膨脹率試驗

1 試樣制備

國家標(biāo)準(zhǔn)和各行業(yè)土工試驗規(guī)程中都強調(diào)試樣的制備至關(guān)重要，規(guī)定取代表性風(fēng)干土樣并碾碎，全部過0.5 mm 篩，然后混合均勻，烘干后備用。

但是，這樣的試樣制備要求只控制了過篩試樣中土團直徑的最大值，而對過篩后小于0.5 mm 試樣中不同直徑（如0.5～0.25，0.25～0.074，<0.074 mm）土粒所占的比例是無法控制的，這就使得小于0.5 mm的試樣中各直徑土粒分布很容易受試驗人員備樣等人為因素的影響而產(chǎn)生很大的變化。在試驗中可以明顯觀察到，同是過0.5 mm 篩的試樣，因其“級配”不同（這里借用“級配”表示試樣不同土粒直徑的大小分布），即使試樣質(zhì)量相近，自由膨脹率卻可能相差很大。

2 試樣攪拌

現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對攪拌方法和攪拌次數(shù)的說明基本相同，都是上下攪拌10 次，只是在測記時間間隔和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)上存在一些差別。國家標(biāo)準(zhǔn)及各行業(yè)規(guī)程中的步驟說明和條文說明不同之處對比如下：

（1）土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123－1999)[1]：待懸液澄清后，開始每隔2 h 測記一次土面讀數(shù)（估讀至0.1 mL），直至2 次讀數(shù)差不超過0.2 mL 為止。該規(guī)范中未說明試樣是否需要或何時進行一定時間的浸泡。

（2）土工試驗操作規(guī)程(SL237－1999)[2]：靜置24 h，待懸液澄清后，開始每隔2 h 測記一次土面讀數(shù)（估讀至0.1 mL），直至6 h 內(nèi)2 次讀數(shù)差不超過0.2 mL 為止。規(guī)程中未說明試樣在攪拌前是否需要一定時間的浸泡。

（3）公路土工試驗規(guī)程(JTJ051－93)[3]：待試樣沉積后約每隔5 h，記錄一次試樣體積（估讀至0.1 mL），直至2 次讀數(shù)差不超過0.2 mL 為止。條文說明中強調(diào)了試樣在水中浸泡24 h 后再開始測試，但未說明浸泡是在攪拌前還是攪拌后進行。

可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對試驗步驟的說明不盡一致，而且有些說明較模糊。試樣是否浸泡、浸泡多久、浸泡是在攪拌之前還是之后進行，其自由膨脹率試驗結(jié)果是存在差異的。另外，因攪拌次數(shù)對試驗結(jié)果也有明顯的影響，試驗時對懸液只進行1 遍上下10 次的攪拌，懸液澄清后，取土面穩(wěn)定值作為土樣自由膨脹率計算的代表值，是否最合適？這是值得探討的問題 。

土樣自由膨脹率大小本質(zhì)上應(yīng)取決于土質(zhì)。土質(zhì)不同，其自由膨脹率存在差異是正常的。但對同一土樣來說，若試驗方法較完善，試驗結(jié)果應(yīng)不受人為因素影響而發(fā)生較大變化，其測定值應(yīng)是較穩(wěn)定的。由于按土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進行自由膨脹率試驗時，試樣的制備、攪拌等都對測試結(jié)果有顯著的影響，說明該項試驗方法還有待進一步改進和完善。

通過試樣制備和攪拌對自由膨脹率試驗結(jié)果影響的試驗研究發(fā)現(xiàn)，兩種因素都對試驗結(jié)果有較大的影響，但影響程度不同。試樣的制備對試驗結(jié)果的影響較為明顯，制備樣品的差異主要體現(xiàn)在其級配變化上。試樣級配受人為因素影響很大，若試樣制備不當(dāng)，很容易造成試驗結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，甚至?xí)霈F(xiàn)對土體脹縮性誤判的情況。若按國內(nèi)根據(jù)自由膨脹率的大小對膨脹土分類時所采用的界限值[8]，較合適的試樣級配如下：0.5～0.25 mm直徑土粒占40 %～60 %；0.25～0.074 mm 直徑土粒占 20 %～40 %；<0.074 mm 直徑土粒占20 %～40 %。浸泡和攪拌的不同對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響程度較試樣的級配對試驗結(jié)果的影響要小，而其影響的大小也是隨試樣級配不同而異，按國標(biāo)方法將懸液攪拌3 遍后的穩(wěn)定值作為自由膨脹率的標(biāo)準(zhǔn)值較合理。

為減少人為因素對試驗結(jié)果的影響，自由膨脹率試驗需要在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范操作步驟的基礎(chǔ)上進行補充和調(diào)整：試樣制備時將碾細的土樣倒入依次疊好的細篩（0.5，0.25，0.074 mm）中過篩，再將0.25，0.074 mm 篩上及底盤內(nèi)的土樣據(jù)前述建議的級配按比例混合均勻，烘干備用；攪拌時按國家標(biāo)準(zhǔn)將懸液攪拌3 遍（后兩次攪拌都待土面讀數(shù)穩(wěn)定后，再進行下一次攪拌）。

經(jīng)過上述補充和調(diào)整，可有效減少人為因素對試驗結(jié)果的影響，使試驗結(jié)果更穩(wěn)定，試驗資料具有可比性，從而有利于國內(nèi)同行之間的經(jīng)驗交流，并可為該項試驗的進一步標(biāo)準(zhǔn)化提供有益的參考 。2100433B

自由膨脹率是反映黏性土的膨脹性的指標(biāo)之一，它與黏土礦物成分、膠粒含量、化學(xué)成分和水溶液性質(zhì)等有著密切的關(guān)系。自由膨脹率試驗的目的是測定黏性土在無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹潛勢，初步評定黏土的脹縮性。由于試驗所需設(shè)備少，方法簡便，便于進行大量室內(nèi)試驗，自由膨脹率試驗與土的液塑限試驗相配合，可以得到比較滿意的膨脹土判別結(jié)果。國內(nèi)水利、鐵路、公路、建筑等部門在自由膨脹率試驗方面已積累了大量的試驗資料和豐富的實踐經(jīng)驗，現(xiàn)行的土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)和一些相關(guān)的行業(yè)和部門的土工試驗操作規(guī)程也對自由膨脹率試驗規(guī)定了較詳細、具體的試驗操作步驟和方法，為試驗結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性提供了一定的保證。但受多種因素的影響，將自由膨脹率試驗列入其操作規(guī)程之后，到現(xiàn)在為止，雖然其間指出了自由膨脹率試驗在某些方面存在的問題，并提出過不同的建議和方法，但土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)和一些相關(guān)行業(yè)的土工試驗操作規(guī)程對該項試驗一直未進行過修訂和補充。

經(jīng)過多年的實踐和研究發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)行土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中對自由膨脹率試驗中的一些操作步驟的說明還存在不足之處，很容易造成不同單位、不同試驗者對同一種土樣進行試驗時，所得自由膨脹率的結(jié)果不盡一致，甚至相差甚遠，導(dǎo)致對膨脹土的判別和評價失當(dāng)。

為使自由膨脹率試驗方法更完善，試驗結(jié)果能夠較好地反映黏性土的膨脹特性，并使不同單位、不同試驗者的試驗結(jié)果具有較好的可比性，對試驗方法進行適當(dāng)?shù)男薷暮脱a充說明是必要的。

影響自由膨脹率試驗結(jié)果的因素很多，除土質(zhì)等客觀因素之外，試驗操作方法等人為因素的影響也較大。由于受所掌握的資料和試驗研究內(nèi)容的限制，本文僅就試樣的制備和攪拌方法進行討論 。

為研究不同級配和攪拌次數(shù)對土樣自由膨脹率試驗結(jié)果的影響，考慮到國內(nèi)土工試驗標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程的實際情況及前人積累的豐富資料和經(jīng)驗，試驗在標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程所限定的條件下進行，所用儀器設(shè)備規(guī)格同《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，玻璃量筒容積為50 mL。試驗土樣為取自湖北的5 個膨脹土樣品。

按塑性圖分類，土樣基本上都屬于高液限黏土，與膨脹土在塑性圖中的位置一致。根據(jù)膨脹土的宏觀結(jié)構(gòu)特征土樣脹縮性相關(guān)的指標(biāo)綜合判別，1#和2#土樣為弱膨脹土，3#和 4#為中膨脹土，5#為強膨脹土。

1 不同級配試樣對試驗結(jié)果的影響

在進行自由膨脹率試驗備樣時，不同試驗者由于在力量大小、備樣工具以及操作方法等方面均存在一定的差異。因此，對同一種土樣、不同試驗者所制備的試樣，其級配不一定相同，即使是同一人、不同時間制備的試樣，其級配也不相同。這就使得所制備的試樣級配隨機性很大，在其他條件相同的情況下很容易導(dǎo)致自由膨脹率試驗結(jié)果可能相差較大的不合理現(xiàn)象。不同備樣人制備的試樣級配差異很大，其中C 與E 所制備的試樣級配相差最大，<0.074 mm 粒組的土粒含量最大相差近3.8 倍。

為研究試樣“級配”對自由膨脹率試驗結(jié)果的影響，對自由膨脹率試驗的試樣制備進行了如下調(diào)整，首先將土樣按土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)碾細，過0.5 mm篩；再將0.5 mm 篩下試樣過0.25 mm 及0.074 mm篩，將各級篩上及底盤內(nèi)試樣分別放置備用；將0.25～0.5，0.074～0.25，<0.074 mm 直徑的土樣烘干后按一定比例混合以獲取不同級配的試樣，然后進行不同級配試樣的自由膨脹率試驗。

由于試樣級配的不同，其10 mL 干土質(zhì)量和自由膨脹率都存在差異，差值的大小則隨土質(zhì)的不同而異。同一土樣自由膨脹率最大相差近14 倍，最小也相差近1.7 倍，差異很大自由膨脹率整體趨勢是隨干土質(zhì)量的增大而增大，但并非干土質(zhì)量最大，對應(yīng)自由膨脹率值也最大。自由膨脹率不是隨干土質(zhì)量的增大而單調(diào)增加。

人工制備試樣時，在機械外力的重復(fù)作用下，較大的黏粒土團不斷被碾碎，直徑逐漸變小，這一作用相當(dāng)于分散作用，土團直徑越小，分散程度越高。分散程度較高的土團在試樣中所占比例越大，同體積的干土在水中進一步分散的程度就越小，其自由膨脹率就相對較小。對同一土樣，不同備樣人或同一備樣人在不同時段所備樣時用力的大小、碾磨的次數(shù)都不相同，所制備試樣的級配也就不同，而級配的不同，勢必造成同體積干土的質(zhì)量存在差異，進而影響到自由膨脹率的大小。這是導(dǎo)致同一土樣在其他條件相同時，僅因備樣原因而造成自由膨脹率試驗結(jié)果出現(xiàn)較大差異的主要原因。

2 攪拌遍數(shù)對試驗結(jié)果的影響

為研究攪拌遍數(shù)對自由膨脹率試驗結(jié)果的影響，采用同一土樣、不同級配的6 個試樣，按國家標(biāo)準(zhǔn)的方法，將試樣倒入量筒內(nèi)，即用攪拌器上下攪拌懸液各10 次，用蒸餾水淋洗攪拌器和量筒壁至懸液達50 mL，待懸液澄清后，開始每隔2 h 測記一次土面讀數(shù)，直至2 次讀數(shù)差不超過0.2 mL 為止；然后，重復(fù)上述攪拌程序，測記每次的膨脹穩(wěn)定值。

不同攪拌遍數(shù)的試驗結(jié)果顯示，攪拌遍數(shù)對自由膨脹率的大小有明顯的影響。第2 遍攪拌與第1遍攪拌后的差值最大，差值的大小則隨試樣級配不同而異，自由膨脹率值最大相差17 %，最小相差7 %。這是由于試樣浸泡時間越長、攪拌次數(shù)越多，土粒在懸液中的分散程度越高，相應(yīng)的自由膨脹率值也就越高。若試樣未經(jīng)充分浸泡，一次攪拌還未能使土粒充分分散在懸液中，自由膨脹率值就相對較低。但經(jīng)過一次攪拌和膨脹穩(wěn)定的過程后，試樣相當(dāng)于已經(jīng)過了一定的攪拌和一定時間的浸泡，再進行第2 遍攪拌時，基本上可以到達土粒充分分散的效果，其自由膨脹率值相對就高。

雖然自由膨脹率有隨攪拌遍數(shù)的增加而逐漸最大的趨勢，從圖中可以明顯看出，攪拌第2 遍時出現(xiàn)明顯的拐點，攪拌第2 遍的結(jié)果與攪拌第6遍的結(jié)果已相差不大，從試驗時間和精度方面考慮，將第3 遍攪拌的測試結(jié)果作為最終的結(jié)果是合適的 。

備案信息

備案號：27685-2010

備案公告： 2010年第3號(總第123號)

測試儀器工具應(yīng)符合下列規(guī)定：1 百分表：量程10mm；2 百分表架：磁力表架；3 有機玻璃板：長140mm×寬80 mm×厚5 mm；4 試模板：100mm×100mm×100mm立方體試模的拼裝縫應(yīng)填入黃油，不得漏水；5 鏟勺：寬60mm，長160 mm；6鋼墊板：長250mm×寬250 mm×厚15 mm普通鋼板。

本試驗方法適用于自密實混凝土的豎向膨脹率的測定。