黏土液塑性隨礦物成份的變化規律

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，按不同質量比例混合來進行液塑限測定試驗。大量試驗結果對比表明：（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??；（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地位?；谠囼灲Y果，總結出各黏土礦物成份影響的液限與塑限的非線性表達式。此外，根據塑性圖將試驗土樣的進行了分類，討論了礦物成分及其含量對土樣所屬類別的影響。

關鍵詞：高嶺土；伊利土；蒙脫石；液限；塑限；塑性指數

中圖分類號：TU47文獻標識碼：A

土體含水量的大小對其工程性質有著很大的影響，為了研究土體在不同含水量下的物理力學性質，Atterberg[1]將土體分為以下四種狀態：固態、半固態、可塑狀態、流動狀態，之后Casagrande[2]將其分類方法做了進一步的細化。由于黏土的含水量都比較高，所以對黏土來說，半固態、可塑狀態和流動狀態是比較重要的三個狀態，因此它們的界限狀態，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、綠泥石等礦物是構成黏土中黏粒的主要成分，其顆粒極細，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關系；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等的研究結論相反；Polidori通過分析六種非有機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，進一步揭示塑性、液限、塑限指數隨礦物成份含量的變化規律。

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購買的黏土礦物粉末制備而成，其具體的參數見表1。

試驗的開展參照我國《土工試驗規程》中的液塑限實驗（SL237-003-1999）。實驗儀器為光電式數顯液塑限聯合測定儀（圓錐：錐質量76g，錐角300）。試驗中將土樣按不同的含水量調配均勻，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果

首先針對單一礦物制備而成的土樣進行液塑限試驗。表2為三種黏土土樣的液塑限指標。從試驗結果可以得出：（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：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行液塑限試驗。表2為各混合方案中礦物成份及其質量比例的詳細數據。

2 試驗結果分析

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?，可應用非線性插值函數來描述此關系：

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?；诖?，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量百分比，β為蒙脫石含量的指數?；谠囼灲Y果，應用最小方差控制原則可取β=1.0為蒙脫石含量的指數。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來表達，各基本礦物成份相關的參數值總結于表3，具有一定的實用價值。

2.3 塑性指數 IP與塑性圖

塑性指數IP

綜合上述試驗結果，可以進一步分析不同礦物混合土樣的塑性指數IP，根據塑性指數IP與液限、塑限的關系：

我們可以知道當土體的液限與塑限都確定時，它的塑性指數也就隨之確定。根據前面的試驗結果和理論結果得到不同礦物混合土樣的塑性指數的試驗值和理論值隨礦物含量的變化關系，如圖6。通過圖6（a）（b）我們可以發現不同礦物混合土樣的塑性指數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表達，并基于試驗結果確定了各基本礦物成份相關的參數值，具有實用價值。（5）根據塑性圖將試驗土樣的進行了分類，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，有一定的實際應用價值。

參考文獻：

[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.