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一种黑棉土电渗试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种黑棉土电渗试验装置及试验方法，所述试验装置包括盛土箱、阳极箱、阴极箱和电源；所述试验方法包括：(a)将黑棉土配料、焖料后计算所需土样，压缩土样至设定高度；(b)分别将电渗液和水注入阳极箱和阴极箱，保持液面与土样顶面齐平；(c)阳极箱放入第一石墨电极，阴极箱放入第二石墨电极，接通电源电渗；(d)关闭电源，压缩土样至设定高度；(e)注水入阳极箱和阴极箱，液面与土样顶面保持齐平，间隔侧记千分表读数，直至土样不再膨胀；(f)将土样压缩至设定高度，获取膨胀力。本发明的装置可有效获取不同浓度阳离子溶液电渗处治后的黑棉土，结合膨胀率和膨胀力对电渗处治效果进行评价；操作简单，易于实现。

Description

一种黑棉土电渗试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及黑棉土处治方法领域，具体涉及一种黑棉土电渗试验装置及试验方法。
背景技术
黑棉土是由膨胀性粘土矿物蒙脱石、伊利石等组成的，具有胀缩性、超固结性、多裂隙性以及强度衰减特性的一类特殊粘性土。黑棉土吸水体积增大而产生膨胀，可使建筑在土基上的道路或其它建筑物产生隆起等变形破坏。如果土体在吸水膨胀时受到外部约束的限制，阻止其膨胀，此时则在土中产生一种内应力，即为膨胀力或称膨胀压力。与土体吸水膨胀相反，倘若土体失水，其体积随之减小而产生收缩，并伴随土体开裂。
由于黑棉土被认为是一种强膨胀土，所以可以用膨胀土的膨胀理论来解释黑棉土胀缩变形机理。膨胀机理主要有晶格扩展理论和双电层理论。由于黑棉土含有较多的蒙脱石矿物，蒙脱石具有明显的膨胀晶格，晶格之间由联接力很弱的弱键连接，极性水分子很容易进入到晶格之间，引起晶格膨胀。由于晶格内部的硅离子已被铝离子取代，而铝离子又易被镁、铁离子取代，这些取代后的离子易于氧离子形成联接力较弱离子键，极性水分子易进入晶层之间而形成双电层，引起晶层膨胀。
黑棉土问题可以通过以下工程措施进行控制：
(1)通过化学处治改变黑棉土的物理力学特性；
(2)通过防渗膜隔离黑棉土以阻止土中含水率变化；
(3)土体加固(纤维)以抗衡膨胀力；
(4)在黑棉土和结构间使用适当厚度的粘性非黑棉土(CNS)层，当结构下黑棉土厚度减少，膨胀率随之减少。
常用的黑棉土处治方法为黑棉土地基换填，无机结合料改良，高路堤黑棉土包边处治。传统方法处治黑棉土可以取得较好的处治效果。但是传统无机结合料处治需要现场取土进行掺拌，工艺复杂，且需要大量的机械和人力。电渗法可以很好地解决这类问题，电渗法施工方便，机械设备使用较少，具有处理面积大的优点。但目前尚缺少电渗法处治黑棉土的相关试验装置和试验方法。
发明内容
发明目的：本发明提出一种黑棉土电渗试验装置，能够解决黑棉土使用电渗处治时的稳定效果评价问题。
本发明的另一目的是提出一种基于上述黑棉土电渗试验装置的试验方法。
技术方案：本发明的一种黑棉土电渗试验装置，包括一种黑棉土电渗试验装置，包括盛土箱、设置于盛土箱两侧的阳极箱和阴极箱、电源；所述盛土箱呈圆柱状且侧壁间隔设置有孔洞，所述盛土箱内放置土样，所述土样上放置有加载板，所述加载板的活塞中心通过加载杆连接有千分表；所述阳极箱底部通过第一管路连接有溶液槽，所述溶液槽内放置有电渗液，所述第一管路上设置有第一止水夹；所述阴极箱底部通过第二管路连接有水槽，所述第二管路上设置有第二止水夹；所述阳极箱侧壁放置有第一石墨电极，所述阴极箱侧壁放置有第二石墨电极，所述第一石墨电极连接电源正极，所述第二石墨电极连接电源负极。
其中，所述电渗液的阳离子为Ca2+和K+；进一步的，所述电渗液选自CaCl2和KCl的混合溶液或Ca(OH)2和KOH的混合溶液；更进一步的，所述Ca2+和K+的浓度为0.5％～1.0％。
其中，所述电源为直流电源，其电压为30V。
本发明的一种使用上述黑棉土电渗试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：(a)将黑棉土过筛，确定的最佳含水量，配料、焖料后计算所需土样，将土样装入盛土箱，使用加载板压缩土样至设定高度；(b)打开第一止水夹和第二止水夹，分别将电渗液和水注入阳极箱和阴极箱，保持液面与土样顶面齐平；(c)在阳极箱侧壁放置第一石墨电极，阴极箱侧壁放入第二石墨电极，接通电源，进行电渗；(d)关闭电源，取下第一管路和第二管路，使电渗液和水溢流出阳极箱和阴极箱，使用加载板压缩土样至设定高度；(e)对准加载板的活塞中心安装千分表，并记录读数；再安装好第一管路和第二管路，关闭第一止水夹和第二止水夹；然后注水入阳极箱和阴极箱，液面与土样顶面保持齐平，记下开始注水时间，间隔侧记千分表读数，直至土样不再膨胀为止；(f)通过加载板对土样施加压力，直至土样被压缩至设定高度，获取黑棉土的膨胀力。
其中，所述步骤(c)电渗过程中定期更换阳极箱和阴极箱中的电渗液和水。
其中，所述步骤(e)根据千分表的读数确定土样膨胀后高度与原高度，两者比值确定黑棉土膨胀稳定后的膨胀率。
有益效果：本发明的试验装置可有效获取不同浓度阳离子溶液电渗处治后的黑棉土，结合黑棉土的膨胀率和膨胀力等试验，对黑棉土的电渗处治效果进行了有效评价；本发明的试验方法操作简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明的黑棉土电渗试验装置的示意图；
图2是图1沿A-A方向的剖面图；
图3是本发明的盛土箱箱体的孔洞布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的黑棉土电渗试验装置，包括盛土箱6、放置于盛土箱6两侧的阳极箱5和阴极箱8；盛土箱6呈圆柱状且侧壁间隔设置有直径1mm的孔洞，盛土箱6内放置土样7，土样7上放置有加载板12，加载板12的活塞中心通过加载杆13连接有千分表14；阳极箱5底部通过第一管路2连接有溶液槽1，溶液槽1内放置有电渗液，第一管路2上设有第一止水夹3；阴极箱8底部通过第二管路10连接有水槽11，第二管路10上设有第二止水夹16；阳极箱5侧壁放置有第一石墨电极4连接电源15正极，阴极箱8侧壁放置有第二石墨电极9连接电源15负极。
实施例1
本发明的试验装置尺寸可以根据实际需要确定，本实施例所采用的盛土箱尺寸为：内径58mm、高35mm、壁厚2mm，盛土箱上的孔洞为圆形，直径为1mm，孔的圆心间距为1.5mm；阳极箱和阴极箱的内部尺寸为：长50～82mm、宽58mm、高35mm。本实施例提供的黑棉土采集于肯尼亚内罗毕南环线，作为测试土样，其塑性指数为28.9％；自由膨胀率为53％；有效蒙脱石含量为23.62％；比表面积为154.76m2/g。采用曲永新提出的双指标判别体系的宏观、微观4个指标进行判断，内罗毕黑棉土为中强膨胀土。通过湿法重型击实试验确定肯尼亚内罗毕黑棉土的最佳含水量为20.5％，最大干密度为1.502g/cm3，以最佳含水量制备黑棉土试样，然后压入盛土箱内，固结稳定后进行电渗试验。具体包括以下操作步骤：
(a)将黑棉土置于烘箱中，105℃下干燥至少12小时，待黑棉土完全干燥、冷却后过40目筛，称筛余黑棉土每组3kg备用；以黑棉土塑限为中值，以含水量间隔3％配置黑棉土湿土样共5组，焖料24小时后，采用重型击实法确定黑棉土的最佳含水量和最大干密度；按黑棉土的最大干密度计算所需土样，按最佳含水量加入水，焖料24小时后，使用加载板压入盛土箱至20mm厚；
(b)打开第一止水夹3和第二止水夹16，将浓度0.5％CaCl2的电渗液注入到阳极箱5，将水注入阴极箱8，液面与土样顶面保持齐平；
(c)在阳极箱5中放入第一石墨电极4连接电源15正极，阴极箱8中放入第二石墨电极9连接电源15负极，接通电压为30V的直流电源，电渗10天，电渗过程中每天更换阳极箱5和阴极箱8中的阳离子溶液和水；
(d)关闭电源，取下第一管路2和第二管路10，使电渗液和水溢流出阳极箱5和阴极箱8，使用加载板12压缩土样7至20mm厚；
(e)将加载板12置于土样7顶面上，对准活塞中心装好千分表，并记录千分表读数；接着安装好第一管路2和第二管路10，关闭第一止水夹3和第二止水夹16，注水入阳极箱5和阴极箱8，液面与土样顶面保持齐平，记下开始注水时间，按5min、10min、20min、30min、1h、2h、3h、24h及以后每隔24h侧记千分表读数，直至试样不再膨胀为止；
(f)通过加载板12对黑棉土土样施加压力，直至土样高度被压缩至20mm，获取黑棉土的膨胀力。
实施例2
采用与实施例1相同的黑棉土、试验装置和试验方法进行试验，不同的是阳极箱5的电渗液为浓度0.5％KCl溶液。
实施例3
采用与实施例1相同的黑棉土、试验装置和试验方法进行试验，不同的是阳极箱5的电渗液为浓度1.0％的Ca(OH)2溶液。
实施例4
采用与实施例1相同的黑棉土、试验装置和试验方法进行试验，不同的是阳极箱5的电渗液为浓度1.0％的KOH溶液。
实施例5
采用与实施例1相同的黑棉土、试验装置和试验方法进行试验，不同的是阳极箱5的电渗液为浓度0.5％CaCl2和浓度0.5％KCl的混合溶液。
实施例6
采用与实施例1相同的黑棉土、试验装置和试验方法进行试验，不同的是阳极箱5的电渗液为浓度1.0％的Ca(OH)2和浓度1.0％的KOH混合溶液。
对比例
取未经过电渗处治的黑棉土作为参考土样。
对实施例1至6所测得的数据进行计算，得电渗后土样的膨胀率和膨胀力，具体结果见表1。
表1电渗处治后黑棉土的膨胀率和膨胀力
类型 膨胀率/％ 膨胀力/kPa
对比例 未处治黑棉土 12 450
实施例1 0.5％CaCl<sub>2</sub>电渗液 2.5 236
实施例2 0.5％KCl电渗液 0.52 35
实施例3 1.0％的Ca(OH)<sub>2</sub>电渗液 3.0 128
实施例4 1.0％的KOH电渗液 0.28 18
实施例5 0.5％CaCl<sub>2</sub>+0.5％KCl电渗液 0.45 27
实施例6 1.0％Ca(OH)<sub>2</sub>+1.0％KOH电渗液 0.16 12
表1中，按照下式计算任一时间电渗后黑棉土的无荷膨胀率：
Figure BDA0002176795800000041
ΔH＝Rt-R0
式中：δe为时间t时土的膨胀率(％)；ΔH为时间t时试样膨胀的增量(mm)；H0为试样起始高度(mm)；Rt为时间t时百分表读数(mm)；R0为试验开始时百分表读数(mm)。
表1中，黑棉土土样自由膨胀后，被压缩至20mm高度时的压力即为所测黑棉土的膨胀力。
从表1可以看出，经电渗处治黑棉土的膨胀率和膨胀力均有不同程度的降低，其中浓度0.5％CaCl2处治黑棉土的膨胀率和膨胀力分别由12％和450kPa下降到2.5％和236kPa，浓度1.0％Ca(OH)2处治黑棉土的膨胀率和膨胀力分别下降到3.0％和128kPa；KCl和KOH处治黑棉土的膨胀率和膨胀力指标相比未处治黑棉土有较大幅度的降低，浓度0.5％KCl处治黑棉土的膨胀率和膨胀力分别下降到0.52％和35kPa，而浓度1.0％KOH处治黑棉土的膨胀率和膨胀力分别下降到0.28％和18kPa，由此可知，相比Ca2+溶液，K+溶液可以获得更好的黑棉土稳定效果；浓度0.5％CaCl2+浓度0.5％KCl处治黑棉土的膨胀率和膨胀力分别下降到0.45％和27kPa，而浓度1.0％CaCl2+浓度1.0％KCl处治黑棉土的膨胀率和膨胀力分别可以下降到0.16％和12kPa，Ca2+溶液和K+溶液混合使用，可以得到更佳的黑棉土稳定效果。

Claims (8)

1.一种黑棉土电渗试验装置，其特征在于：包括盛土箱（6）、设置于盛土箱（6）两侧的阳极箱（5）和阴极箱（8）、电源（15）；所述盛土箱（6）呈圆柱状且侧壁间隔设置有孔洞，所述盛土箱（6）内放置土样（7），所述土样（7）上放置有加载板（12），所述加载板（12）的活塞中心通过加载杆（13）连接有千分表（14）；
所述阳极箱（5）底部通过第一管路（2）连接有溶液槽（1），所述溶液槽（1）内放置有电渗液，所述第一管路（2）上设置有第一止水夹（3）；所述阴极箱（8）底部通过第二管路（10）连接有水槽（11），所述第二管路（10）上设置有第二止水夹（16）；
所述阳极箱（5）侧壁放置有第一石墨电极（4），所述阴极箱（8）侧壁放置有第二石墨电极（9），所述第一石墨电极（4）连接电源（15）正极，所述第二石墨电极（9）连接电源（15）负极，盛土箱尺寸为：内径58mm、高35mm、壁厚2mm。
2.根据权利要求1所述的一种黑棉土电渗试验装置，其特征在于：所述电渗液的阳离子为Ca2+和K+。
3.根据权利要求2所述的一种黑棉土电渗试验装置，其特征在于：所述电渗液选自CaCl2和KCl的混合溶液或Ca(OH)2和KOH的混合溶液。
4.根据权利要求2所述的一种黑棉土电渗试验装置，其特征在于：所述Ca2+和K+的浓度为0.5%～1.0%。
5.根据权利要求1所述的一种黑棉土电渗试验装置，其特征在于：所述电源（15）为直流电源。
6.一种使用权利要求1所述的黑棉土电渗试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）将黑棉土过筛，确定的最佳含水量，配料、焖料后计算所需土样（7），将土样（7）装入盛土箱（6），使用加载板（12）压缩土样（7）至设定高度；
（b）打开第一止水夹（3）和第二止水夹（16），分别将电渗液和水注入阳极箱（5）和阴极箱（8），保持液面与土样顶面齐平；
（c）在阳极箱（5）放入第一石墨电极（4）连接电源（15）正极，阴极箱（8）放入第二石墨电极（9）连接电源（15）负极，接通电源（15），进行电渗；
（d）关闭电源（15），取下第一管路（2）和第二管路（10），使电渗液和水溢流出阳极箱（5）和阴极箱（8），使用加载板（12）压缩土样（7）至设定高度；
（e）对准加载板（12）的活塞中心安装千分表（14），并记录读数；再安装好第一管路（2）和第二管路（10），关闭第一止水夹（3）和第二止水夹（16）；然后注水入阳极箱（5）和阴极箱（8），液面与土样（7）顶面保持齐平，记下开始注水时间，间隔侧记千分表读数，直至土样不再膨胀为止；
（f）通过加载板（12）对土样（7）施加压力，直至土样（7）被压缩至设定高度，获取黑棉土的膨胀力。
7.根据权利要求6所述的一种黑棉土电渗试验方法，其特征在于：所述步骤（c）电渗过程中定期更换阳极箱（5）和阴极箱（8）中的电渗液和水。
8.根据权利要求6所述的一种黑棉土电渗试验方法，其特征在于：所述步骤（e）中根据千分表（14）的读数确定土样（7）膨胀后高度与原高度，两者比值确定黑棉土膨胀稳定后的膨胀率。
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Assignee: Suzhou Lifuyuan New Material Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980042499

Denomination of invention: A black cotton soil electroosmotic testing device and testing method

Granted publication date: 20220712

License type: Common License

Record date: 20230926

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