自由膨脹率是反映黏性土的膨脹性的指標之一，對判別膨脹土有較大參考價值。由於試驗所需儀器設備簡單，操作簡便，自由膨脹率試驗是目前國內測定黏性土脹縮特性時採用較多的試驗項目，但因我國現行土工試驗方法標準和行業規程對自由膨脹率試驗方法的一些細節的規定和說明存在不足之處，使得試驗人員即使完全按標準和規程規定的方法對同一土樣進行試驗，也很容易出現試驗結果相差較大的現象。為使自由膨脹率試驗方法更完善，試驗結果更穩定，分析了影響試驗結果的兩個主要人為因素，並針對現行的標準和規程中存在的不足提出了改進建議。
基本介紹
- 中文名：膨脹率試驗
- 外文名：Expansion rate test
- 學科：土木工程
- 領域：建築
- 目的：反映黏性土的膨脹性
- 特點：儀器設備簡單，操作簡便
簡介,現行標準試驗步驟存在的問題,不同級配和攪拌遍數對試驗結果的影響,總結,
簡介
自由膨脹率是反映黏性土的膨脹性的指標之一，它與黏土礦物成分、膠粒含量、化學成分和水溶液性質等有著密切的關係。自由膨脹率試驗的目的是測定黏性土在無結構力影響下的膨脹潛勢，初步評定黏土的脹縮性。由於試驗所需設備少，方法簡便，便於進行大量室內試驗，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果。目前國內水利、鐵路、公路、建築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驗，現行的土工試驗方法標準和一些相關的行業和部門的土工試驗操作規程也對自由膨脹率試驗規定了較詳細、具體的試驗操作步驟和方法，為試驗結果的穩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程之後，到目前為止，雖然其間指出了自由膨脹率試驗在某些方面存在的問題，並提出過不同的建議和方法，但土工試驗方法標準和一些相關行業的土工試驗操作規程對該項試驗一直未進行過修訂和補充。
經過多年的實踐和研究發現，由於現行土工試驗方法標準和規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果不盡一致，甚至相差甚遠，導致對膨脹土的判別和評價失當。
為使自由膨脹率試驗方法更完善，試驗結果能夠較好地反映黏性土的膨脹特性，並使不同單位、不同試驗者的試驗結果具有較好的可比性，對試驗方法進行適當的修改和補充說明是必要的。
影響自由膨脹率試驗結果的因素很多，除土質等客觀因素之外，試驗操作方法等人為因素的影響也較大。由於受所掌握的資料和試驗研究內容的限制，本文僅就試樣的製備和攪拌方法進行討論。
現行標準試驗步驟存在的問題
1 試樣製備
國家標準和各行業土工試驗規程中都強調試樣的製備至關重要，規定取代表性風乾土樣並碾碎，全部過0.5 mm 篩，然後混合均勻，烘乾後備用。
但是，這樣的試樣製備要求只控制了過篩試樣中土團直徑的最大值，而對過篩後小於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，這就使得小於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（這裡借用“級配”表示試樣不同土粒直徑的大小分布），即使試樣質量相近，自由膨脹率卻可能相差很大。
2 試樣攪拌
現行的標準、規程對攪拌方法和攪拌次數的說明基本相同，都是上下攪拌10 次，只是在測記時間間隔和穩定標準上存在一些差別。國家標準及各行業規程中的步驟說明和條文說明不同之處對比如下：
（1）土工試驗方法標準(GB/T50123－1999)[1]：待懸液澄清後，開始每隔2 h 測記一次土面讀數（估讀至0.1 mL），直至2 次讀數差不超過0.2 mL 為止。該規範中未說明試樣是否需要或何時進行一定時間的浸泡。
（2）土工試驗操作規程(SL237－1999)[2]：靜置24 h，待懸液澄清後，開始每隔2 h 測記一次土面讀數（估讀至0.1 mL），直至6 h 內2 次讀數差不超過0.2 mL 為止。規程中未說明試樣在攪拌前是否需要一定時間的浸泡。
（3）公路土工試驗規程(JTJ051－93)[3]：待試樣沉積後約每隔5 h，記錄一次試樣體積（估讀至0.1 mL），直至2 次讀數差不超過0.2 mL 為止。條文說明中強調了試樣在水中浸泡24 h 後再開始測試，但未說明浸泡是在攪拌前還是攪拌後進行。
可以發現，現行的標準、規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後進行，其自由膨脹率試驗結果是存在差異的。另外，因攪拌次數對試驗結果也有明顯的影響，試驗時對懸液只進行1 遍上下10 次的攪拌，懸液澄清後，取土面穩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。
不同級配和攪拌遍數對試驗結果的影響
為研究不同級配和攪拌次數對土樣自由膨脹率試驗結果的影響，考慮到目前國內土工試驗標準、規程的實際情況及前人積累的豐富資料和經驗，試驗在標準、規程所限定的條件下進行，所用儀器設備規格同《土工試驗方法標準》，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，土樣基本上都屬於高液限黏土，與膨脹土在塑性圖中的位置一致。根據膨脹土的巨觀結構特徵土樣脹縮性相關的指標綜合判別，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果的影響
在進行自由膨脹率試驗備樣時，不同試驗者由於在力量大小、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、不同試驗者所製備的試樣，其級配不一定相同，即使是同一人、不同時間製備的試樣，其級配也不相同。這就使得所製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致自由膨脹率試驗結果可能相差較大的不合理現象。不同備樣人製備的試樣級配差異很大，其中C 與E 所製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果的影響，對自由膨脹率試驗的試樣製備進行了如下調整，首先將土樣按土工試驗方法標準碾細，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 直徑的土樣烘乾後按一定比例混合以獲取不同級配的試樣，然後進行不同級配試樣的自由膨脹率試驗。
由於試樣級配的不同，其10 mL 乾土質量和自由膨脹率都存在差異，差值的大小則隨土質的不同而異。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乾土質量的增大而增大，但並非乾土質量最大，對應自由膨脹率值也最大。自由膨脹率不是隨乾土質量的增大而單調增加。
人工製備試樣時，在機械外力的重複作用下，較大的黏粒土團不斷被碾碎，直徑逐漸變小，這一作用相當於分散作用，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，同體積的乾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、碾磨的次數都不相同，所製備試樣的級配也就不同，而級配的不同，勢必造成同體積乾土的質量存在差異，進而影響到自由膨脹率的大小。這是導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果出現較大差異的主要原因。
2 攪拌遍數對試驗結果的影響
為研究攪拌遍數對自由膨脹率試驗結果的影響，採用同一土樣、不同級配的6 個試樣，按國家標準的方法，將試樣倒入量筒內，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，待懸液澄清後，開始每隔2 h 測記一次土面讀數，直至2 次讀數差不超過0.2 mL 為止；然後，重複上述攪拌程式，測記每次的膨脹穩定值。
不同攪拌遍數的試驗結果顯示，攪拌遍數對自由膨脹率的大小有明顯的影響。第2 遍攪拌與第1遍攪拌後的差值最大，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 %。這是由於試樣浸泡時間越長、攪拌次數越多，土粒在懸液中的分散程度越高，相應的自由膨脹率值也就越高。若試樣未經充分浸泡，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。但經過一次攪拌和膨脹穩定的過程後，試樣相當於已經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 遍時出現明顯的拐點，攪拌第2 遍的結果與攪拌第6遍的結果已相差不大，從試驗時間和精度方面考慮，將第3 遍攪拌的測試結果作為最終的結果是合適的。
總結
土樣自由膨脹率大小本質上應取決於土質。土質不同，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，試驗結果應不受人為因素影響而發生較大變化，其測定值應是較穩定的。由於按目前的土工試驗方法標準和規程進行自由膨脹率試驗時，試樣的製備、攪拌等都對測試結果有顯著的影響，說明該項試驗方法還有待進一步改進和完善。
通過試樣製備和攪拌對自由膨脹率試驗結果影響的試驗研究發現，兩種因素都對試驗結果有較大的影響，但影響程度不同。試樣的製備對試驗結果的影響較為明顯，製備樣品的差異主要體現在其級配變化上。試樣級配受人為因素影響很大，若試樣製備不當，很容易造成試驗結果出現較大偏差，甚至會出現對土體脹縮性誤判的情況。若按目前國內根據自由膨脹率的大小對膨脹土分類時所採用的界限值[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果產生影響程度較試樣的級配對試驗結果的影響要小，而其影響的大小也是隨試樣級配不同而異，按國標方法將懸液攪拌3 遍後的穩定值作為自由膨脹率的標準值較合理。
為減少人為因素對試驗結果的影響，自由膨脹率試驗需要在現有標準、規範操作步驟的基礎上進行補充和調整：試樣製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 篩上及底盤內的土樣據前述建議的級配按比例混合均勻，烘乾備用；攪拌時按國家標準將懸液攪拌3 遍（後兩次攪拌都待土面讀數穩定後，再進行下一次攪拌）。
經過上述補充和調整，可有效減少人為因素對試驗結果的影響，使試驗結果更穩定，試驗資料具有可比性，從而有利於國內同行之間的經驗交流，並可為該項試驗的進一步標準化提供有益的參考。
