 mm同时小于0.5 mm(0.5 mm>d>0.075 mm)；筛下部分B，粒径小于0.075 mm(d<0.075 mm)。

将这两部分样品按质量比配制不同粒径含量的新样品，两部分的比例分别为A∶B=100∶0，80∶20，60∶40，40∶60，20∶80,0∶100，最后分别测定不同样品的自由膨胀率。

3 试验结果与讨论
3.1 人工因素对样品粒径级配及自由膨胀率的影响
在自由膨胀率样品制备过程中，不同试验人员由于操作方法、力度大小、备样工具等试验因素存在差异，从而造样品的级配随制样者的不同而不同，甚至同一试验者不同时间制备的样品，级配也存在差异。

分别选取了2种粉质黏土及2种黏土，四位试验者同时制样，将制得的样品进行自由膨胀率测试，然后过0.075 mm的标准分析筛，分别计算粒径级别为0.5 mm>d1>0.075 mm及d2<0.075 mm颗粒所占的质量分数，试验结果如表1。

从表1中可以看出，不同试验者制备的黏土样品粒径级配和自由膨胀率均有较
大差异。

级配结果表明，不同试验人员制备的1号样品d<0.075 mm颗粒质量分数相差最大达到8.2%；2号样品的最大差值达到了7.3%。

自由膨胀率结果表明，甲制备的1号样品与乙制备的1号样品自由膨胀率差别最大，达到了14%，超出了铁路规范要求的平行差值小于<5%；更进一步分析发现，甲制备的2号样品与丙制备的1号样品自由膨胀率差别达到了10%，不仅超出了铁路规范要求的平行差值小于<5%，并且有膨胀性级别的不同，甲的样品为无膨胀，而丙的样品为弱膨胀(如表2)。

从表2中同样可以看出，不同试验者制备的黏土样品粒径级配和自由膨胀率同样有较大差异。

级配结果表明，不同人制备的1号样品d<0.075 mm颗粒质量分数相差最大达到13.4%；2号样品的最大差值也达到了9.8%。

自由膨胀率结果表明，甲制备的1号样品与丁制备的1号样品自由膨胀率差别最大，达到了8%，超出了铁路规范要求的平行差值小于<5%。

3.2 不同粒径级配比例对样品自由膨胀率的影响规律
很多研究表明，粒径级别对自由膨胀率的影响较大，大部分研究将样品过筛分为3个粒径级别组分：0.25～0.5 mm，0.074～0.25 mm(0.1～0.25 mm)和<0.074 mm(<0.1 mm)，并且结果表明粒径级别为0.25～0.5 mm，0.074～0.25 mm(0.1～0.25 mm)的样品自由膨胀率结果类似，而粒径级别为<0.074 mm(0.1 mm)的样品自由膨胀率很小。

因此，本文分别选取3种粉质黏土和3种黏土，将样品过0.075 mm的标准筛，得到两部分粒径颗粒，分别为0.075 mm>d1>0.5 mm和d2<0.075 mm。

通过设定两部分的比例(d1∶d2=100∶0，80∶20，50∶50，20∶80，0∶100)，人工配置新样品进行自由膨胀率测试，研究不同粒径级别对自由膨胀率的影响规律，进而找出最
优的试验粒径范围，试验结果如图1所示。

图1中横坐标代表d<0.075 mm颗粒所占样品的质量分数，纵坐标代表自由膨胀率。

从图中可以看出，黏土样品d<0.075 mm颗粒的比例较小时，自由膨胀率变化不明显；当d<0.075 mm颗粒比例增大时，自由膨胀率变小趋势越来越明显，当比例大到一定程度时出现了膨胀级别的不同(如图2)。

从图2中同样可以看出，粉质黏土样品结果与黏土样品类似，d<0.075 mm颗粒的比例较小时，自由膨胀率变化不明显；随着d<0.075 mm颗粒比例增大，自由膨胀率变小趋势越来越明显。

4 最优粒径级别的探讨
试验者不同，制备的样品级配不同，进而影响到样品的自由膨胀率。

因为每个人的自身条件和试验条件不同，所以这种因素是不可控的，只能通过控制其他因素来减少误差。

不同粒径级别对粉质黏土和黏土的影响规律类似，即当d<0.075 mm颗粒的比例较小时，自由膨胀率比较稳定，变化不大；而当d<0.075 mm颗粒的比例增大到一定程度时，自由膨胀率开始迅速下降，甚至影响到膨胀级别的判断。

因此可以得出，d<0.075 mm的颗粒所占的比例直接影响到自由膨胀率的测试结果。

综合以上分析可以得出，d<0.075 mm的颗粒所占的比例是导致自由膨胀率测试结果不稳定的主要因素，因此自由膨胀率试验粒径范围可以选取0.075 mm>d>0.5 mm，这样既保证了自由膨胀率测试结果的稳定性，又避免了因不同试验者造成的粒径差别对自由膨胀率的影响。

参考文献
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业，助理工程师。