刘彤 李哲

长安大学公路学院

摘 要： 蜡封法是测定易破碎土及形状不规则的坚硬土毛体积密度的一种常用测试方法。为了探明蜡封法试验过程中关键控制因素对试验结果的影响，对石蜡密度测定方法、石蜡液体温度、时间间隔等因素进行了试验研究。试验结果表明：石蜡液体温度过高或过低对试验结果影响较大，误差范围为0.013%～0.617%,石蜡液体温度宜控制在石蜡熔点以上5℃～10℃;试样提出熔融态蜡溶液后，应充分考虑一定的间隔时间，再将蜡封试件浸没到室温条件(20℃～30℃)下的蒸馏水中，测试体积完成密度测试过程。明确控制以上关键因素，可有效避免蜡封试件表面出现小坑、蜡封气泡及开裂等问题，且能够真实反映被测物体的密度，得到稳定可靠的试验结果。

关键词： 土工试验;蜡封法;石蜡密度;温度;间隔时间;

密度是描述土的物理性质的重要指标之一，也是土力学中基本的三相比例指标之一[1]。常用的密度测试方法有环刀法、灌水法、灌砂法和蜡封法等。土工试验中常采用毛体积密度作为衡量压实效果的指标，蜡封法可用于测定易破碎土及形状不规则的坚硬土的密度[2],也可用于测定开级配和吸水率大于2%的沥青混合料的密度[3]。蜡封法试验方法步骤详见文献[4]。相比于环刀法、灌水法、灌砂法等密度测试方法，蜡封法具有试验过程繁杂、人为操作影响大且试件表面温度对试验结果影响大、技巧性强、对试验条件要求较高等特点，因此对试验过程中控制关键因素探讨改良措施十分有必要。

目前对蜡封法改良的研究已有一些进展，王旭东等经过试验发现，蜡封法试验中有两个温度要求：蜡封时溶液温度应控制在75℃～80℃之间，蜡封试件表面温度在5℃～10℃时蜡封效果最好[5]。何文峰等采用蜡封法测定沥青混合料的密度时，提出应将石蜡加热到70℃～80℃之间；温度过低，石蜡会封住试件表面的凹陷，渗不进去，体积偏大；温度过高，石蜡容易渗入试件的开口孔隙中，体积偏小[6]。邵丽芳发现加滑石粉可以更方便去掉试件表面的蜡，同时滑石粉可以填满试件的开口空隙，并提出毛体积密度计算修正公式[7]。赵天宇等提出了在蜡封法试验中采用电子天平代替传统的等臂式天平的电子天平悬称法，并且从试验原理和试验结果两方面说明了该方法的适用性和优点[8]。此外，研究也发现在试验过程中石蜡液体温度和浸蜡次数对于试验的影响。目前研究较多的是关于蜡封法试验中石蜡液体温度对于试验结果的影响，在此基础上提出了石蜡液体相应的控制温度，然而，影响蜡封法试验结果的因素除了石蜡液体温度外，还有其他因素会对试验结果造成影响。

(1)试验用石蜡密度的确定。规程中对于确定石蜡密度提出了两种解决办法：一是采用静水力学天平称量法或采用500～1 000 mL广口瓶比重法进行密度的测定。然而这两种直接测定的方法对仪器设备要求高或有一定的操作困难，且繁琐；二是当无条件实测时，采用石蜡密度的近似值0.92 g/cm3进行计算，而石蜡是一种烃类混合物，密度不是一个恒定值，如采用近似值计算，结果可能会有较大误差。

(2)试验温度和时间的控制。对于温度控制，规程中建议将石蜡加热至刚过熔点，没有提出具体的温度值，缺乏指导性；对于时间控制，只是建议待石蜡冷却后，再进行接下来的试验步骤，没有给出冷却的具体标准，如冷却时间、冷却目标温度的要求。然而，试验过程中的温度和时间控制对于试验结果有很重要的影响。

基于上述问题，本文在试验基础上，提出了在试验中测定石蜡密度的新方法，并针对试验中的温度和时间控制问题提出了相应的解决办法。

1 石蜡密度测定

在密度试验中，试样体积的测定是关键。蜡封法测密度试验中，试样体积等于蜡封试样体积减去相应的试样蜡封层的体积。蜡封试样体积根据阿基米德原理由蜡封试样排水体积求得，蜡封层的体积由构成蜡封层石蜡的质量和石蜡的密度求得，因此石蜡密度是求得试样体积的基础和关键性数据。规范中对于确定石蜡密度做出要求[2]:密度试验中使用的石蜡，选用55号石蜡为宜，其密度以实测为准；静水力学天平称量法测定物体密度时，如果待测物体密度比水小，在常规条件下，物体只能漂浮在水面，测定其密度就比较困难[6]。采用广口瓶比重法测定同样也存在这个问题，并且操作时液体溢出量容易受到试验人员操作的影响。为了能够准确测定石蜡的密度，本文对比了常规方法(沉坠法和环刀法)并分析测定的结果。

1.1沉坠法

所谓沉坠法，即在石蜡下方系一个密度大于水的物体，使得石蜡能够浸没于蒸馏水之中，通过读取石蜡完全浸没于水中前后量筒读数的变化，计算石蜡的体积。本文分别用500 mL和100 mL量程的量筒测定55号石蜡密度，得出石蜡密度变化如图1所示。

图1 石蜡密度变化 *载下**原图

由图1可以得出：沉坠法所测得的试验数据离散性较大，密度最小值和最大值之间的差为0.21 g/cm3,甚至出现了石蜡密度大于1的试验结果；试验用大量程的量筒试验结果的离散性大，可靠性差；试样体积的大小也会对试验结果会造成影响。出现以上问题的原因：(1)试验过程中，量筒的读数容易受到人视差、人为操作不当及主观判断的影响，如个人的主观判断、试验过程中的不当操作等；(2)石蜡在运输、储存条件、制样过程中容易受到各种外部因素的影响，特别是制样过程中，由于石蜡质地较柔软，受到一定的外力作用后，其形状和体积都会受到影响，从而会影响到石蜡的密度。

1.2环刀法

环刀法测石蜡密度，即试验前称量环刀的质量后，将环刀放置于一无顶盖的圆柱形器皿中(器皿底部应为一平面),器皿高度略高于环刀的高度，然后将熔化后的石蜡倒入环刀中，液体高度应高于环刀的高度，以消除石蜡凝固后体缩的影响。冷却到室温，完全凝固以后，将环刀从器皿中取出，轻轻刮去高于环刀顶部的石蜡(可用加热的刀片),然后将环刀表面擦拭干净，称量环刀和石蜡的质量即可，见图2。

图2 石蜡密度测定示意 *载下**原图

图3是试验测试结果所做的散点图，结合图1可得出以下结果：和方法1相比，所测定出来的石蜡密度相对较稳定，密度最大值和最小值之间的差值仅为0.03 g/cm3;从试验的过程来看，石蜡固体经历了熔化、凝固的过程，这和蜡封法试验过程中石蜡所经历的过程是相同的，所以两者之间的状态更为接近，环刀法所测定的密度值更为接近蜡封法中石蜡包裹试件的实际值。

图3 石蜡密度变化散点 *载下**原图

2 石蜡液体温度控制

蜡封法试验过程需要加热石蜡使其熔化，在试样表面形成蜡封层，阻止水分进入试样内部。因此蜡封层的好坏直接关系到试验的成败。而石蜡的熔融与凝固过程都与温度有关，为了确定适宜的石蜡液体温度，开展了试验。试样所用土样为压实灰土，试样数量12个。所用石蜡为58号石蜡，熔点在58℃左右(石蜡熔点和石蜡的牌号相接近)。为了排除试样大小对于试验结果的影响，单个试样的质量控制在70～75 g之间。试验起始温度设置为62℃(当温度过低，烧杯上层部分石蜡不能熔化或熔化时间过长),试验温度梯度设置+5℃,对比分析了石蜡液体温度分别为62℃、67℃、72℃、77℃时的试验结果，试验数据如表1所示。

表1 不同温度下的蜡封法试验数据 导出到EXCEL

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由图4可以看出，石蜡液体温度对于蜡封试样进水质量有着显著的影响，大体呈现出温度越高，试样进水越多的趋势；石蜡液体温度在62℃～67℃时，试样进水质量小于0.03 g, 满足规范要求；石蜡液体温度在72℃～77℃时，试样最小进水质量为0.16 g, 最大进水质量为0.68 g, 远远超出了规范的要求。

图4 蜡封试样进水质量分布条形图 *载下**原图

分析造成上述现象的原因：石蜡液体的温度较高时，石蜡液体不能在试样表面形成完整和足够厚度的蜡封层，并且在试样开口孔隙处，石蜡液体会渗入试样的内部，将试样“浸湿”。石蜡液体通过开口孔隙进入试样的过程中，试样表面会出现大量体积较小的气泡，这些气泡会阻止蜡封层的形成，最终试样从石蜡液体中取出时，试样表面出现多处由于不能被石蜡液体覆盖所形成的小坑及蜡封气泡，见图5。以上原因导致蜡封试样浸没于蒸馏水中时，水分会通过土样表面这些小坑进入试样内部，从而影响试验结果。相反，温度较低时石蜡液体会在试样表面迅速冷凝形成足够厚度的蜡封层，且石蜡液体不会通过开口孔隙进入试样内部。

图5 蜡封试样表面小坑及气泡 *载下**原图

3 蜡封试样浸水前时间控制

试样蜡封完成后，需浸没于蒸馏水中以测定蜡封试样的体积。随着蜡封试样浸水前的间隔时间增加，试样温度逐渐降低至室温，降温引起蜡封层的收缩会产生开裂现象，然而规范[2]中并没有明确说明从试样蜡封完成之后到浸没于蒸馏水之前的间隔时间，试验操作人员常因缺乏指导性导而致试验失败。

试验设置了8种不同的间隔时间，研究其对试验结果的影响，以确定适宜的隔时间。试验条件：室内温度27℃～29℃(试验8 h, 室内温度有一定的波动),水温26℃,土样为压实灰土，试样数量24个。单个试样质量控制为70～75 g之间。石蜡为58号石蜡，石蜡液体温度65℃。试验中控制间隔时间为0、2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min和20 min, 计时起点为试样蜡封完成，计时终点为试样浸没于蒸馏水中，蜡封试样浸浮于盛有纯水的烧杯中。

由图6可以看出，石蜡液体温度过高或过低对试验结果影响大，误差范围为0.013%～0.617%,石蜡液体温度宜控制在石蜡熔点以上5℃～10℃;随着间隔时间的增加，试样进水质量总体呈现下降的趋势，当间隔时间在20 min时，试样进水质量小于0.03 g, 满足规范要求。

图6 蜡封试样进水质量分布条形图 *载下**原图

造成上述现象的原因：蜡封层的温度高于蒸馏水的温度时，当蜡封试样浸没于蒸馏水中，蜡封层的外层温度会迅速下降，而蜡封层内层温度下降较慢，蜡封层内外存在温差。温度低的蜡封层外层收缩较快，而温度高的蜡封层内层收缩较慢，这会导致蜡封层出现开裂，开裂是从蜡封层外层逐渐向内层发展。随着试样浸水时间的延长，蜡封层会逐渐形成贯通裂缝。这些因开裂形成的裂缝会成为蒸馏水进入试样内部的通道，从而导致蜡封试样进水。当蜡封试样冷却至接近室温(试验时的环境温度，此处为27℃～29℃)时，虽然与蒸馏水之间还存在一定的温度差，但由于温度差较小，短时间内不足以导致蜡封试样出现开裂，从而保证了蜡封层具有良好的阻水能力，保证了试验结果的可靠性。

综上所述，当间隔时间为20 min时，试样蜡封层未出现明显开裂，试样进水质量小于0.03 g, 满足规范要求，因此可将间隔时间控制在20 min以上，以满足试验精度的要求。

4 结语

本文在试验的基础上，对蜡封法试验中存在的问题进行了研究，得出以下结论。

(1)采用环刀法测定石蜡的密度和其他方法相比，试验结果离散性小，石蜡密度测试过程中融化与冷却过程接近试验过程，能够反映石蜡密度的真实情况。

(2)蜡封法试验中，石蜡液体温度过高或过低对试验结果影响大，误差范围为0.013%～0.617%,石蜡液体温度应控制在石蜡熔点以上5℃～10℃,可以保证形成完整和足够厚度的蜡封层，阻止水分进入试样内部，确保试验结果的可靠性。

(3)蜡封试样从熔融的蜡溶液提出后，在室温空气温度(20℃～30℃)下冷却时间应控制在不少于20 min, 可保证试样蜡封层不开裂，试样不进水，确保试验结果的可靠性。

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