黏土液塑性隨礦物成份的變化規(guī)律

盧良青 董天威

摘 要：為了探索不同黏土礦物成份對黏土液塑性的影響，采用高嶺土、伊利土、蒙脫石，按不同質(zhì)量比例混合來進(jìn)行液塑限測定試驗。大量試驗結(jié)果對比表明：（1）高嶺土與伊利土混合土樣的液限（WL）和塑限（WP）隨伊利土含量的增加而減小；（2）高嶺土、伊利土與蒙脫石混合土樣的WL和WP隨蒙脫石含量的增加而增大，且蒙脫石的作用占主導(dǎo)地位?；谠囼灲Y(jié)果，總結(jié)出各黏土礦物成份影響的液限與塑限的非線性表達(dá)式。此外，根據(jù)塑性圖將試驗土樣的進(jìn)行了分類，討論了礦物成分及其含量對土樣所屬類別的影響。

關(guān)鍵詞：高嶺土；伊利土；蒙脫石；液限；塑限；塑性指數(shù)

中圖分類號：TU47文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

土體含水量的大小對其工程性質(zhì)有著很大的影響，為了研究土體在不同含水量下的物理力學(xué)性質(zhì)，Atterberg[1]將土體分為以下四種狀態(tài)：固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)、流動狀態(tài)，之后Casagrande[2]將其分類方法做了進(jìn)一步的細(xì)化。由于黏土的含水量都比較高，所以對黏土來說，半固態(tài)、可塑狀態(tài)和流動狀態(tài)是比較重要的三個狀態(tài)，因此它們的界限狀態(tài)，即液限（WL）和塑限（WP），就顯得尤其重要。黏土的液塑限受粒組成、所含礦物成分及其含量等因素的影響，高嶺土、伊利土、蒙脫石、綠泥石等礦物是構(gòu)成黏土中黏粒的主要成分，其顆粒極細(xì)，一般粒徑小于5微米，對黏土液塑性有著很大的影響。

為了研究礦物成份及其含量對于黏土液塑性的影響，White等分析了高嶺土、伊利土、蒙脫石等純黏土礦物的液塑性，得出了液限和塑限均是蒙脫石>伊利土>高嶺土的結(jié)論；Schmitz等采用高嶺土、蒙脫石和其他天然黏土研究了礦物成分對液塑限的影響，并提出了礦物成分與液塑限之間的相關(guān)關(guān)系；Seed等研究了高嶺土、伊利土、蒙脫石以及它們與石英粉的混合物的液塑性并指出：當(dāng)黏土成分含量不是很低的情況下，液塑限值與黏土中礦物成分的含量之間成線性關(guān)系；不過隨后Seed等的研究還得出在相同黏土礦物含量下，蒙脫石與石英砂的混合物的塑限要低于高嶺土與石英砂的混合物，但這與White等和Mitchll等的研究結(jié)論相反；Polidori通過分析六種非有機(jī)黏土以及它們與石英砂的混合物的液限與塑限后指出：在黏土含量不是很低時，液塑限值與黏土所含礦物的成分（粒徑<2mm）含量之間成線性關(guān)系。

為此，本文通過由高嶺土伊利土、蒙脫石、蒙脫石高嶺土按不同的質(zhì)量比例混合，分別制成“蒙脫石+高嶺土+伊利土、“伊利土+高嶺土”等混合土樣，進(jìn)行液塑限試驗，來分析不同礦物成份及其含量對黏土液塑性的影響，進(jìn)一步揭示塑性、液限、塑限指數(shù)隨礦物成份含量的變化規(guī)律。

1 液塑限試驗

1.1 試驗材料及方法

試驗所采用的高嶺土、伊利土、蒙脫石等單一及混合土樣均是通過商業(yè)購買的黏土礦物粉末制備而成，其具體的參數(shù)見表1。

試驗的開展參照我國《土工試驗規(guī)程》中的液塑限實驗（SL237-003-1999）。實驗儀器為光電式數(shù)顯液塑限聯(lián)合測定儀（圓錐：錐質(zhì)量76g，錐角300）。試驗中將土樣按不同的含水量調(diào)配均勻，密實的填入試樣杯中，測定圓錐下落后5s的下沉深度h，取10g以上的試樣的2個測定其含水量w。

1.2 單一礦物土樣試驗及結(jié)果

首先針對單一礦物制備而成的土樣進(jìn)行液塑限試驗。表2為三種黏土土樣的液塑限指標(biāo)。從試驗結(jié)果可以得出：（1）液限：蒙脫石最大，伊利土和高嶺土較小，而且二者比較接近；（2）塑限：蒙脫石最大，高嶺土和伊利土相對較小且二者相差不大；（3）塑性指數(shù)：蒙脫石最大，高嶺土、伊利土三者相對較小且比較接近。

1.3 混合礦物土樣試驗方案

為了分析不同礦物成份及其含量對黏土液塑性的影響，特制備混合礦物土樣進(jìn)行液塑限試驗。表2為各混合方案中礦物成份及其質(zhì)量比例的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 液限WL

2.1.1伊利土+高嶺土

圖2表明伊利土和高嶺土混合土樣的液限隨伊利土含量的增加而增加?；诖耍蓱?yīng)用非線性插值函數(shù)來描述此關(guān)系：

2.1.2伊利土+蒙脫石+高嶺土

圖3為伊利土蒙脫石+高嶺土混合土樣的液限隨蒙脫石含量變化曲線：液限隨蒙脫石含量的增加而增加。

2.2 塑限WP

2.2.1伊利土+高嶺土

圖4表明伊利土+高嶺土混合土樣的塑限WP隨伊利土含量的增加而增加。

2.2.2伊利土+蒙脫石+高嶺土

從圖5可以看出伊利土+蒙脫石+高嶺土混合土樣的塑限WP隨蒙脫石含量的增加而增大。基于此，我們拓展為：

其中WPM為純蒙脫石的液限，ρM為蒙脫石占總量的質(zhì)量百分比，β為蒙脫石含量的指數(shù)?；谠囼灲Y(jié)果，應(yīng)用最小方差控制原則可取β=1.0為蒙脫石含量的指數(shù)。圖5還表明在同一蒙脫石含量下，塑限WP隨伊利土含量的增加而減小，這種趨勢在蒙脫石含量較低時比較明顯。

綜上，各黏土基本礦物對于黏土液塑限特性的影響可由非線性插值函數(shù)來表達(dá)，各基本礦物成份相關(guān)的參數(shù)值總結(jié)于表3，具有一定的實用價值。

2.3 塑性指數(shù) IP與塑性圖

塑性指數(shù)IP

綜合上述試驗結(jié)果，可以進(jìn)一步分析不同礦物混合土樣的塑性指數(shù)IP，根據(jù)塑性指數(shù)IP與液限、塑限的關(guān)系：

我們可以知道當(dāng)土體的液限與塑限都確定時，它的塑性指數(shù)也就隨之確定。根據(jù)前面的試驗結(jié)果和理論結(jié)果得到不同礦物混合土樣的塑性指數(shù)的試驗值和理論值隨礦物含量的變化關(guān)系，如圖6。通過圖6（a）（b）我們可以發(fā)現(xiàn)不同礦物混合土樣的塑性指數(shù)隨礦物含量變化的試驗值和理論值吻合的很好，而四種礦物相互混合土樣的理論值和試驗值吻合的不是很好，但在綠泥石含量為40%、80%時吻合的還可以，總體來說理論值與試驗值的趨勢是一致的，理論值具有一定的參考價值。

3 結(jié)論

本文通過對四種黏土基本礦物（伊利土、蒙脫石、綠泥石、高嶺土）按照不同比例混合制備成的土樣進(jìn)行試驗，分析了黏土的基本礦物對黏土液塑性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）對于單礦物黏土，液限：蒙脫石>高嶺土>伊利土；塑限：蒙脫石>高嶺土>伊利土（2）對于高嶺土和伊利土的混合土樣，其塑限和液限都隨伊利土含量的增加而減小，并符合指數(shù)非線性插值。（3）對于伊利土、蒙脫石和高嶺土的混合土樣，其塑限和液限都隨蒙脫石含量的增加而增大；與伊利土和高嶺土相比，蒙脫石的作用占主導(dǎo)地位。（4）各黏土基本礦物對于黏土液塑限特性的影響可由非線性插值函數(shù)表達(dá)，并基于試驗結(jié)果確定了各基本礦物成份相關(guān)的參數(shù)值，具有實用價值。（5）根據(jù)塑性圖將試驗土樣的進(jìn)行了分類，討論了礦物成分及其含量對土樣所屬類別的影響。

此次試驗的四種黏土中基本礦物是按照不同比例混合而成，與大部分天然黏土對比缺乏石英粉砂的成份對于黏土液塑性的影響，有一定的實際應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]Atterberg.Die plastizitat der tone[J]，Intern Mitteil Bodenkunde，1911，1，4-37.

[2]Casagrand.Research on the Atterberg limits of soils[J].Public Roads，1932，13，121-136.

[3]Kumar，G.and D.M.Wood.Fall cone and compression tests on clay-gravel mixtures[J].Geotechnique，1999，49（6）：727-739.