马 利，崔 自 治，景 鑫

(宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

膨润土因富含蒙脱石和伊利石等黏土矿物，具有显著的胀缩性、亲水性和阳离子结合能力[1]，在保护环境、医疗、化工、水的净化、土木工程等方面[2-4]都有应用。在土木工程领域，它主要应用于工程防渗和泥浆护壁。刘阳生等[5]研究了膨润土加入量、压实含水率和压实干密度等因素对压实黏土土样抗压强度和渗透性能的影响。结果表明：膨润土掺量为6%～7%时，黄土的抗压强度最大，膨润土掺量为8%时对红土的抗压强度和抗渗性能都有很大改善，压实含水率为24%左右时红土及其改性黏土的抗压性能与防渗性能同时得到优化。史建峰[6]通过试验发现膨润土能较好地改善水泥浆的黏度、吸水率等工作性能。梅丹兵等[7]将膨润土改性黏土作为竖向隔离材料进行了坍落度试验研究。杨旭等[8]从渗流量和渗透稳定角度出发，深入研究了膨润土防水毯搭接处的防渗问题。陈永贵等[9]对膨润土-红黏土混合土的渗透试验进行了研究。温亚楠等[10]对黏土掺加纳米膨润土的强度进行了研究。何俊等[11]对膨润土改性黏土中裂隙扩展规律进行了研究，研究表明反复冻融会改变土的物理性质和力学性能，如使压实土变得疏松、强度降低、压缩性和渗透性增大等[12-14]。宁夏银川平原渠道纵横，渠道防渗是农业节水的重要途径，但银川平原的土壤含砂率高，渗透性大，作为防渗材料，难以达到防渗效果。为了改善土壤的抗渗性，崔自治团队[15-17]研究了膨润土改性黏土、膨润土改性黄土、膨润土改性砂土和膨润土-黏土-砂土复合材料的渗透性及力学性能等。研究结果表明：膨润土能明显降低土壤的渗透性，膨润土的最佳掺量在4%左右，且对土壤的力学性能没有明显的不利影响，为膨润土在宁夏防渗工程中的应用奠定了基础。调查发现，宁夏为季节性冻土区，反复冻融势必影响膨润土改性土的抗渗性和力学性能，决定了膨润土改性土能否适用。因此进行膨润土改性黏土的冻胀融沉变形研究是非常必要的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黏土取自宁夏银川，密度ρ=1.87 g/cm3，含水率w=24.6%，最优含水率wopt=17.6%，最大干密度ρdmax=1.62 g/cm3，土粒相对密度ds=2.73，塑限wp=28.6%，液限wL=17.3%，塑性指数为11.3，为粉质黏土。粒径分布见图1，其中粒径在0.075～0.005 mm之间的粉粒占约67%，黏粒含量较少，约为16%。

图1 黏土的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of clay

膨润土来自市场销售，主要矿物质为蒙脱石，外比表面积为59.1 m2/g[19]。

1.2 试验方法

以干密度ρd、饱和度Sr(%)、膨润土掺量B(%)为因素，设计正交试验方案L9(34)，因素与水平列于表1，其中e为误差列。干密度设1.40，1.50和1.60三种水平，饱和度Sr设30%，50%和70%三种水平，膨润土掺量B设0，2%和4%三种水平[17-18]。冻结温度设为-28.0 ℃，融化温度设为20.0 ℃[18]。冻融之前测出试样的原始高度作为参考量，之后测定冻融循环N=0，1，3，7，12次和20次时的试样冻胀量和融化下沉量。每个冻融循环冻24 h，融24 h。

表1 因素与水平Tab.1 Factors and levels

试样制备：将黏土风干、碾散、搅拌，测定含水率。按试验方案称取黏土、膨润土和纯净水，先将黏土和膨润土混合搅拌，再加纯净水拌匀。用压样器制备直径69.8 mm、高40.0 mm的试样9个，用于研究膨润土改性黏土的冻融特性。

冻融试验：采用封闭系统单向冻融试验方法，在可控温度的低温试验箱中进行。冻融循环后用千分表分别测定试件在冻胀和融沉后的高度，计算冻胀率η和融沉系数δ。

2 结果与分析

试验结果列于表2，冻胀率和融沉系数与冻融循环次数的关系示于图2。

表2 试验方案与结果Tab.2 Test schemes and results

图2 冻胀率和融沉系数与冻融循环次数的关系Fig.2 Relationship between frost heaving ratio and thawing settlement coefficient and the numbers of freeze-thaw cycles

由表2和图2可以看出：① 9组试样的冻胀率和融沉系数都大于0，呈现为冻结膨胀，融化下沉，且冻胀量大于融沉量，冻融后试样体积增大。冻融20次时的最大冻胀率为2.12%，最大融沉系数为1.43%，尽管膨润土改性黏土的冻融变形不是很大，但不容忽视。② 冻胀率和融沉系数均随冻融循环次数的增加而逐渐增加，并逐渐趋于稳定，前3次冻融循环内试样冻融变形增加较快，之后增加缓慢，7次冻融循环后基本达到稳定。③ 冻胀和融沉变形最大的是第3组，其次是第6组，共同的参数特征为干密度较小，饱和度大，或膨润土掺量低。冻胀和融沉变形最小的一组为第6组，其干密度大，饱和度小，膨润土掺量高。且可以发现最大最小冻胀率相差很大，冻融20次时达1.79%。冻融变形小的试样冻融变形达到稳定所需冻融循环次数少，反之冻融变形大的试样冻融变形达到稳定所需冻融循环次数多。冻融变形随冻融循环次数的增加而增加，是因冻融过程中水的迁移、集聚所致[19]。密实度大或膨润土含量越高，水的迁移则受到抑制，土体的冻融变形量随冻融循环次数的增加而降低。

2.1 趋势分析

按正交试验理论分别计算出各因素相同水平组膨润土改性黏土的冻胀率η与融沉系数δ的平均值k。平均值k随干密度ρd、饱和度Sr和膨润土掺量B变化的趋势分别示于图3、4。

图3 冻胀率变化趋势Fig.3 Trend curves of frost heaving ratio

由图3、4可见：封闭系统条件下，试样的冻胀率和融沉系数均随干密度的增大呈非线性减小，干密度较小时，减小的幅度较大。冻胀率和融沉系数均随饱和度的增大呈明显的非线性增长，且饱和度较高时，增加的幅度也明显较大。冻胀率和融沉系数均随膨润土掺量的增大呈一定的非线性减小，膨润土掺量较大时，减小的幅度降低，掺加膨润土有利于减小土的冻融变形。膨润土具有冻结收缩特性[20]，这是因为强烈的亲水性、吸附性和阳离子结合能力[1]使之吸附土中的水，使土中水相对减少，土体变得干硬，土中部分自由水变成结合水，甚至强结合水，水的迁移和冻结受到抑制，冻胀变形减小。土中水减少，土的强度增大，使得土体在自重作用下的融沉减小。

图4 融沉系数变化趋势Fig.4 Trend curves of thawing settlement coefficient

2.2 因素分析

2.2.1极差分析

正交试验极差分析结果示于图5。由图5可见：在封闭系统条件下冻融时，饱和度的作用极差较大，干密度的作用极差次之，膨润土的作用极差较小，误差列e的极差最小，说明饱和度为首要影响因素，干密度为次要影响因素，膨润土掺量的影响最小。试验误差较小，不存在不可忽略的交互作用。

2.2.2方差分析

正交试验的方差分析结果列于表3，显著性水平a为0.10，0.05和0.01时，相应的F临界值分别为9.00，19.00和99.01。由表3可见，干密度和饱和度对冻胀率影响显著；干密度对融沉系数影响较显著，饱和度对融沉系数影响显著；膨润土掺量对冻胀率和融沉系数影响均不显著。可以发现饱和度和干密度是影响膨润土改性黏土冻融变形特性的主控因素。因此进行防水、排水和隔水设计，降低土的饱和度，是减小膨润土改性黏土冻融变形的重要措施。虽然膨润土对膨润土改性黏土冻融变形影响不显著，但其对降低冻融变形有利，这为膨润土改性黏土作为防渗材料提供了理论依据。

图5 冻胀率和融沉系数极差结果Fig.5 Ranges result of frost heaving ratio and thawing settlement coefficient

表3 方差分析结果

2.2.3回归分析

由图2可以看到，9组试样的冻胀率和融沉系数均随冻融循环次数的增加而逐渐增加，并逐渐趋于某一定值。冻胀率和融沉系数与冻融循环次数的关系均符合双曲线关系：

(1)

式中：y为冻胀率或融沉系数，%；N为冻融循环次数；a、yu为拟合系数，yu的意义是N趋向于无穷大时试样的冻胀率或融沉系数，%。

由最小二乘拟合得到的a、yu和R2，列于表4。a、yu是干密度、饱和度和膨润土掺量的函数，yu略大于冻融循环稳定时的值。R2非常接近于1.0，尚有部分因取舍等于1.0，可见冻胀率和融沉系数与冻融循环次数的相关性非常高，用双曲线拟合的显著性高。

进一步拟合可得a、yu和干密度、饱和度、膨润土掺量的关系。

关于冻胀率：

(2)

(3)

关于融沉系数：

(4)

(5)

表4 回归分析参数Tab.4 Regression analysis parameters

表5 回归参数的显著性Tab.5 Significance of regression parameters

由表5可见，融沉系数的拟合系数a的显著性水平稍低，与干密度、饱和度和膨润土掺量相关性稍差。除此之外，冻胀率的拟合系数的显著性水平都很高，与干密度、饱和度和膨润土掺量相关性都很好。

3 结 论

(1) 封闭系统冻融条件下，膨润土改性黏土的冻胀融沉变形随冻融循环次数的增加而增加，二者呈相关性很好的双曲线关系。

(2) 饱和度和干密度对膨润土改性黏土的冻胀量和融沉量影响显著，在工程施工和使用过程中应严格控制。

(3) 膨润土掺量对膨润土改性黏土的冻胀量和融沉量影响不显著，但掺膨润土对降低冻胀和融沉变形是有利的，膨润土改性黏土作为防渗材料用于季节性冻土区是可行的。