固化劑在膨脹土改良中的應用

李 威，王協群，申雅卓，徐加俊

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢430070)

0 引 言

膨脹土在我國分布十分廣泛。膨脹土吸水膨脹軟化，失水收縮開裂，并且膨脹-收縮-再膨脹的往復變形特性非常顯著。建造在膨脹土地基上的堤防、渠道底部與邊坡、輕型房屋以及低路堤等，會隨季節氣候的變化，因膨脹土反復不斷的脹縮，產生崩塌、滑坡和不均勻沉降等破壞，而且這種工程危害具有長期性。比如，在三峽庫區，膨脹土是許多滑坡、滑塌和泥石流發生的重要原因[1]；在南水北調中線工程中，超過380km的渠段是建設于膨脹土之上的，渠坡穩定成為重點研究課題[2,3]。裂隙性是膨脹渠坡(土坡)失穩的根本原因，而超固結性和脹縮性對渠坡穩定的影響都是通過裂隙性來表現的[4]。

膨脹土作為一種典型的特殊土，其化學成分主要是Fe2O3、Al2O3和SiO2，其礦物成分主要由強親水性的蒙脫石和伊利石組成。目前有關膨脹土的膨脹收縮機制的理論有很多種，并無統一定論。其中較普遍被接受的是雙電層理論。該理論認為：黏土礦物晶格中高價的Si+4和Al3+發生同晶置換而被Mg2+或Ca2+所取代，負電荷聚集在黏土顆粒的表面，導致黏土顆粒表面產生靜電場。表面帶負電荷的黏土顆粒在電場力的作用下，會吸附土壤中的游離正電荷，在固液界面上產生兩層等量反號的電荷層，即構成“雙電層”。雙電層中的極化水分子和特性吸附陽離子吸附在黏土顆粒表面，形成結合水膜。當含水率增加時，膨脹土顆粒周圍的水化膜厚度變厚，黏土礦物顆粒之間的間距變大，宏觀表現為膨脹土的體積變大；當含水率減小時則相反。

膠體溶液濃度的變化對雙電層的厚度也會產生顯著的影響。溶液濃度增加，雙電層變薄，結合水膜厚度下降，膨脹土體積收縮[5]。膠體微粒受電解質影響使雙電層變薄的理論稱為雙電層壓縮理論。利用這一理論，可以通過改變黏土中電解質的成分或濃度，如使用各種固化劑，從而改變雙電層的厚度，達到抑制膨脹土膨脹性的效果。

1 膨脹土固化劑分類

由于膨脹土具有不良的工程性質，因此在膨脹土地區修建渠道、擋墻、輕型建筑、路基等工程時，必須首先對膨脹土進行處理。常用的方法有：換填法、物理力學加固法、化學加固法和生物法等。在這些處理方法中，固化劑改良法具有很好的性價比[6]。比如在南水北調中線工程中，水泥改性成為處理膨脹土渠道的首選方案[7]。

固化劑改良法的適用范圍較廣，不僅能提高渠坡的強度和穩定性，還能改善渠道的防滲性能，并且施工與維護方便，原材料來源廣泛。此外，還能起到保護環境的作用。

按固化機理的不同，膨脹土固化劑可分為無機化合類固化劑、離子類固化劑和有機高聚合物類固化劑。

1.1 無機類固化劑

無機固化劑通常為固體粉末狀，在工程中應用較多的有石灰、水泥以及粉煤灰等工業廢渣類固化劑。

1.1.1 石灰類固化劑

石灰是使用最早和最為廣泛的土壤固化劑[8,9]。Thompson于1966年使用石灰改良膨脹土的方法并對石灰改良膨脹土的機制進行了研究，認為石灰加固膨脹土可分為兩個階段：陽離子交換和凝聚結塊改良了黏土礦物的電荷，導致膨脹土的可塑性增大；碳化作用與凝聚提高了土的承載能力。在膨脹土中摻入一定量的石灰，土中鈣離子的濃度上升，導致蒙脫石等礦物質中的鈉離子被置換，黏土顆粒表面的水膜厚度變薄，加強了黏土顆粒間的黏接。譚松林等[10]使用石灰對荊宜高速工程中的膨脹土改良進行了研究，得出改良膨脹土的自由膨脹率和膨脹量等參數降低，抗剪強度和CBR(California bearing ratio)提高，同時指出膨脹土存在最佳石灰摻量。郭愛國等[11]人通過試驗得出石灰改良膨脹土的施工最優含水率應比室內擊實試驗得出的最優含水率大3%左右。旺明武等[12,13]對石灰改良膨脹土的非飽和強度進行了研究，指出等值圍壓下改良膨脹土的抗剪強度、殘余強度等隨基質吸力的增加而提高。

1.1.2 水泥類固化劑

近年來，水泥對膨脹土改良的研究得到了進一步的發展。吳新明[14]研究了不同水泥摻量對膨脹土自由膨脹率、液塑限、無側限抗壓強度的影響，得到了膨脹土試樣的最佳水泥摻入比(8%)。唐云偉等[15]研究了水泥摻量、養護齡期對膨脹土無側限抗壓強度的影響，結果表明水泥摻量對提高膨脹土強度有較顯著效果，強度隨養護齡期增加而增大，但主要來源于前14d的養護，并建議該地區的水泥摻量控制在7%附近。劉興[16]采用南水北調中線工程平頂山段的水泥改性膨脹土進行室內和室外試驗，結果表明水泥改性后的膨脹土的膨脹率明顯降低、土體穩定性顯著提高，為平頂山段輸水渠道水泥改性膨脹土的設計和施工提供了重要參考。相關研究均表明，水泥摻量增加到一定程度后，膨脹土強度的增加并不明顯，且水化反應導致的體積收縮可能引起裂縫。基于經濟性和改性效果等方面的綜合考慮，建議改良膨脹土的水泥摻入量在4%～10%。

1.1.3 摻固體廢棄物無機固化劑

目前已有很多工程采用粉煤灰、電石渣、礦渣等固體廢棄物，配合石灰和水泥對膨脹土進行綜合改良。張雁等[17]人研究了使用石灰和煤矸石共同改良膨脹土，結果表明：使用石灰和煤矸石綜合改良膨脹土在塑性、抗剪性和擊實性等方面都優于石灰單獨作用的膨脹土。查甫生[18]的試驗結果表明：隨著膨脹土中電石渣摻量的增加，膨脹土的最優含水率也隨之增加，最大干密度則隨之下降；同時研究了養護齡期對電石渣改良膨脹土的線縮率、壓縮模量、壓實系數、自由膨脹率、抗剪強度等參數的影響；建議電石渣的最優摻量為10%左右。利用廢渣改良膨脹土，不僅有利于膨脹土工程性質的提高，而且經濟環保。但廢渣改良膨脹土的早期強度不高，且需要配合石灰、水泥等材料才能較好地發揮作用。

石灰、水泥等無機固化劑雖然有諸多優點，但是水泥加固土往往收縮較大，開裂風險較高，石灰土則早期強度低，發展慢，且水泥和石灰對塑性指數高的黏土、有機土和鹽漬土固化效果較差，甚至有時無固化作用。

1.2 離子固化劑

離子固化劑(Ionic Soil Stabilizer)簡稱ISS。將離子固化劑與土均勻壓實后，能夠改變黏性土顆粒表面雙電層結構，永久性的把土的親水性變成憎水性，使土顆粒更加緊湊，結構更加穩定。國際上知名的離子固化劑有EN-1、ISS2000、CBR PLUS和ROAD BOND等。ISS加固土具有以下特點：①與傳統的無機類固化劑相比，它屬于柔性材料，抗裂性能較好，易形成板狀結構；②使用ISS時，經稀釋后均勻噴灑到土中，應用于路基工程時，施工完24h后即可開放交通；③對土的固化作用永久有效。

zheng[19]利用力學試驗和微觀觀測，對離子固化劑Conaid進行了研究，研究結果表明:該離子固化劑能夠有效地減少土顆粒與自由水的結合，使土體體積減小，顯著降低在干濕循環作用下膨脹土脹縮對路面的破壞作用。

劉清秉等[20]以ISS對安陽地區膨脹土開展改良試驗研究，發現改良膨脹土線縮率減少，抗剪強度提高，與膨脹有關的參數下降，水穩定性增強，膨脹土土體性質由親水性變成憎水性，從根本上減少了膨脹土的吸水和膨脹性能。

時紅蓮等[21]人研究了初始含水率對ISS改良膨脹土效果的影響，認為初始含水率在11%～30%區間內效果顯著。這是因為當膨脹土初始含水率過低時，靠毛細吸力吸附的固化劑不能與所有黏土顆粒進行反應；當初始含水率過高時，溶液滲透到膨脹土表面的固化劑也不能夠與所有黏土顆粒反應。該研究對于工程現場應用ISS改性膨脹土有一定的參考價值。

離子固化劑也存在著一些的缺點，如抗水性能較差、受環境影響較大、前期固結較低和需要摻加水泥等添加劑以改良膨脹土，處理堿性較強的膨脹土的效果較差。

1.3 有機聚合物固化劑

常用的有機聚合物固化劑主要有丙烯酸鹽類、聚丁二烯類、環氧樹脂類、脲醛樹脂類等。聚合物與黏土礦物很少發生化學反應，其固化膨脹土主要依靠包裹、機械咬合等方式來加強土顆粒間的黏接程度。與石灰等無機類固化劑相比，具有滲透性好且凝結時間可調等優點，同時也解決了無機類固化劑在施工中拌和難的難題。

地網膜(一種有機聚合物固化劑)可用于改良膨脹土。該固化劑主要由液體聚丁二烯、濕化劑、催化劑與泡沫抑制劑結合而成。研究得出，聚丁二烯對膨脹土的可塑性有較大的影響，特別是在聚合物含量較高時，膨脹土的可塑性顯著下降，聚丁二烯能夠明顯增加膨脹土的無側限抗壓強度且隨齡期有增大的趨勢。張偉利[22]利用陽離子聚丙烯酰胺CPAM(水溶性高分子聚合物)改良膨脹土。試驗表明。當CPAM摻量增加時，改性膨脹土的自由膨脹率先減少后增大。因為過量的聚丙烯酰胺水解后形成絮狀物會導致土的膨脹土體積增大；摻量在0.1%～0.5%之間，改良效果較好。采用2.5%的 +0.5%的CPAM復配方案，對土體強度、抗滲性、水穩定性等都有明顯改善。由于聚合反應過程中不吸收水，吸附在土顆粒的水膜會影響聚合物網對土顆粒的作用，有機高聚合物類固化劑在降低膨脹土的膨脹性和增加土體強度作用相對較小。所以往往通過增大摻量的方法到達到土中聚合物網絡分布均勻的目標。由于經濟成本較高、加固效果差等原因限制了有機高聚合物類固化劑的應用。

1.4 組合固化劑

使用單一的土壤固化劑改良膨脹土，往往存在一些不足。所以越來越多的研究者開始使用兩種或兩種以上的固化劑以組合的形式來改善土的性質。孟永盛[23]使用磺化油DAH固化劑與石灰混合液改良廣西膨脹土，研究表明：改良后的膨脹土脹縮性顯著降低，力學性能明顯得到改善；與石灰單獨改良膨脹土相比，DAH和石灰混合液綜合了石灰和DAH固化劑優點 ，改良效果更好。此外，研究者也開始采用化學改良法和物理改良法來共同改善膨脹土的性能。陳雷等[24]使用纖維加筋和石灰共同改良膨脹土，結果表明，使用纖維加筋和石灰結合改良膨脹土的方法，對抑制膨脹土的膨脹性與增加膨脹土的強度效果顯著。這種聯合作用改善膨脹土的方法在未來會越來越多。

2 固化機理分析

通常采用化學分析、SEM掃描、X射線衍射、BET測試等系列物化及微觀試驗對膨脹土加固機理進行研究。土體固化的本質是由于物理和化學過程改變界面接觸形式，使土結構密實或生成新的物質作為骨架和填充孔隙，從而改良土體性能。

2.1 無機類固化劑

關于無機類固化劑改良膨脹土作用機理的研究較多。以石灰為例：石灰的主要成分是CaO和MgO。隨著兩種礦物含量增大，活性增強，膠結能力也越強。石灰改良膨脹土大致是通過下列四個作用：

離子交換：當生石灰摻入膨脹土后，在膨脹土中水的作用下，首先發生消解反應，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，與此同時離解出的二價Ca2+和Mg2+。隨著膨脹土孔隙溶液中Ca2+和Mg2+濃度的增加，可以很簡單地置換出土顆粒所吸附的K+、Na+等低價陽離子，二價Ca2+和Mg2+的結合水膜厚度遠小于K+和Na+的結合水膜厚度，Ca2+和Mg2+置換K+和Na+的過程就是黏性土表面水膜厚度不斷變薄的過程，宏觀表現為膨脹土的膨脹性和收縮性降低，吸水量下降。離子交換的過程有利于膨脹土土體穩定成型，提高改良土的早期強度。

碳酸化作用：在pH較高的環境中，礦物中Mg2+生成Mg(OH)2和生石灰消解產生的Ca(OH)2繼續與土體中的CO2氣體反應，生成具有較高強度和水穩定性較好的MgCO3和CaCO3，CaCO3和MgCO3固體顆粒的形成進一步加強了土體的膠結作用，有利于石灰土變得穩定。長期的碳酸化作用，石灰土的強度進一步提高。

凝膠反應：石灰摻入膨脹土中發生離子交換的后期，膨脹土中的氧化硅和氧化鋁與石灰進一步反應形成水化硅酸鹽和水化鋁酸鹽。隨著這兩種水硬性凝膠的強度逐漸提高，在膨脹土顆粒表面形成一層有較強黏接力的穩定保護膜，最終成為網狀結構將土顆粒團聚起來。隨著齡期的增長，凝膠結構層緩慢變厚，石灰改良膨脹土的強度也得到逐漸提高，有利于膨脹土長期的穩定。

結晶作用：將生石灰摻入膨脹土中，生成的Ca(OH)2在水中的溶解度很小，經消解后，少部分發生離子交換作用和碳酸化作用，大多數以Ca(OH)2·nH2O的形式結晶，形成的晶體在碳酸化作用下，膨脹土的強度和水穩定性都有所提高。

水泥等無機材料固化膨脹土的機理和石灰類似。水泥對膨脹土的固化主要體現在水泥水解水化反應過程中，生成氫氧化鈣和硅酸鹽、鋁酸鹽等。氫氧化鈣可以進一步與黏土中的礦物成分發生化學反應，生成凝膠物質，一定程度上降低了親水礦物的含量，同時提高土顆粒間的黏接強度，離解出Ca2+與吸附在黏土顆粒表面的低價離子發生離子交換反應，膨脹土顆粒表面的結合水膜變薄，土顆粒吸水性能得到改善并團粒化，膨脹土的水穩性增強。粉煤灰與水泥或石灰復合改良膨脹土時，粉煤灰中所含的大量酸性氧化物Al2O3和SiO2，能與水泥和石灰中在膨脹土中形成的Ca(OH)2發生二次反應，生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等較穩定的低鈣水化物，隨著膠凝性物質不斷團粒化，強度較高的空間網架結構緩慢形成，增強了土體的抗溶蝕能力。

2.2 離子類固化劑

劉秉清、楊青等[25,26]人通過化學分析、XRD、SEM、BET、陽離子交換量等試驗手段，基于滲透液性質、微觀結構形態、固化前后礦物成分和土顆粒孔隙結構特征等對離子固化劑的加固膨脹土的機理展開研究，揭示了離子固化劑的固化機理。離子固化劑是一種電解質，當它溶于水時，電解出的陽離子與膨脹土顆粒表面吸附的低價陽離子如K+、Na+等發生離子交換反應，導致以前吸附在膨脹土顆粒表面親水性極高的陽離子被趕走，其結果是減少了膨脹土顆粒表面雙電層的厚度，結合水膜變薄，從而引起膨脹土顆粒間作用力發生改變，膨脹土的脹縮性明顯降低。由于膨脹土顆粒表面雙電層厚度減少，土顆粒間相互的吸引力增強，使得土顆粒間的間距減少，不斷地聚集、凝結并逐步形成更大的顆粒，土體不斷密實，強度進一步提高。同時，由于固化后的膨脹土顆粒表面由親水性變為憎水性，以及土顆粒更加密實，土中的水分子較難進入土顆粒間，膨脹土遇水膨脹，失水收縮的性質得以改善，膨脹土的水穩定性、強度等參數有所提高。

2.3 高聚合物固化劑

高聚合物固化劑基本上是通過有機聚合物的聚合反應形成立體結構網絡來改善膨脹土的性能。

常采用聚合物單體、引發劑和少量石灰等無機材料一起加入土中，在土中發生聚合反應，經歷鏈的引發和不斷增長等過程，最終形成不溶于水的立體網狀高分子凝膠體。土顆粒被強度高、塑性好的高分子有機鏈包圍，形成一個立體網結構。正是由于這一結構的存在，提高了土顆粒間的黏接強度，宏觀表現為土的強度提高。此外，有機網狀高聚物凝膠體是一種憎水材料，可有效降低土中水的滲入和滲出，促進膨脹土的固化。但是由于高聚物本身基本不與土顆粒中的礦物發生化學反應，高聚物固化劑對土顆粒表面的吸附水膜影響小，僅靠包裹、機械咬合等物理作用為提高土顆粒間的黏接作用。所以有機高聚物類固化劑在減少土的膨脹性、增加土體強度和改善土的水穩定性等方面作用不是很顯著。

3 待進一步研究的問題

土壤固化劑興起于20世紀50年代，歷經半個多世紀的發展，已經取得了重要進展。國內自20世紀80年代引入土壤固化劑以來，關于它的研究和應用方面也取得了一系列的成果。但與此同時，也還有許多問題有待進一步研究。

(1)現階段對固化劑改良膨脹土的研究，大多數學者只是針對某一地區特定的膨脹土開展的。然而自然界中的膨脹土因為礦物成分、顆粒組成或成因等不同，不同地區的膨脹土性質存在較大的差異。使用相同配比的固化劑處理不同地區的膨脹土，固化效果有可能存在很大差異。因此，應進一步研究應用范圍廣、改性效果好的膨脹土固化劑。

(2)土壤固化劑涉及了巖土力學、化學、環境工程、材料科學等學科，其基礎理論非常復雜，因此進一步加強土壤固化劑基礎理論的研究很有必要。同時，我國現階段采用《土工試驗規程》SL237-1999和《土工試驗方法標準》GBT50123-1999研究固化膨脹土，缺乏針對性。因此需要盡快編制對土壤固化劑適用性更好的國家標準和試驗規范。

(3)土壤固化劑的固化機理的研究還處在一個定性階段，對于固化劑的作用機理大多數只能定性的描述，無法做到定量的分析。土壤固化劑固化機理的研究有待于進一步加強。

(4)使用單一的土壤固化劑改良膨脹土，往往存在一些不足。因此越來越多的研究者開始采用兩種或兩種以上的組合固化劑改善膨脹土的工程性質，可以預見，復合固化劑改善膨脹土的方法在未來會越來越多。

(5)膨脹土作為一種典型的非飽和土，而現階段關于膨脹土改性的研究絕大多數以飽和土的理論和試驗方法進行的。因此應采用非飽和土力學理論研究固化膨脹土。

4 結 語

(1)本文在對膨脹土固化劑進行分類的基礎上，進一步總結和分析了不同類型固化劑固化膨脹土的作用機理；

(2)介紹了水泥固化劑在改性南水北調中線工程膨脹土渠道填筑中的應用；

(3)建議研究適用性廣的固化劑、編制針對固化劑的標準和規范等；建議研究復合固化劑處理膨脹土機理、采用非飽和土力學的理論研究固化膨脹土等等。

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