由于天然膨胀土成分复杂,膨胀性黏土矿物含量变化范围较大,黏土矿物种类复杂多样化,在研究其膨胀特性、持水特性、力学性质过程中,难以解释各成分在其中所起的作用,对于清晰认识膨胀土的膨胀机制、水分运移机制大大增加研究困难。因此在本文中选用不同比例的掺砂膨润土作为研究对象,来研究不同膨润土含量下的土体其膨胀变形规律,确定掺砂膨润土的界限掺砂率,土水特性,水分运移机制,力学强度随掺砂率的衰减变化规律等,从而简化膨胀土理论研究模型,简单清晰的解释其膨胀机理。离子土壤固化剂(Ionic Soil Stabilizer)是一种化学试剂,将其加入土中可以改进土体的工程性质,包括增强土体的压实度、密度、承载力、凝聚力,降低土体的水敏感性。它含有多种天然的分散剂,来分解土体矿物质,然后通过促使其重新结晶来形成金属盐和新的化学键,最终能够保持土壤长期稳定。土壤的活性是可以通过固化剂的强离子交换来进行,来对土壤颗粒外表面双电层结构破坏,从而减弱水对土壤表面的化学作用。由于该过程将土壤的毛细结构进行破坏,从而导致土壤颗粒表面的水最终不可逆的脱出为自由水。当通过碾压来排去水分子后,土壤就会从亲水性转换为斥水性,从而增强土壤颗粒表面之间的相互作用,促使裂隙不易产生。随后,由于含水率下降,土体的密实度便会提高,从而对土体的稳定性和强度进行了提高。根据上述原理,离子土壤固化剂可以应用在掺砂膨润土中,通过改变膨润土中黏土矿物表面的离子类型来破坏土体表面的双电层结构,改变土体的亲水性和结合水的类型,从而使膨润土与砂颗粒更好的相互连结,降低掺砂膨润土的亲水性和膨胀特性,提高土体强度和整体稳定性。本文就不同掺砂率下的膨润土的基本物理力学性质展开实验研究,得知掺砂率对膨润土的胀缩特性和力学强度都有着明显的影响,且存在界限掺砂率。然后采用离子固化剂对掺砂膨润土进行加固,通过一系列实验研究来了解离子固化剂对掺砂膨润土膨胀特性、收缩特性、力学强度、土水特性、水分迁移过程的影响,从而进一步阐述离子固化剂加固掺砂膨润土的机理。本文的主要研究工作如下:(1)研究不同掺砂率对膨润土物理力学性质的影响。通过击实实验、液塑限实验、膨胀率试验、膨胀力测试实验和单轴无侧限压缩实验来了解不同掺砂率下膨润土的最大干密度与最有含水率之间的关系,土体的液限含水率和塑限含水率,土体的膨胀浅势以及力学强度的性质。实验结果表明,掺砂率对土体的物理力学性质均有影响且掺砂膨润土存在一定的界限掺砂率。随着掺砂率的变化,土体的最大干密度与最优含水率发生变化,且在掺砂率80%时土体的干密度达到最大。掺砂率对土体的液限含水率和塑限含水率有较大影响,随掺砂率的降低,膨润土含量增加,此时土体的液限含水率和塑限含水率均增加,且液限含水率近乎程指数形式增加。掺砂率对膨润土膨胀特性影响显著,当掺砂率高于80%时,土体膨胀性较低,当膨胀率低于80%时,土体膨胀性显著,因此将80%时的掺砂率定义为界限掺砂率。另外,随掺砂率的变化,土体的强度已发生变化,且在掺砂率80%-70%时土体的强度相对较高。(2)了解实验用固化剂的电化学性质及其加固膨润土的最佳配比。本文采用便携式290A型PH计和电导率计测定了不同浓度下的固化剂溶液的酸碱度和电导率,并且采用强制离子交换法进行了阳离子交换量实验和液塑限实验,确定出在某一浓度配比下,固化剂溶液与膨胀性黏土矿物的离子交换效果最优且土体的塑性指数最低。实验表明当固化剂与水配比为1:150时土体阳离子交换量最低,塑性指数最低,故而在此配比下离子固化剂对膨润土的加固效果最好,因此本文中选定此配比作为实验研究用的离子固化剂浓度。(3)研究离子固化剂加固掺砂膨润土膨胀特性。通过一维膨胀实验和膨胀力实验结果可以得知,离子固化剂对掺砂膨润土的膨胀特性有很好的抑制效果。随着掺砂率降低,土中膨润土含量增加,土体的膨胀特性变化越大,抑制效果也越来越明显。但当掺砂率降低到一定含量,固化剂对膨胀土的抑制效果有所降低。这是由于离子固化剂与掺砂膨润土中的膨胀性黏土矿物发生充分的离子交换,掺砂膨润土中的膨胀性黏土矿物在于离子固化剂溶液发生反应后,其土体内的胶体分子由原来的亲水性变为排水性,其吸水能力降低,故而膨胀性降低。随着黏土矿物含量的增加,虽然离子固化剂对于加固膨胀土,降低膨胀性有显著效果,但是黏土矿物含量的增加导致离子固化剂不能与其发生充分的离子交换作用,故而对抑制土体膨胀浅势能力减弱。说明随着黏土矿物含量的增加,土体膨胀性增强,经离子固化剂加固后对膨胀土膨胀性有一定的抑制效果,但当土体中膨润土含量过多,土体的吸水活性增强,所需要的离子固化剂含量与浓度也需要相应的发生变化,故而在工程实际中,要根据实际的工程需要配制相应浓度的离子固化剂溶液。(4)研究了离子固化剂加固掺砂膨润土的长期稳定性。通过设置实验条件,将离子固化剂加固前后的掺砂膨润土进行反复冻胀融化后,测量土体的单轴压缩强度。实验结果如下:(1)掺砂率对膨润土的力学强度有较大的影响且离子固化剂对掺砂膨润土界限掺砂率有一定的影响。未经离子固化剂加固的掺砂膨润土其界限掺砂率为80%左右,此时掺砂膨润土眼周压缩强度为200kPa,而经离子固化剂加固后土体的界限掺砂率明显降低,介于70%-60%之间,且此时掺砂膨润土单轴压缩强度提高到250kPa左右。这说明离子固化剂通过一系列加固作用,有效提高的土体密实度,降低土体的孔隙比,使膨润土与石英砂更好的相互黏连,有效降低土体的膨胀浅势,提高掺砂膨润土的强度。(2)掺砂率对膨润土的抗冻性有着显著的影响。冻融循环作用下,掺砂膨润土的力学强度随冻融循环次数增加衰减,并且在第一次冻胀融化后土体的衰减率最大。而后土体强度依然有一定程度的衰减,但是变化不大。当掺砂率高于80%时,土体的强度相对较低,抗冻性也较差,离子固化剂对土体的强度和稳定性影响较小。当掺砂率介于70%-50%之间时,掺砂膨润土强度提高,在冻胀融化作用下,强度有一定程度的衰减,但总体稳定性较好。当掺砂率低于50%时,此时掺砂膨润土强度虽然有一定的衰减,但经离子固化剂加固后的掺砂膨润土强度比未经固化剂加固土强度高,固化剂加固效果明显。(5)采用HYPROP装置测定离子固化剂加固前后掺砂膨润土的土水特性曲线。实验研究表明,经固化剂加固后,在同一基质吸力作用下,掺砂膨润土的含水量要低于未经固化剂加固的土体。这是由于经固化剂加固后的土体,由于离子固化剂中的大分子有机胶体与膨胀土中的黏土矿物发生离子交换,土体内的亲水基被排水性的有几大分子取代,土体颗粒表面结合水膜变薄,故而降低土体的吸水性。且掺砂率对膨润土的土水特性亦有所影响。掺砂率降低,土体的膨润土含量增加,基质吸力增大,吸水能力增强。(6)开放系统中离子土固化剂加固掺砂膨润土水分迁移过程实验研究。本文采用自行改进和组装的水分迁移实验装置开展这一实验。实验结果表明:(1)掺砂膨润土经过多次冻胀融化作用后,经离子固化剂加固的土体其不同高度处的含水率要低于未经固化剂加固的掺砂膨润土试样。这是由于离子固化剂中的有机大分子胶体与土体中黏土矿物原有的亲水基发生离子交换作用,土体由原来的亲水性变为斥水性,且土体的颗粒之间相互连接的更紧密,这一定程度上阻碍了水分子的迁移。故而经固化剂加固后的土体对水分的吸收能力相对降低,含水率较低。(2)掺砂率对土体水分迁移过程的影响。掺砂膨润土中掺砂率较高时,经固化剂加固后,膨胀土几乎不发生膨胀。土体温度降低,土体发生冻结,虽然有一定量的底部自由水发生向上的迁移并在冻结锋面处结冰,土体含水率一定程度上增大,体积发生膨胀。但是当温度升高后,土体中的冰开始发生融化,由于该土体中掺砂率高,土体颗粒孔隙较大,故而毛细力较小,土体融化后,自由水分子沿颗粒的孔隙通道流回底部。当掺砂率降低,土中膨润土含量增加,当温度降低,土体顶部发生冻结,土体中的自由水结冰,毛细力增大,水分子沿孔隙通道向上迁移。当温度升高,冰融化,由于土体中黏土含量较多,土体基质吸力较大,故而沿毛细通道上升的自由水分子大部分滞留在土体内。(3)当离子土壤固化剂对掺砂膨润土进行处理后,虽然土体裂隙在冻结过程中存在着一定程度生长,但速度较慢,冻胀与融化作用对于土体的整体结构具有较小影响,因此,在冻融过程中离子土壤固化剂可以有效地降低膨胀土裂隙的生长速度。本文通过开展上述实验研究,从离子固化剂加固掺砂膨润土膨胀特性的变化,力学强度的提高,基质吸力与含水率关系的变化以及水分迁移过程中温度与含水率变化等方面来阐述了离子固化剂加固掺砂膨润土的加固效果和加固机理,从而为掺砂膨润土的加固与应用提供重要的理论依据和可靠的实验数据。