微波加熱對膨脹土膨脹性影響的試驗研究

蔣銀強,梁建楠,趙雅貞,段 朕,趙昊洋

(1.安陽學院 河南 安陽 455000; 2.河南大學 河南 開封 475004)

0 引言

膨脹土富含蒙脫石等強親水性礦物,是一種具有吸水膨脹、失水收縮、反復脹縮特性的粘性土。粘性土的物理性質與溫度密切相關,高溫可以改變粘性土的物理力學性質。20世紀中葉Philip J R等[1]探究了蒸汽在土壤中的擴散作用,標志著溫度對土性質影響研究的開始。近年來,國內外為探究高溫對土體性質的影響做了很多研究。?zcan Tan等[2]人探究了熱處理對土耳其東部兩種粘土的影響,發現溫度升高對粘性土最佳含水量、最大干密度、比重等性質有重要影響;Majed M Abu-Zreig等[3]人研究了在實驗室條件下溫度對約旦北部3種粘性土的影響,試驗發現高溫熱處理會降低土壤的液塑限、最佳含水量、無側限抗壓強度和膨脹壓力;Sun Qiang等[4]人為了解粘土物理性質的演變,在加熱爐中對粘土進行200～800 ℃的試驗,發現粘土性質在高溫下受3種主要機制的影響,包括礦物基質的變化、熱微裂紋和礦物顆粒的剝落;Geng Jishi 等[5]通過室內試驗,分析了900 ℃以下高溫對粘土熱物理性質的影響,揭示了粘土熱導率與密度的關系;Hu Qijun 等[6]采用微波輻射法對試樣中的弱泥質夾層進行強化處理,發現微波輻射增加了弱泥質夾層的孔隙率和裂縫,有利于注漿加固,且當溫度達到500 ℃以上時,土體的水穩定性得到了有效的改善;Zhang Shuai 等[7]研究了微波燒結法處理放射性污染土壤,證明了微波輻射能夠有效處理土壤中的放射性污染物;劉云壯等[8]對高溫燒結淤泥質土進行水解試驗,探究了不同燒結溫度和時間下淤泥質土在水解作用下抗壓強度的變化規律;尹鐵峰等[9]對寧波地區軟黏土進行了不同溫度和圍壓下的熱固結試驗,研究其在溫度作用下的固結特性,結果表明溫度越高其固結度越高,并且達到一定固結度所需時間越短。陳正發等[10]采用氣相法研究了上海軟黏土在高溫作用下的土-水特征曲線隨溫度的變化,發現孔隙數量和孔隙結構隨溫度升高發生的變化是導致軟黏土的土-水特性隨溫度升高而變化的原因;陳皓等[11]系統研究了干密度、圍壓、溫度和含水率對高廟子膨潤土強度特性的影響,建立了高廟子膨潤土的黏聚力和內摩擦角隨溫度變化的公式;J J Reinosa等[12]研究了在微波輻射下高嶺土樣品的介電性能隨溫度的變化,證明微波加熱效應的高效率與吸收微波電磁場表面載流子的存在有關;曾召田等[13]對MX-80膨潤土粉末進行了不同時長的高溫強堿處理,發現MX-80膨潤土的比重、比表面積和膨脹指數下降幅度較大,并通過X射線衍射試驗和熱重分析試驗發現蒙脫石發生溶解為高溫強堿環境下膨潤土物理性劣化的根本原因。劉俊新等[14]對堿-熱處理后的膨潤土進行恒體積膨脹力試驗,發現膨潤土的蒙脫石含量、水化反應時長和最大膨脹力均減小,而徑向與豎向最大膨脹力的比值不受堿-熱影響,且始終在0.5左右。

綜上所述,溫度是影響土體性質的一個重要因素,然而嘗試將高溫處理作為膨脹土改良的一種思路目前還鮮有研究。本文利用微波加熱升溫速度快、均勻性好、熱穿透力強的特點,對膨脹土進行微波加熱處理,探究微波加熱對膨脹土膨脹性的影響規律。

1 試驗材料及微波加熱方案

1.1 試驗材料

本文所用土樣取自合肥地區引江濟淮項目引江濟巢段菜子湖施工區河道內。試樣采集、運輸及保存按照《土工試驗規程》(YS/T 5225-2016)[15]相關規定嚴格執行。土樣自由膨脹率試驗結果為55.2%,依據《膨脹土地區建筑技術規范》(GB50112-2013)判定為弱膨脹土[16]。通過液塑限試驗、比重試驗及擊實試驗測得土樣的基本物理性質(見表1),XRD(X射線衍射儀)分析得土樣主要礦物成分及含量(見表2)。

表1 膨脹土基本物理參數

表2 膨脹土主要礦物含量

1.2 微波加熱方案

微波加熱試驗采用CM-06S型多模諧振腔工業微波爐(見圖1)。微波頻率為2.45 GHz,功率為0～6 kW。加熱過程中使用在腔體上壁中心安裝的紅外測溫系統進行溫度測量,加熱結束后采用紅外測溫儀對土樣進行手動輔助測溫。

圖1 CM-06S型多模諧振腔工業微波爐

膨脹土樣自然風干后碾碎過篩,取粒徑為2 mm以下部分作為試驗用土樣。將試驗用土樣置于烘箱中在105 ℃環境下烘8～9 h,隨后轉移至密封干燥器內冷卻至室溫。稱取1 kg干燥土樣置于石英坩堝中并抹平表面,隨后將坩堝放入工業微波爐加熱腔內,設置加熱功率為4 kW,加熱時間為5 min。恒定4 kW功率下,用相同型號的坩堝將另外兩份質量為1 kg的土樣分別加熱10 min和15 min。加熱完成后,利用測溫儀測得加熱時間為5 min、10 min、15 min土樣表面溫度分別達到315 ℃、510 ℃和650 ℃。

2 試驗方案

2.1 自由膨脹率試驗

對微波加熱時間為0 min、5 min、10 min、15 min的土樣分別進行自由膨脹率試驗。將無頸漏斗安裝在支架上與量土杯中心對正后固定,漏斗下口與杯口間距離控制在10 mm左右;取50 g過0.5 mm篩的土樣裝入杯中,裝填過程中保持土樣的松散狀態;用量筒量取30 mL純凈水,并加入5 mL質量分數為5%的純氯化鈉溶液;將稱量好的土樣倒到量筒當中,用攪拌器從底部向液面充分攪拌;等到土樣完全沉淀之后方可開始讀數,每隔5 h記錄一次體積,當前后兩次讀數差小于等于0.2 mL時停止讀數,并將最后一次讀數記錄為試驗結果。

2.2 無荷膨脹率及有荷膨脹率試驗

對加熱時間為0 min、5 min、10 min、15 min的土樣分別開展無荷膨脹率及有荷膨脹率試驗,試樣初始含水率控制為17%、20%、23%、26%,豎向荷載為0 kPa、25 kPa、50 kPa。按預定的含水率配制土樣,土樣在恒溫恒濕環境中悶料24 h后用靜壓法制樣,試樣為直徑61.8 mm,高20 mm的標準環刀樣。將標準環刀樣裝入膨脹儀中,施加預定的豎向荷載,調整百分表位置并記錄初始讀數。向膨脹儀中加入蒸餾水至水面與試樣底面齊平。記錄注水時間及不同時間間隔下的百分表讀數。試驗過程中應保持實驗室的安靜與穩定,讀數時需避免觸碰膨脹儀及百分表。

3 試驗結果與分析

3.1 微波加熱對自由膨脹率的影響

土的膨脹潛在勢能常用自由膨脹率來反映。試驗結果表明加熱0 min土樣的自由膨脹率為55.2%,加熱5 min后降至41.7%,加熱10 min后繼續下降到31.5%,當加熱時間為15 min時僅為11.0%。圖2表示自由膨脹率隨著加熱時間的增加不斷下降,且二者接近線性相關。根據膨脹土膨脹潛在勢能的分類,加熱0 min和加熱5 min的土樣為弱膨脹土,當加熱時間達到10 min和15 min時土樣變為非膨脹土。

圖2 自由膨脹率隨微波加熱時間變化曲線

3.2 無荷膨脹率及有荷膨脹率試驗結果與分析

無荷膨脹率和有荷膨脹率(下文統稱為膨脹率)是試樣在側限條件下,浸水后高度方向上的膨脹量與原高度的比值,是反映土體膨脹性能的重要指標。浸水后t時的膨脹率δt為

δt=[(Rt-R0)/h0]×100%

(1)

式中,Rt為浸水時間時百分表的讀數,單位為mm;R0為百分表初始讀數,單位為mm;h0為試樣初始高度,單位為mm。

圖3反映了當含水率和豎向荷載一定時,膨脹率隨著加熱時間的增加而減小。以含水率為17%的試樣在豎向荷載為0 kPa時的試驗結果為例,加熱0 min土樣的膨脹率為15.05%,加熱15 min土樣的膨脹率為6.65%,降幅為8.4%,下降率達到55.81%,表明微波加熱能夠明顯改良膨脹土的膨脹性。這是因為高溫作用導致土樣里親水礦物蒙脫石中的層間水脫出,造成層間塌陷,從而使晶格發生重新排列,蒙脫石礦物首先轉化成蒙脫石-伊利石混層礦物,且在持續高溫的作用下進一步轉變為伊利石礦物。這一轉變使得膨脹土中親水礦物的含量降低,導致土樣與水的結合能力下降,膨脹性降低。同時,層間塌陷及晶格重組使土體微觀結構中的大孔隙轉變為小孔隙,土顆粒間的距離變小,土體結構趨于密實,對自由水的吸附能力降低,進而導致土體的膨脹性降低。當加熱時間增加,土體溫度更高,這一現象變得更加明顯。

圖3 膨脹率隨加熱時間的變化曲線

此外,當豎向荷載水平及含水率較低時,土樣膨脹率較高,加熱0～5 min膨脹率下降量及下降率較5～10 min和10～15 min普遍要小。仍以含水率為17%的試樣在豎向荷載為0 kPa時的試驗結果為例,加熱5 min,膨脹率從15.05%下降至13.5%,下降量為1.55%,下降率為10.3%;加熱至10 min膨脹率從13.5%降為9.98%,下降量為3.52%,下降率為26.07%;加熱時間為15 min時的膨脹率較10 min時下降3.3%,下降率為33.07%。這是因為微波加熱時間越長,土體所達到的溫度越高,并且出現燒結現象(見圖4),土樣礦物成分及微觀結構的變化越顯著,對膨脹性的影響加劇。當豎向荷載水平較高時,土樣膨脹率較低,這一現象不明顯。

圖4 部分燒結土樣

由圖5可知,在含水率和加熱時間一定時,膨脹率隨著豎向荷載的增加而降低,且當豎向荷載達到50 kPa時,含水率為23%及26%的土樣膨脹率為0,不再膨脹。此外,豎向荷載對膨脹過程也會產生影響。圖6為含水率23%土樣的膨脹率時程曲線,當豎向荷載水平較低時,不同的初始條件下,不同加熱時間土樣的膨脹過程是比較相似的,都存在高速膨脹、減速膨脹,低速膨脹及膨脹穩定等4個階段,各階段對應時間分別為0～2 h、2～5 h、5～11 h、11～24 h,其中初始土樣的膨脹過程中階段性尤為明顯。膨脹過程出現階段性主要是因為初始階段試樣含水量低,土樣內部孔隙較多接近“架空結構”,而“架空結構”的親水作用較強,剛浸水時吸水速度較快,試樣體積迅速增大,膨脹現象十分顯著。當浸水時間達到2 h后,土樣內部的結構由于大量水分的侵入發生了重組,原先的“架空結構”被破壞,轉變成較為密實穩定的結構,導致親水作用降低,膨脹速度逐漸減小,進入減速膨脹階段。當膨脹土樣在水中的浸泡時間超過5 h后,內部的孔隙已被水充分填滿,親水作用消耗殆盡,土樣膨脹潛勢隨之耗散,膨脹停止進入穩定階段。

圖5 膨脹率隨豎向荷載的變化曲線

圖6 含水率為23%時土樣膨脹率時程圖

當豎向荷載水平較高(達到50 kPa)時,部分土樣失去了減速膨脹階段或低速膨脹階段,而直接由高速膨脹階段進入膨脹穩定階段,如圖6(b)中加熱時間為0 min土樣的膨脹率時程曲線較為典型。失去減速階段及低速階段的原因是土樣受到的豎向壓力較大,土樣浸水后發生膨脹產生的膨脹力難以超過豎向壓力而至多進入持平狀態,土樣在開始吸水膨脹階段呈現出勻速的狀態。當內部的孔隙被水充分填滿后,土樣膨脹潛勢被耗盡,膨脹力下降不足以抵抗較高的豎向荷載,高水平的豎向壓力使膨脹突然停止,進入穩定階段。

4 結論

本文以合肥地區膨脹土為研究對象,研究微波加熱對膨脹土膨脹性的影響規律,得到的主要結論如下:

(1)微波加熱能夠明顯改良膨脹土的膨脹性,隨著加熱時間的增加膨脹土的自由膨脹率、無荷膨脹率和有荷膨脹率均下降。

(2)豎向荷載能夠影響膨脹土膨脹過程的特點。豎向荷載水平較低時,膨膨脹過程分為高速膨脹、減速膨脹,低速膨脹及膨脹穩定四個階段;豎向荷載達到50 kPa時土樣失去減速階段或低速階段,由高速膨脹階段直接進入膨脹穩定階段。

(3)微波加熱作用從兩個方面影響膨脹土的膨脹性:高溫使親水礦物蒙脫石轉變為伊利石,降低土體對結合水的吸收能力;層間塌陷及晶格重組使土體微觀結構中的大孔隙轉變為小孔隙,使土質趨于密實,對自由水的吸收能力降低。