膨脹率試驗(yàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)步驟存在的問(wèn)題

1 試樣制備

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和各行業(yè)土工試驗(yàn)規(guī)程中都強(qiáng)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(guò)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(guò)篩試樣中土團(tuán)直徑的最大值，而對(duì)過(guò)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(wú)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(yàn)人員備樣等人為因素的影響而產(chǎn)生很大的變化。在試驗(yàn)中可以明顯觀察到，同是過(guò)0.5 mm 篩的試樣，因其“級(jí)配”不同（這里借用“級(jí)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(duì)攪拌方法和攪拌次數(shù)的說(shuō)明基本相同，都是上下攪拌10 次，只是在測(cè)記時(shí)間間隔和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)上存在一些差別。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及各行業(yè)規(guī)程中的步驟說(shuō)明和條文說(shuō)明不同之處對(duì)比如下：

（1）土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123－1999)[1]：待懸液澄清后，開(kāi)始每隔2 h 測(cè)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(guò)0.2 mL 為止。該規(guī)范中未說(shuō)明試樣是否需要或何時(shí)進(jìn)行一定時(shí)間的浸泡。

（2）土工試驗(yàn)操作規(guī)程(SL237－1999)[2]：靜置24 h，待懸液澄清后，開(kāi)始每隔2 h 測(cè)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(guò)0.2 mL 為止。規(guī)程中未說(shuō)明試樣在攪拌前是否需要一定時(shí)間的浸泡。

（3）公路土工試驗(yàn)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(guò)0.2 mL 為止。條文說(shuō)明中強(qiáng)調(diào)了試樣在水中浸泡24 h 后再開(kāi)始測(cè)試，但未說(shuō)明浸泡是在攪拌前還是攪拌后進(jìn)行。

可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對(duì)試驗(yàn)步驟的說(shuō)明不盡一致，而且有些說(shuō)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(jìn)行，其自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果是存在差異的。另外，因攪拌次數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有明顯的影響，試驗(yàn)時(shí)對(duì)懸液只進(jìn)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(jì)算的代表值，是否最合適？這是值得探討的問(wèn)題 。

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(yàn)的目的是測(cè)定黏性土在無(wú)結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹潛勢(shì)，初步評(píng)定黏土的脹縮性。由于試驗(yàn)所需設(shè)備少，方法簡(jiǎn)便，便于進(jìn)行大量室內(nèi)試驗(yàn)，自由膨脹率試驗(yàn)與土的液塑限試驗(yàn)相配合，可以得到比較滿(mǎn)意的膨脹土判別結(jié)果。國(guó)內(nèi)水利、鐵路、公路、建筑等部門(mén)在自由膨脹率試驗(yàn)方面已積累了大量的試驗(yàn)資料和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)行的土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和一些相關(guān)的行業(yè)和部門(mén)的土工試驗(yàn)操作規(guī)程也對(duì)自由膨脹率試驗(yàn)規(guī)定了較詳細(xì)、具體的試驗(yàn)操作步驟和方法，為試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)在某些方面存在的問(wèn)題，并提出過(guò)不同的建議和方法，但土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和一些相關(guān)行業(yè)的土工試驗(yàn)操作規(guī)程對(duì)該項(xiàng)試驗(yàn)一直未進(jìn)行過(guò)修訂和補(bǔ)充。

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和研究發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)行土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中對(duì)自由膨脹率試驗(yàn)中的一些操作步驟的說(shuō)明還存在不足之處，很容易造成不同單位、不同試驗(yàn)者對(duì)同一種土樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，所得自由膨脹率的結(jié)果不盡一致，甚至相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致對(duì)膨脹土的判別和評(píng)價(jià)失當(dāng)。

為使自由膨脹率試驗(yàn)方法更完善，試驗(yàn)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(yàn)者的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的可比性，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮脱a(bǔ)充說(shuō)明是必要的。

影響自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果的因素很多，除土質(zhì)等客觀因素之外，試驗(yàn)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(yàn)研究?jī)?nèi)容的限制，本文僅就試樣的制備和攪拌方法進(jìn)行討論 。

為研究不同級(jí)配和攪拌次數(shù)對(duì)土樣自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果的影響，考慮到國(guó)內(nèi)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程的實(shí)際情況及前人積累的豐富資料和經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程所限定的條件下進(jìn)行，所用儀器設(shè)備規(guī)格同《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，玻璃量筒容積為50 mL。試驗(yàn)土樣為取自湖北的5 個(gè)膨脹土樣品。

按塑性圖分類(lèi)，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(qiáng)膨脹土。

1 不同級(jí)配試樣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

在進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)備樣時(shí)，不同試驗(yàn)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(duì)同一種土樣、不同試驗(yàn)者所制備的試樣，其級(jí)配不一定相同，即使是同一人、不同時(shí)間制備的試樣，其級(jí)配也不相同。這就使得所制備的試樣級(jí)配隨機(jī)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(yàn)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(jí)配差異很大，其中C 與E 所制備的試樣級(jí)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(jí)配”對(duì)自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)自由膨脹率試驗(yàn)的試樣制備進(jìn)行了如下調(diào)整，首先將土樣按土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)碾細(xì)，過(guò)0.5 mm篩；再將0.5 mm 篩下試樣過(guò)0.25 mm 及0.074 mm篩，將各級(jí)篩上及底盤(pán)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(jí)配的試樣，然后進(jìn)行不同級(jí)配試樣的自由膨脹率試驗(yàn)。

由于試樣級(jí)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(shì)是隨干土質(zhì)量的增大而增大，但并非干土質(zhì)量最大，對(duì)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(shí)，在機(jī)械外力的重復(fù)作用下，較大的黏粒土團(tuán)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(tuán)直徑越小，分散程度越高。分散程度較高的土團(tuán)在試樣中所占比例越大，同體積的干土在水中進(jìn)一步分散的程度就越小，其自由膨脹率就相對(duì)較小。對(duì)同一土樣，不同備樣人或同一備樣人在不同時(shí)段所備樣時(shí)用力的大小、碾磨的次數(shù)都不相同，所制備試樣的級(jí)配也就不同，而級(jí)配的不同，勢(shì)必造成同體積干土的質(zhì)量存在差異，進(jìn)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(shí)，僅因備樣原因而造成自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大差異的主要原因。

2 攪拌遍數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

為研究攪拌遍數(shù)對(duì)自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用同一土樣、不同級(jí)配的6 個(gè)試樣，按國(guó)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(dá)50 mL，待懸液澄清后，開(kāi)始每隔2 h 測(cè)記一次土面讀數(shù)，直至2 次讀數(shù)差不超過(guò)0.2 mL 為止；然后，重復(fù)上述攪拌程序，測(cè)記每次的膨脹穩(wěn)定值。

不同攪拌遍數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，攪拌遍數(shù)對(duì)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(jí)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(shí)間越長(zhǎng)、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(duì)較低。但經(jīng)過(guò)一次攪拌和膨脹穩(wěn)定的過(guò)程后，試樣相當(dāng)于已經(jīng)過(guò)了一定的攪拌和一定時(shí)間的浸泡，再進(jìn)行第2 遍攪拌時(shí)，基本上可以到達(dá)土粒充分分散的效果，其自由膨脹率值相對(duì)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(shì)，從圖中可以明顯看出，攪拌第2 遍時(shí)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，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(yàn)時(shí)間和精度方面考慮，將第3 遍攪拌的測(cè)試結(jié)果作為最終的結(jié)果是合適的 。

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(duì)同一土樣來(lái)說(shuō)，若試驗(yàn)方法較完善，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)不受人為因素影響而發(fā)生較大變化，其測(cè)定值應(yīng)是較穩(wěn)定的。由于按土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)時(shí)，試樣的制備、攪拌等都對(duì)測(cè)試結(jié)果有顯著的影響，說(shuō)明該項(xiàng)試驗(yàn)方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

通過(guò)試樣制備和攪拌對(duì)自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果影響的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，兩種因素都對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大的影響，但影響程度不同。試樣的制備對(duì)試驗(yàn)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(jí)配變化上。試樣級(jí)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(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，甚至?xí)霈F(xiàn)對(duì)土體脹縮性誤判的情況。若按國(guó)內(nèi)根據(jù)自由膨脹率的大小對(duì)膨脹土分類(lèi)時(shí)所采用的界限值[8]，較合適的試樣級(jí)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響程度較試樣的級(jí)配對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響要小，而其影響的大小也是隨試樣級(jí)配不同而異，按國(guó)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，自由膨脹率試驗(yàn)需要在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范操作步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整：試樣制備時(shí)將碾細(xì)的土樣倒入依次疊好的細(xì)篩（0.5，0.25，0.074 mm）中過(guò)篩，再將0.25，0.074 mm 篩上及底盤(pán)內(nèi)的土樣據(jù)前述建議的級(jí)配按比例混合均勻，烘干備用；攪拌時(shí)按國(guó)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(jìn)行下一次攪拌）。

經(jīng)過(guò)上述補(bǔ)充和調(diào)整，可有效減少人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，使試驗(yàn)結(jié)果更穩(wěn)定，試驗(yàn)資料具有可比性，從而有利于國(guó)內(nèi)同行之間的經(jīng)驗(yàn)交流，并可為該項(xiàng)試驗(yàn)的進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化提供有益的參考 。2100433B

備案信息

備案號(hào)：27685-2010

備案公告： 2010年第3號(hào)(總第123號(hào))

測(cè)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(jī)玻璃板：長(zhǎng)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(zhǎng)160 mm；6鋼墊板：長(zhǎng)250mm×寬250 mm×厚15 mm普通鋼板。

本試驗(yàn)方法適用于自密實(shí)混凝土的豎向膨脹率的測(cè)定。