劉 靜

遼寧省東煤測(cè)試分析研究院有限責(zé)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(qiáng)脹縮性的高塑性黏土。由于蒙脫石特性遇水后水分子進(jìn)入礦物顆粒內(nèi),導(dǎo)致大量礦物顆粒組成土樣產(chǎn)生宏觀膨脹,被外界限制產(chǎn)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(chǔ),擋土墻等。膨脹土在世界范圍內(nèi)分布廣泛,由于其脹縮特性使得各類工程建設(shè)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(qū)出現(xiàn)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(jù),膨脹土吸水膨脹后急劇收縮,工程上威脅構(gòu)建物安全。隨著鐵路客運(yùn)專線的發(fā)展,對(duì)路基穩(wěn)定性、地基承載力提出更高的要求。準(zhǔn)確測(cè)定膨脹土陽離子交換量尤為重要。

1 膨脹土機(jī)理研究

膨脹土是具有顯著濕脹干縮特性及超固結(jié)性的高液限非飽和黏土,由于其對(duì)工程建設(shè)危害性,國內(nèi)外研究人員對(duì)膨脹土的成因機(jī)理作出大量研究。礦物學(xué)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(jié)合水?dāng)?shù)量,蒙脫石是活性強(qiáng)的次生黏土礦物,晶層內(nèi)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(yùn)鐵路中很多鐵路需穿越膨脹土地區(qū)。

2.2 調(diào)節(jié)離心管平衡,將平衡好的離心管對(duì)稱放入離心機(jī)中,在3000～4000 r/min的轉(zhuǎn)速下,離心5 min左右。如需測(cè)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(cè)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(tài),再加人50～60 mL95%乙醇溶液,充分?jǐn)嚢?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(jī)中,在3000～4000 r/min的轉(zhuǎn)速下,離心5 min左右。棄去乙醇,直至過剩銨鹽洗凈為止(取數(shù)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(gè)別試樣在洗滌到最后可能出現(xiàn)混濁,此時(shí)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(yīng),用水沖洗緩沖管的內(nèi)壁將洗液洗入錐形瓶?jī)?nèi),取下錐形瓶,加人3～5滴混合指示劑,用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定吸收液由藍(lán)色變?yōu)樽霞t色。同時(shí)做空白試驗(yàn)。

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(jié)狀態(tài)較好的特點(diǎn)。膨脹土工程特性對(duì)建設(shè)路基等工程結(jié)構(gòu)造成威脅[1]。膨脹土造成經(jīng)濟(jì)損失估算每年約超過50億美元。膨脹土引發(fā)的工程地質(zhì)問題受到人們的重視。膨脹土病害類型體現(xiàn)在邊坡與地基兩方面,膨脹土邊坡不穩(wěn)定性造成建筑物開裂,膨脹土脹縮特性導(dǎo)致路基發(fā)生破壞,路堤邊坡坡角坍落等。膨脹土地基受溫度影響導(dǎo)致地基上建筑物開裂破壞。膨脹土為達(dá)到規(guī)定工程特性指標(biāo),需要對(duì)其進(jìn)行改善保證符合相關(guān)規(guī)范。工程建設(shè)中可通過改變含水量消除部分脹縮性,強(qiáng)膨脹土需通過化學(xué)方法改良處理。

最早對(duì)膨脹土工程問題的認(rèn)識(shí)源于1938年美國鋼制虹吸管工程,1958年膨脹土黏土學(xué)術(shù)會(huì)議在克羅里達(dá)州召開,1959年到1977年期間美國、英國等在規(guī)范中添加膨脹土相關(guān)內(nèi)容。我國對(duì)膨脹土研究始于50年代初成渝鐵路建設(shè)工程,國內(nèi)在鐵路干線及工業(yè)民用基礎(chǔ)工程建設(shè)中進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究,為工程施工設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。1990年我國首屆膨脹土工程研究會(huì)議召開,為膨脹土研究指明了方向。為后續(xù)工程設(shè)計(jì)施工提供理論經(jīng)驗(yàn)。

2 膨脹土陽離子交換量測(cè)定實(shí)驗(yàn)

為保證頒布標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程》順利實(shí)施,為工程建設(shè)提供可靠巖土化學(xué)分析技術(shù)參數(shù)非常必要。1987年頒布的鐵路工程巖土化學(xué)分析方法經(jīng)多年測(cè)試工作建言,部分項(xiàng)目分析方法滯后于化學(xué)分析測(cè)試機(jī)技術(shù)手段,修編主要增加巖土化學(xué)分析項(xiàng)目,對(duì)許多測(cè)試項(xiàng)目調(diào)整使用酸溶法融礦。增加測(cè)試項(xiàng)目包括氧化錳含量,陽離子交換量等。

測(cè)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(cè)定土壤中陽離子交換量蒸餾時(shí)間可減少23 min,節(jié)約時(shí)間資源。操作中由于定氮儀為密閉裝置,蒸餾液體體積穩(wěn)定,比使用自裝蒸餾儀提高分析實(shí)驗(yàn)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(guān)研究。1988年國家計(jì)委會(huì)頒布膨脹土建筑技術(shù)規(guī)范,第二屆膨脹土科研會(huì)上總結(jié)膨脹土地區(qū)公鐵路等工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。本文實(shí)驗(yàn)研究膨脹土陽離子交換量測(cè)定,已完成多批膨脹土勘測(cè)樣測(cè)試,抽取代表性樣品分析,根據(jù)TB10042-95膨脹土潛勢(shì)分級(jí)規(guī)章,將膨脹土分為弱中強(qiáng)三級(jí)。按測(cè)陽離子交換量對(duì)膨脹土分級(jí),結(jié)論基本一致。按規(guī)范要求對(duì)膨脹土判別更加準(zhǔn)確。