一种制备不同水饱和度的黏土特殊土试样的方法与流程

1.本发明涉及一种土工实验技术，具体涉及一种针对特殊土黏土的室内不同水饱和度(或含水率，含饱和)压实试样的制备方法。


背景技术：

2.土工常规的土样水饱和方法有毛细饱和法、水头饱和法和抽气饱和法。其中，毛细饱和法是直接将试样浸入水中，借助毛细管作用使试样饱和，该方法通常适用于渗透系数较大的土样；水头饱和法是借助水头差，使水在水力梯度的作用下从试样底部缓慢渗入试样，对于低渗透系数的土样饱和周期很长；抽气饱和法是实验室内常用的方法，借助真空技术排出试样孔隙中的空气，再自试样底部开始缓慢注水使试样饱和。
3.在对特殊土，特别是蒙脱石黏土矿物含量比较高的黏土压实试样进行水饱和时，以上现有的土工试样饱和方法都不理想——毛细管饱和法不适用低渗透性黏土；水头饱和法周期太长严重影响试验效率；抽气饱和法在迅速抽气注水的过程中会引起高压实膨润土膨胀力发展迅速，造成土样遇水后黏土颗粒吸水形成的絮凝胶凝体从饱和器接缝处中散失，甚至因膨胀程度高会破坏饱和器(如图1)。
4.同时，在土工实验中，当制备设计饱和度(或含水率)的土样时，通常的做法是向土粉末中喷水，在保水环境(塑料袋或恒湿箱)中保持一定时间均化湿润，以制得目标水饱和度(或含水率)的土，然后再加工成压实试样。黏土作为一种特殊土，具有渗透性低，遇水膨胀和黏土矿物颗粒容易聚团的特点，应用上述润湿方法，在制备过程中会存在以下问题：一是黏土粉末粒度小扬尘比较严重，土也会有一定量的损失；二是由于土中自身黏土矿物的性质使得喷洒了水的土颗粒之间润湿均匀过程缓慢，需要时间较长，且润湿均匀度并不理想(如图2，使用保水润湿法制得的含水率为15％和28％的压实黏土膨润土试样；其中，左边三个试样含水率为28％，可视见试样中水的不均匀分布；右边三个试样含水率为15％；可见左端试样润湿的不均匀)；三是由于试验设备台套数量有限，测试需要一定时间，对于一批次和多批次润湿土，开展试验时土样的初始饱和度(含水率)有偏差，给试验结果的比对和分析处理带来一定影响。无论制备低含水率还是高含水率，甚至饱和的黏土压实试样，现阶段岩土工程界都缺少一个快速、有效、方便易行的制备方法。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种快速便捷并且比较精准的制备不同水饱和度(含水率)黏土压实试样的方法。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
7.一种制备不同水饱和度的黏土特殊土试样的方法，先以亲水硅酸盐材料为载体，加入水经搅拌机高速搅拌使所述亲水硅酸盐材料均匀包覆在小水颗粒表面，形成含水微小固态颗粒固态水粉末；然后将所述固态水粉末加入黏土中经搅拌机高速搅拌均匀，再通过压力将均匀分散在黏土中的固态水粉末内部的水颗粒压裂，从而实现水在黏土试样中均匀
分布，制得黏土特殊土试样。
8.进一步地，所述制备不同水饱和度的黏土特殊土试样的方法具体包括以下步骤：
9.步骤一，将白炭黑粉末与蒸馏水(纯水)以1：10的质量比混合置于搅拌机中，使搅拌机在不低于20000转/分钟的转速下搅拌2分钟，搅拌完成后，初始分层的水和白炭黑粉末混合成固态水粉末，所述固态水粉末是包覆了水颗粒的白炭黑粉末；再将预制得到的白色固态水粉末全部收集到封口玻璃罐中，将罐口封紧，置于避光阴凉处备用；
10.步骤二，首先，根据设计的黏土试样的水饱和度s
r
(或含水率w)，计算质量为m的膨润土粉末中需要加入的水的质量m
w
′
，本过程需要用到的公式如下：
11.水饱和度
12.孔隙比
13.含水率
14.上述式(1)～式(3)中，w为所需制备的黏土试样的含水率(％)，g
s
为膨润土黏土的干土颗粒比重，ρ
s
为膨润土黏土的颗粒密度(g/cm3)，ρ
d
为试样干密度(g/cm3)，m
w
为实际制得的试样中水的质量，m
s
为膨润土的干土颗粒质量(g)；
15.由式(1)和式(2)得，
16.整理式(4)得，
17.由式(3)得，其中，m
w0
为膨润土中天然含有的水的质量(g)，
18.整理上式得到，需要加入的水的质量m
w
′
＝w
·
m
s
‑
m
w0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
19.然后，根据需要加入的水的质量m
w
′
，计算可提供水的固态水粉末的质量m
dw
；由于所述固态水粉末是由白炭黑粉末与蒸馏水(纯水)以1：10的质量比混合，因此所述固态水粉末的含水率w
dw
为1000％；
20.根据式(3)得，固态水粉末的质量
[0021][0022]
上述式(7)中，m
s
′
为制备固态水粉末需要加入的白炭黑粉末的质量(g)；
[0023]
最后，分别称取质量为m的黏土粉末和m
dw
的固态水粉末，将二者充分混合均匀；再按照常规制备压实土样的方法在万能试验机上，以高于40kpa的压力压制土样，即得到所需制备的水饱和度(或含水率)的压实土样。
[0024]
本发明的有益效果：
[0025]
本发明的制备不同水饱和度的黏土特殊土试样的方法快速、便捷、误差小，能够精
准的制备不同水饱和度黏土压实试样。采用该方法制得的黏土压实试样含水均匀，且不易出现黏土颗粒润湿黏聚的情况。
附图说明
[0026]
图1为采用现有技术制备试样导致的装置损坏的试验结果图。
[0027]
图2为采用现有技术制备的试样的润湿均匀度效果展示图。
[0028]
图3为本发明的制备方法制得的试样的效果展示图。
具体实施方式
[0029]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
[0030]
本发明的一种制备不同水饱和度的黏土特殊土试样的方法，具体包括以下两个步骤。
[0031]
步骤一，制备固态水粉末，将白炭黑粉末与蒸馏水(纯水)以1：10的质量比混合置于搅拌机中，使搅拌机在不低于20000转/分钟的转速下搅拌2分钟，搅拌完成后，初始分层的水和白炭黑粉末混合成固态水粉末，所述固态水粉末是包覆了水颗粒的白炭黑粉末；再将预制得到的白色固态水粉末全部收集到封口玻璃罐中，将罐口封紧，置于避光阴凉处备用。
[0032]
步骤二，首先，制备黏土压实试样，根据设计的黏土试样的水饱和度s
r
(或含水率w)，计算质量为m的膨润土黏土粉末中需要加入的水的质量m
w
′
，本过程需要用到的公式如下：
[0033]
水饱和度
[0034]
孔隙比
[0035]
含水率
[0036]
上述式(1)～式(3)中，w为所需制备的黏土试样的含水率(％)，g
s
为膨润土黏土的干土颗粒比重，ρ
s
为膨润土黏土的颗粒密度(g/cm3)，ρ
d
为试样干密度(g/cm3)，m
w
为实际制得的试样中水的质量，m
s
为膨润土的干土颗粒质量(g)；
[0037]
由式(1)和式(2)得，
[0038]
整理式(4)得，
[0039]
由式(3)得，其中，m
w0
为膨润土中天然含有的水的质量(g)，
[0040]
整理上式得到，需要加入的水的质量m
w
′
＝w
·
m
s
‑
m
w0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0041]
然后，根据需要加入的水的质量m
w
′
，计算可提供水的固态水粉末的质量m
dw
；由于所述固态水粉末是由白炭黑粉末与蒸馏水(纯水)以1：10的质量比混合，因此所述固态水粉末的含水率w
dw
为1000％；
[0042]
根据式(3)得出，固态水粉末的质量
[0043]
最后，分别称取质量为m的黏土粉末和m
dw
的固态水粉末，将二者充分混合均匀；再按照常规制备压实土样的方法在万能试验机上，以45kpa的压力压制土样，即得到所需制备的水饱和度(或含水率)的压实土样。
[0044]
实施例1固态水粉末的制备
[0045]
按照步骤一，将白炭黑粉末与蒸馏水(纯水)以1：10的质量比混合置于搅拌机中，控制搅拌机在20000转/分钟的转速下搅拌2分钟，搅拌完成后，初始分层的水和白炭黑粉末均匀混合成包覆了水颗粒的白炭黑粉末，即制得含水率w
dw
为1000％的固态水粉末，然后将制得的固态水粉末置于玻璃封口瓶中备用。
[0046]
实施例2水饱和度为80％的黏土试样制备
[0047]
2.1本实施例中制备所用黏土的天然含水率w0为9％，比重g
s
为2.57；欲制得的压实黏土试样的干密度ρ
d
为1.5g/cm3，直径为61.8mm，高度为40mm。
[0048]
2.2以下为制备水饱和度为80％的压实黏土试样的详细操作步骤。
[0049]
2.2.1首先，按照步骤二中的公式(1)～(6)计算配置水饱和度为80％时需要加入的水的质量。计算过程如下，
[0050]
压实试样的含水率为
[0051]
试样中干土质量为m
s
＝ρ
d
·
v＝1.5g/cm3×
π
×
30.92×
40
×
10
‑3cm3＝180g
[0052]
制样需要的膨润土质量为
[0053]
m＝m
w0
m
s
＝m
s
×
w0 m
s
＝m
s
(1 w0)＝180
×
(1 9％)＝196.2g
[0054]
需要加入水的质量为m
w
′
＝w
·
m
s
‑
m
w0
＝22.2％
×
180g
‑
9％
×
180g＝23.76g
[0055]
2.2.2然后，计算配置水饱和度为80％时需要加入的固态水粉末的质量。计算过程如下，
[0056][0057]
2.2.3接下来，分别称取196.20g膨润土和26.14g上述实施例1中预制得到的固态水粉末，充分混合均匀。
[0058]
2.2.4最后，将上述膨润土和固态水粉末的混合物倒入制样模具中，按照土工标准压实制样方法，在万能试验机上压制得到干密度为1.5g/cm3，饱和度为80％的膨润土试样。
[0059]
2.3复核
[0060]
由于在上述步骤一的配置固态水粉末的过程中，引入了白炭黑粉末，因此需复核已制得的膨润土压实试样的含水率或水饱和度。计算复核结果如下，
[0061][0062][0063]
上述实验室复核采用实验室的土工含水率测试方法，测得膨润土试样的含水率为21.9％；测得膨润土试样的水饱和度为78.9％。可以看出，计算和实测值相符，制备试样的含水率和饱和度与计划值的差额在实验误差允许范围内。
[0064]
实施例3水饱和度为100％的黏土试样制备
[0065]
3.1本实施例中制备所用黏土的天然含水率w0为9％，比重g
s
为2.57；欲制得的压实黏土试样的干密度ρ
d
为1.5g/cm3，直径为39.1mm，高度为80mm。
[0066]
3.2以下为制备水饱和度为100％的压实黏土试样的详细操作步骤。
[0067]
3.2.1首先，按照步骤二中的公式(1)～(6)计算配置水饱和度为100％时需要加入的水的质量。计算过程如下，
[0068]
压实试样的含水率为
[0069]
试样中干土质量为m
s
＝ρ
d
·
v＝1.5g/cm3×
π
×
19.552×
80
×
10
‑3cm3＝144.1g
[0070]
制样需要的膨润土质量为m＝m
w0
m
s
＝m
s
(1 w0)＝144.1
×
(1 9％)＝157.1g
[0071]
需要加入的水的质量为m
w
′
＝w
·
m
s
‑
m
w0
＝27.8％
×
144.1g
‑
9％
×
144.1g＝27.1g
[0072]
3.2.2然后，计算配置水饱和度为100％时需要加入的固态水粉末的质量，计算过程为，
[0073][0074]
3.2.3接下来，分别称取157.1g膨润土和29.81g上述实施例1中预制得到的固态水粉末，充分混合均匀。
[0075]
3.2.4最后，将上述膨润土和固态水粉末的混合物倒入制样模具中，按照土工标准压实制样方法，在万能试验机上压制得到干密度为1.5g/cm3，饱和度为100％的膨润土三轴试验试样。
[0076]
3.3复核
[0077]
通过计算得复核结果如下，
[0078][0079][0080]
上述实验室复核采用实验室的土工含水率测试方法，测得膨润土试样的含水率为27.3％；膨润土试样的水饱和度为98.4％。可以看出，计算和实测值基本相符，制备试样的含水率和饱和度与计划值的差值在实验误差允许范围内。
[0081]
图3为应用本发明的制备不同水饱和度的黏土特殊土试样的方法，采用黏土粉末和预制得到的固态水粉末均匀混合后压实制得的试样，图中从左向右试样的水饱和度(s
r
)
依次为33％，80％和100％。由图3可知，采用本发明的制备方法制得的膨润土试样水润湿均匀，且未发现黏土颗粒润湿黏聚的现象。
[0082]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。