羥基鋁改性分散性土的試驗研究

楊玉婳，唐 紅，姚海林，劉 杰，岳 嬋

（1.武漢科技大學 城市建設學院，湖北 武漢430065；2.中國科學院 武漢巖土力學研究所，湖北 武漢430071）

分散性土在水的作用下極易發(fā)生崩解并散落成顆粒狀，在我國特殊土塑性圖的分布位置中分散性土處于膨脹土和黃土之間［1］，其滲透系數(shù)較小，防滲性能良好，但是抗水流沖蝕能力很低，極易造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)等工程危害。因此，對分散性土分布地區(qū)土體進行防治與改良是十分必要的。

目前，工程實踐中對于分散性土大多采用添加石灰、水泥、粉煤灰等外加劑的方式進行改性。陳勁松等［2］對大壩分散性心墻料摻加不同配合比的水泥和生石灰進行改性，得出在水泥摻量為3%或者生石灰摻量為3%～5%的情況下，基本可以消除土料的分散性，并發(fā)現(xiàn)在摻加水泥和生石灰后心墻料能承受更高的水力比降。李華鑾等［3］對堤壩的幾種比較典型的分散性土進行改性后開展反濾試驗，確定當生石灰劑量達到1.5%時，改性效果最佳。嚴應佳［4］采用粉煤灰對分散性土進行改性，分析了粉煤灰對土的分散性的改性機制，其研究表明粉煤灰對土的分散性、壓縮性和抗?jié)B特性有明顯的改善作用，并建議實際工程中粉煤灰的摻量應控制在4%～10%之間。趙高文［5］采用AlCl3·6H2O、MgCl2·6H2O、CaCl2和CaO作為分散性土的化學改性材料，研究表明上述改性材料均可不同程度地降低土體的分散性能，并能有效地提高土體的抗沖蝕能力。

綜上所述，在分散性土中摻入石灰對土的分散性有一定的抑制效果，但是土體中摻入一定量的石灰后，不僅提高了土體的pH值，而且使得土體容易產生裂縫。因此，有必要尋找一種更合適的添加劑對分散性土進行改良。研究表明，土的絮凝力感膠離子順序為:Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+，由于鈉離子的表面活性遠大于鐵、鋁、鈣離子，鋁離子為三價離子，其絮凝力感膠效果比二價的鈣離子好，且穩(wěn)定性更優(yōu)于鈣離子，因此可利用鋁的氫氧化物或氧化物代替石灰進行改性。羥基鋁是一種帶正電荷的氫氧化鋁水合物，由氯化鋁和氫氧化鈉的產物水解而來，由于其能被緊密吸附于帶正電荷的黏土顆粒表面，經過老化，形成牢固的水合氧化鋁層，因此能有效防止土的分散。基于此，筆者以羥基鋁改良分散性土為研究對象，采取針孔試驗、碎塊試驗和雙比重計試驗，結合土樣改良前后的物理化學性質，探究不同鋁土比的羥基鋁溶液對分散性土的改良效果及其改性機制。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

（1）土樣。試驗采用的土樣選自東北某均質土壩樁號K84+600處，土樣表面呈黑灰色，天然含水率為32.6%，土樣的顆粒構成以黏粒和粉粒為主，按塑性圖的分類方法屬于高液限黏土（CH），其有機質含量為1.66 g/kg，pH值為9.12，呈強堿性。土中黏土礦物以蒙脫石為主，其成分比例為全土的22.16%，非黏土礦物以石英和鈉長石為主。經針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、交換性鈉離子百分比試驗及孔隙水可溶性陽離子試驗等分散性試驗鑒定，其為典型的分散性土。土的基本物理化學性質、礦物成分組成見表1、表2。

表1 土的物理化學性質

表2 土的礦物成分組成

（2）羥基鋁溶液。制備完成的羥基鋁為溶液，呈無色透明狀，主要成分為氫氧化鋁及其聚合物，其制備原材料為AlCl3·6H2O、NaOH和蒸餾水（其中AlCl3·6H2O和NaOH均為分析純），摻入分散性土中時以不同鋁土比的羥基鋁溶液與土樣進行膠結。

1.2 試驗方法

（1）分散性鑒別方法。對不同鋁土比（鋁離子的物質的量/分散性土的質量）的膠結土樣分別進行針孔試驗、碎塊試驗和雙比重計試驗，判斷羥基鋁溶液的改性效果。針孔和碎塊試驗均按最優(yōu)含水率、壓實度為0.95制備土樣，針孔試驗將土樣制成直徑為38.1 mm、高為38.1 mm的圓柱體，碎塊試驗將土樣制成邊長為1 cm的正方體，雙比重計試驗采用過孔徑2 mm篩的風干土樣，試驗方法均參照《分散性土研究》中介紹的方法［7］和美國材料試驗協(xié)會提出的分散性土鑒別方法［8-10］。

（2）羥基鋁的制備試驗和土的膠結試驗。本試驗根據(jù)羥基鋁的最優(yōu)合成條件［11］制備羥基鋁溶液:總鋁濃度為0.1 mol/L，反應溫度為80℃、堿化度（OH-/Al摩爾比）為2.5、堿化率（NaOH溶液滴入速率）為50 mL/min。調節(jié)實驗室溫度為室溫，將300 mL濃度為0.6 mol/L的AlCl3溶液加入到玻璃反應釜中，利用恒溫水浴鍋將反應釜的溫度加熱到80℃，使用滴定管以一定的速率（50 mL/min）向反應釜中滴加900 mL濃度為0.5 mol/L的NaOH溶液，并以一定的攪拌速率（250 r/min）進行充分攪拌。待NaOH溶液滴入完畢后，通過滴定管向反應釜中加入110 mL蒸餾水，將混合溶液繼續(xù)攪拌20 min，制備完成后的羥基鋁溶液需在室溫下老化一周。

在膠結土樣之前將分散性土風干、碾細并過孔徑2 mm篩，然后將制備好并經養(yǎng)護后的羥基鋁溶液以一定的鋁土比和分散性土樣混合，并充分攪拌10 min，常溫下養(yǎng)護7 d。隨后除去上清液，并將膠結土樣風干、研磨、過篩后備用。

（3）其他試驗。土體的相對密度、顆粒分析、陽離子交換量和pH值等試驗均是按照《土工試驗規(guī)程》［12］的要求進行的。

2 試驗結果與分析

2.1 改性前后土樣物理化學性質對比

改性前后土樣的基本物理化學性質見表3。

（1）相對密度。研究表明，土粒相對密度大小范圍有限，一般在2.6～2.8之間［13］，而且一般土粒的相對密度變化有限，然而從表3可以看出，改性后土體的相對密度顯著降低，已經遠遠低于一般土體的相對密度。隨著羥基鋁鋁土比的增大，土粒相對密度越來越低，可能是由于羥基鋁溶液的加入導致土顆粒之間的連接增強，土粒粒徑明顯增大，因此相對密度越來越小。

表3 改性前后土樣的物理化學性質

（2）顆粒組成。土的顆粒組成屬于土的基本參數(shù)，從顆粒組成的測試結果來看，改性后土體的粉粒含量顯著增大，黏粒含量明顯減小。改性后土體中的粗顆粒含量逐漸增大，細顆粒含量逐漸減小，表明土的比表面積減小，親水性變弱，土顆粒與水分的接觸面積減小，土粒的分散程度降低，土粒相互聚集形成相對緊湊的絮凝結構，證明了羥基鋁及其聚合物對黏土顆粒具有“團聚”“膠結”作用，從而使黏粒聚凝成團，造成粗粉粒含量增大而黏粒含量減小，比較直觀地證明了羥基鋁溶液對分散性土顆粒大小改變的效果。

（3）pH值。pH值是表征土壤化學性質的重要指標，也是影響土體分散性的重要因素之一。改性前土體的pH值為9.12，呈強堿性，改性后土體pH值隨著鋁土比的增大而降低，土體由強堿性變?yōu)槿鯄A性，這說明羥基鋁溶液從分散性土的本質因素上改變了分散性土存在的環(huán)境。有關研究表明，pH值可作為鑒別分散性土與非分散性土的輔助指標［14］。因此，從pH值的角度來看，羥基鋁溶液對于分散性土有很好的改良效果。

（4）陽離子交換量。陽離子交換量（CEC）是土體基本物理化學性質之一，是度量土樣對溶液中的陽離子交換吸附性能強弱的指標［6］，可反映土中黏粒含量和黏土礦物成分，在一定程度上反映土的物理化學特性，對于顆粒越破碎或越細小的土體，其表面上礦物成分越豐富，可提供離子交換的機會越多，其陽離子交換量就越大。經羥基鋁改性后的分散性土陽離子交換量顯著降低，表明改性后分散性土解理的晶面和結合水膜厚度減小，土體的水化作用減弱，親水性和膨脹性也有所減弱。

2.2 分散性鑒別結果對比

對不同鋁土比的羥基鋁溶液處理過的膠結土樣分別進行針孔、碎塊和雙比重計試驗。分散性鑒別結果見表4。

表4 改性前后土的分散性鑒別結果

（1）針孔試驗（見圖1）。改性前的土進行針孔試驗后，最終針孔孔徑約為5 mm，水色很渾濁，呈深灰色，為典型的分散性土；加入羥基鋁溶液改性后，當鋁土比為0.08 mmol/g時，最終針孔孔徑約為3 mm，水色呈稍淺的灰色，為分散性土；鋁土比為0.10 mmol/g時，最終測量的針孔孔徑約為2 mm，水色比較渾濁，屬于分散性土；鋁土比為0.20 mmol/g時，最終針孔孔徑約為1.5 mm，水色稍渾濁，呈淺灰色，鑒定為過渡性土；鋁土比為0.40 mmol/g和0.60 mmol/g時針孔孔徑無明顯變化，水色清澈不渾濁，杯底伴有少量的土顆粒，經判別為非分散性土。

針孔試驗反映了土壤顆粒所能承受水流的沖蝕能力，其試驗結果可直接定性鑒別試樣的分散性能。從針孔試驗的鑒別結果來看，羥基鋁溶液對分散性土的改性有明顯改善的趨勢，證明羥基鋁溶液是一種良好的分散性土壤改良劑。

圖1 針孔試驗土樣

（2）碎塊試驗（見圖2）。改性前的土塊在碎塊試驗時沒有出現(xiàn)崩解現(xiàn)象，但在土塊的周圍出現(xiàn)明顯的“云霧狀”并擴散到整個杯底，而且水色許久不清，這是典型的分散性土的特征；在加入羥基鋁溶液處理后，土塊在碎塊試驗時只發(fā)生不同程度的崩解，在鋁土比為0.08、0.10 mmol/g時，土塊部分發(fā)生崩解，而在鋁土比增大為0.20、0.40、0.60 mmol/g時，土塊發(fā)生完全崩解，但是自始至終水色沒有出現(xiàn)明顯的渾濁現(xiàn)象，鑒別結果均為非分散性土。

圖2 碎塊試驗土樣

碎塊試驗基于膠體化學的基本觀點，認為某些黏性土在水中產生分散性是由于膠體顆粒的析出，因此采用膠體析出的程度不同作為鑒定標準［7］。土壤膠體在一定條件下可以分散或凝聚在介質中，這種凝聚一般是在陽離子的作用下產生的，不同陽離子的凝聚能力為由碎塊試驗的結果來看，在羥基鋁溶液摻量很低的時候改良即有明顯的效果，原因可能是羥基鋁溶液的加入，使土壤中鋁離子的含量瞬間增大，而鋁離子具有很強的絮凝感膠能力，這增大了土壤膠體的凝聚作用。隨著羥基鋁摻量的增大，鋁土比為0.20 mmol/g時土塊發(fā)生崩解的程度開始變大，這是由于改性后的土樣黏粒含量越來越小，粉粒含量越來越大，土樣呈粉土化，因此遇水極易發(fā)生崩解。

（3）雙比重計試驗。在進行雙比重計試驗時，改性前的土體在加入分散劑和不加入分散劑時的黏粒含量分別為47.0%和36.5%，分散度為77.7%，由雙比重計試驗判別標準鑒定為分散性土（分散度＞50%）。改性后的土體分散度隨著羥基鋁鋁土比的增大逐漸降低，土樣由分散性土轉為過渡性土再轉為非分散性土。在鋁土比為0.08 mmol/g時，土體由分散性土轉為過渡性土（分散度為30%～50%），在鋁土比為0.60 mmol/g時，土體由過渡性土轉為非分散性土（分散度＜30%）。

雙比重計試驗是依據(jù)土體加分散劑前、后黏粒含量的比值對分散性土進行分類的，而從前文中羥基鋁溶液改性前后土體顆粒分析的結果可以得知，羥基鋁溶液對土體顆粒大小的改變有明顯的作用。因此，加入羥基鋁溶液的土樣雙比重計試驗的結果顯而易見，即羥基鋁溶液對分散性土的分散程度有明顯的抑制作用，表現(xiàn)為土體的分散度隨著鋁土比的增大而逐漸減小，且在一定程度上定量反映了土的分散度與鋁土比之間的相關關系。

由以上分散性鑒別試驗的結果可以看出，幾種分散性鑒別結果不盡相同，原因是這3種分散性鑒別試驗都有各自的適用條件，影響因素也各不相同，以往關于分散性土的研究也存在類似的結果［15］。但對3種鑒別試驗分別進行分析并結合土的物理化學性質可知，羥基鋁溶液對土的分散性確實有明顯的抑制作用，并且隨著羥基鋁鋁土比的增大，這種抑制作用有逐漸增大的趨勢。因此，綜合3種分散性鑒別試驗結果可以得出，土樣在羥基鋁鋁土比為0.2～0.4 mmol/g時完全表現(xiàn)為非分散性土的性質。

2.3 土樣分散的原因及羥基鋁作用機理分析

（1）土樣分散的原因分析。根據(jù)土樣的物理化學和礦物性質可知，土體有較高的pH值和交換性鈉離子含量，當土樣的pH值較高時，黏土礦物表面會產生較多的負電荷，若此時土中含有大量的陽離子如Na+，則大量的鈉離子會吸附到土顆粒表面，使得土顆粒間雙電層變厚，晶體擴散的排斥力大于吸引力，凈勢能表現(xiàn)為排斥力，土體便會被分散。

（2）羥基鋁與分散性土的作用機理分析。隨著羥基鋁溶液的加入，土粒相對密度明顯減小、粒徑變大、陽離子交換量變小等結果都表明了羥基鋁溶液與土樣的膠結、團聚等作用，另外高價陽離子Al3+濃度增大，Na+的濃度降低，且三價離子的擴散雙電層厚度比一價離子的小，高價的Al3+進入晶層之間或顆粒間隙后，單個顆粒或相鄰顆粒表面的雙電層厚度變薄，顆粒間吸引力增大，斥力減弱。此外，羥基鋁溶液能有效降低土壤的pH值，使得黏土礦物邊緣的兩性氧化鋁表現(xiàn)為正電性，與帶負電荷的土顆粒相互作用，導致顆粒從懸液中絮凝，土樣的分散性逐漸降低。

3 結 論

（1）3種分散性鑒別試驗的結果不盡相同，但都存在分散性降低的趨勢，表明羥基鋁溶液在鋁土比為0.20～0.40 mmol/g時，經其改善的土體由分散性土轉為非分散性土。

（2）羥基鋁溶液與土體的膠結使土體的相對密度降低，對土體的顆粒組成有明顯的團聚作用。改性后土體陽離子交換量明顯降低，且pH值降低。

（3）通過高價離子的置換、膠結等作用及降低土體的堿性，羥基鋁溶液能有效改善土的分散性，可作為一種良好的分散性土改性劑。