第19卷 第6期 中 国 水 运 Vol.19 No.6 2019年 6月 China Water Transport June 2019 不同膨胀潜势等级的膨胀土特性试验研究 李小磊，吴云刚，覃振华 （1.中交天津航道局有限公司，天津 300450；2.武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430022； 3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010） 摘 要：以南水北调中线工程的南阳弱、中膨胀土及邯郸强膨胀土为研究对象，进行了三种膨胀土的基本物性试验、矿物成分X射线衍射试验及Zeta点位试验，结果表明：自由膨胀率与界限含水率、自由膨胀率与粒度成分的相关性，得到液限、塑限、塑性指数、黏粒、胶粒含量与自由膨胀率正相关，粉粒含量与自由膨胀率负相关；三种膨胀土亲水矿物成分总量均大于50%，膨胀性与黏土总量正相关；Zeta电位与膨胀性正相关；据阳离子交换试验，得到阳离子交换量与膨胀性、黏土矿物总量及Zeta电位正相关。 关键词：不同潜势等级膨胀土；基本物性；黏土矿物成分；膨胀特性 中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）06-0239-03 引言 膨胀土是一种以黏土矿物为主、对环境湿热变化敏感土，其原状土强度一般较高、压缩性较低，遇水膨胀失水干缩，导致其强度衰减，对建构筑物造成潜在安全隐患及破坏。膨胀土在世界范围分布广泛。 南水北调中线工程干渠总长1,432km，其中穿越膨胀土区域长约386.8km，占比27%，膨胀土分布地段多为半湿润、半干旱区，土体含水率波动强烈，胀缩变形显著， 易造成渠坡失稳、渠坡衬砌变形、开裂，极大影响工程的安全运行，膨胀土问题处理难度大，是南水北调中线工程的主要技术问题之一[4]。本文选取南水北调中线工程三种膨胀土—南阳弱膨胀土、南阳中膨胀土及邯郸强膨胀土，对其基本物性指标与膨胀特性关系进行研究，从本质上认识膨胀土的特性，揭示胀缩变形的本质，为根治理膨胀土病害提供工程建议。 三种膨胀土的自由膨胀率(%)123土，同时存在以下规律： （1）膨胀性与液限、塑限、塑性指数值正相关； （2）膨胀性与粉粒含量负相关。 三种膨胀土的自由膨胀率(%)1401201008060402002030405060708090100三种膨胀土的界限含水率(%)液限塑限塑性指数 图1 自由膨胀率~界限含水率 140120100806040200203040506070三种膨胀土的粒度成分(%)粉粒含量粘粒含量胶粒含量一、膨胀土胀缩变形机制 膨胀土胀缩变形，实际上是土中水分的得失而引起土体体积的变化。在膨胀土的胀缩机理研究方面，其中具有代表性的是晶格扩张理论、双电层理论。晶格扩张理论是膨胀土的矿物学理论，认为膨胀土的膨胀性取决于矿物成分及其结构以及颗粒表面的阳离子交换成分等，上述因素的不同导致膨胀土表现出不同的膨胀特性；双电层理论是膨胀土的物理化学理论，认为膨胀土膨胀的主要原因是在土—水体系中土颗粒表面产生了复杂的物理化学作用的，导致膨胀土产生胀缩变形。 二、基本物理特性 南阳弱膨胀呈褐红色，南阳中膨胀土呈黄褐色，邯郸强膨胀土为灰白色。三种膨胀土的自由膨胀率与界线含水率和粒度成分的关系曲线详见图1、图2。 根据基本物性指标试验可得，三种膨胀土均为高液限黏收稿日期：2019-02-01 作者简介：李小磊，中交天津航道局有限公司。 图2 自由膨胀率~粒度成分 图2曲线反映的规律是：自由膨胀土随着黏粒、胶粒含量的增加而增大，随粉粒含量的增加而降低。上述现象的原因：黏粒和胶粒有很大的比表面积，活性大，与水作用充分，土中结合水膜总量多，其含量的增加会使膨胀性更强；粉粒通讯作者：吴云刚（1984-），男，硕士，武汉市勘察设计有限公司工程师。 240 中 国 水 运 第19卷 比表面积相对较小，其含量增加时，会使土粒活性降低，结合水膜总量变少，土粒间距变小，导致膨胀性降低。故提高膨胀土中的粗颗粒含量可降低其膨胀性，这一结论可指导工程实践，如印度的N. K. Ameta等[5]就向膨胀土中掺加河沙，来改良膨胀土，显著降低了膨胀土的膨胀性，取得了良好经济效益和工程效果。 三、矿物成分分析试验 矿物成分是膨胀土所有特殊工程性质的物质基础。选取三种膨胀土进行X射线衍射试验，得到了其矿物类型及各矿物成分的含量，详见表1、表2、表3。 表1 矿物成分及百分含量 矿物成分及其百分含量（%） 土类 石英 长石 方解石 黏土 南阳中膨胀土 35 6 1 58 南阳弱膨胀土 39 5 2 54 邯郸强膨胀土 25 5 2 68 表2 黏土矿物的成分及各成分含量 黏土矿物及各成分含量（%） 土类 蒙脱石 绿泥石 伊利石 高岭石 南阳中膨胀土 62 7 18 13 南阳弱膨胀土 57 5 23 15 邯郸强膨胀土 80 0 10 10 表3 三种膨胀土黏土矿物百分含量 三种膨胀土中黏土矿物百分含量（%） 膨胀土类别 蒙脱石 绿泥石 伊利石 高岭石 南阳中膨胀土 35.96 4.06 10.44 7.54 南阳弱膨胀土 30.78 2.7 12.42 8.1 邯郸强膨胀土 54.4 0 6.8 6.8 根据表3结果， 三种膨胀土的黏土矿物以蒙脱石、伊利石为主，含有少量的高岭石和绿泥石。膨胀性强的膨胀土，其蒙脱石含量大。 膨胀土中颗粒较大的石英、长石、方解石等矿物，分布于以黏土矿物为基质的土中，大颗粒之间少有接触，膨胀土工程性质是由作为基质的黏土矿物决定。 四、Zeta电位试验 溶液中的阳离子可以交换掉黏土表面吸附的阳离子，这些被交换掉的阳离子称为可交换阳离子，阳离子交换将改变黏土表面双电层的厚度，进而改变结合水膜的厚度。 黏土电荷密度越大，其电场影响范围亦越大，吸附反离子层越厚，黏土颗粒表面双电层有效厚度d'越大，Zeta电位就越高。Zeta电位一定程度上反映了黏土表面电荷密度和双电层厚度，Zeta电位高则双电层厚度大，结合水厚度大。 试验采用JS94H型微电泳仪测弱、中及强膨胀土的Zeta电位。电泳是带电胶体在直流电作用下向与其电性相反电极移动的现象，电泳速度与Zeta电位正相关，通过颗粒电泳速度，依据相关公式间接计算Zeta电位。 电泳试验结果见表4、表5、表6。图中黑点代表黏土粒，电极按700μs的周期进行正负极切换，土粒在两电极间往复运动。 据测试结果，弱膨胀土的Zeta电位为-31.205mV，中膨胀土Zeta电位为-40.062mV，强膨胀土Zeta电位为-52.116mV。 可见，膨胀性越强Zeta电位越高。这是因为，Zeta电位高的膨胀土，在吸水过程中，土颗粒表面吸附的电荷多，结合水膜厚度大，土粒间距大，宏观上表现出强膨胀性，要减弱其膨胀性，就应减小结合水膜厚度，降低表面电荷。 从电泳试验可看出，膨胀性强，土粒体积小，具有更多的黏粒和胶粒，具有更大的比表面和活性。这与第1节试验结果吻合。 表4 南阳弱膨胀土电泳试验报告单 文件名：1 温 度：17.4℃ 电 流：0A 切换时间：700μs 电 压：10V pH 值：7.9 Zeta电位：-31.205mV 表5 南阳中膨胀土电泳试验报告单 文件名：2 温 度：16.2℃ 电 流：0A 切换时间：700μs 电 压：10V pH 值：7.9 Zeta电位：-40.062mV 表6 邯郸强膨胀土电泳试验报告单 文件名：3 温 度：16℃ 电 流：0A 切换时间：700μs 电 压：10V pH 值：7.8 Zeta电位：-52.116mV 五、阳离子交换量试验 对南阳弱膨胀土、中膨胀土以及邯郸强膨胀土分别进行阳离子交换量试验，结果如表7所示。 阳离子交换量排序：邯郸强膨胀土>南阳中膨胀土>南阳弱膨胀土，结合第2节矿物成分试验结果，阳离子交换量的同黏土矿物总量，特别是膨胀性强的黏 （下转第243页） 第6期 胡 影等：吸收法回收挥发性有机物实验研究 243 Environment，2017，574（1）：1021-1043. 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Biochar for volatile organic compound （VOC） removal：Sorption performance （上接第240页） 土矿物含量正相关，膨胀性强的黏土矿物—蒙脱石、伊利石含量越高，膨胀土的阳离子交换性越大，自由膨胀率也越高。 对比第3节中的Zeta电位试验结果可以看出，阳离子交换量与Zeta电位的正相关。Zeta电位较高的黏土其表面电荷密度越大，吸附较多的可交换性阳离子，在相同条件下它的阳离子交换量更大。 表7 阳离子交换量试验成果表 烘干土样质量编号 离心管加土的质量 and governing mechanisms[J].Bioresource Technology，2017，245（11）：606-614. [13] 赵扬，何璐红，刘斌杰.吸收法处理VOCs工业废气的研究进展[J].山东化工，2014，43（5）：78-79. [14] 黄维秋，钟秦.油气回收技术分析与比较[J].化学工程，2005，33（5）：53-56. [15] 周大勇.吸收法回收油气工艺研究[J].精细石油化工进展，2005，20（6）：21-24. [16] Pierre-francois B，Annabelle C，Syilvain G，et al. Volatile organic compounds absorption in packed column： theoretical assessment of water，DEHA and PDMS 50 as absorbents[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2018，59（3）：70-78. [17] Tatin R，Moura L，DietrICHich N，et al. Physical absorption of volatile organic compounds by spraying emulsion in a spray tower：Experiments and modelling[J].Chemical Engineering Research and Design，2015，104（11）： 409-415. 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