膨胀土化学改良现状及其展望.docx

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膨胀土化学改良现状及其展望

膨胀土化学改良现状及其展望

膨胀土因在形貌和工程性质上的特殊性，以及其对工程建筑物所产生的严重破坏作用而引起人们的广泛重视。

据统计，美国由于膨胀土造成的损失每年达几百亿美元，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成损失的总和；我国仅铁路每年就需耗资上亿元进行膨胀土地区铁路工程的整治。

然而由于膨胀土组成和结构的复杂性，膨胀土一词的真正含义在1969年第二次国际膨胀土研究会议上才正式给出。

膨胀土工程上的定义是一种由于它的矿物成分对于它的环境变化，特别是湿度状态的变化非常敏感的土，其反应是发生膨胀和收缩，并产生膨胀压力。

矿物学上的定义是膨胀土中主要含有蒙脱石等矿物，这些层状硅酸盐矿物为主的膨润土（或称斑脱土），吸水后体积可膨胀1O～30倍。

要在膨胀土上建造建筑物，必须对其基础膨胀土进行处理。

常用方法有：

换土，喷射桩和化学改良等。

在这些处理方法中，化学改良固化因具有较好的性价比而受到人们广泛重视。

为此，在对膨胀土的胀缩性能和膨胀土的化学改良固化现状进行分析的基础上，对膨胀土的化学改良固化下一步研究进行了展望和探讨。

1  膨胀土的胀缩性能

    要使化学改良膨胀土具有较好的长期耐久性，必须对膨胀土产生胀缩的原因有深刻的了解。

大量的研究表明，膨胀土的胀缩性能主要与其粘土矿物的组成、结构及其堆聚的微结构有关。

1.1  粘土矿物与胀缩性

   膨胀土矿物成分包括各种粘土矿物和碎屑矿物，大致有2O种之多，表1是一般膨胀土粘土颗粒中常见矿物成分  ]。

碎屑矿物中大部分为石英、长石（主要为斜长石）和云母等矿物，碎屑矿物大多是粗颗粒的组成物质，在膨胀土中含量有限，对膨胀性能影响较小。

粘土矿物由蒙脱石、伊利石和高岭石及其变体等组成，具有层状或链状晶体构造的含水铝硅酸盐，其共同特点是，结晶度低，晶粒细微，同晶置换现象普遍，胶体特性十分典型；粘土矿物主要是细颗粒的组成物质，在膨胀土中不仅占有绝对优势，而且是决定其“粘土特性”的主要物质基础，从而也是控制膨胀土工程性质的重要内在因素  。

   各类粘土矿物由于其化学成分、晶格构造及离子交换能力等性质的不同，决定了不同类型粘土矿物彼此之间的特性差异。

大量研究表明，各种粘土矿物组成与膨胀土的物理化学性质与力学性能之间的相关关系，大致存在着一般规律。

蒙脱石矿物对于膨胀土工程性质的影响尤其具有特别重要的作用。

长江水利水电科学研究院研究表明，当膨胀土中蒙脱石含量达到5时，即可对土的胀缩性和抗剪强度产生明显影响。

倘若蒙脱石含量超过2O～3O时，则土的胀缩性和抗剪强度基本上全由蒙脱石所控制。

蒙脱石是化学成分复杂的一大族矿物，称为蒙皂石族（smectite），亦称蒙脱石族。

端员矿物蒙脱石属单斜晶系，是由2层硅氧四面体和1层夹于其间的铝（镁）氧（羟基）八面体构成的2：

1型层状硅酸盐矿物，结构单位层间为0与0，键力极弱，易被具有氢键极化水分子分开。

另外，蒙脱石晶格的异价类质同晶置换是其最基本、最重要的构造特性，蒙脱石的硅氧四面体和铝氧八面体中的硅、铝离子被其它不等价阳离子（Fe＋3，Fe＋2，Zn＋2，Mg＋2等）所置换，形成层间负电荷，使晶层具有吸附水化阳离子的能力。

同时，蒙脱石的端面破键和八面体片在碱性环境中的离解也会产生负电荷，使蒙脱石具有吸附水化阳离子的能力  。

蒙脱石吸附水化阳离子后，晶面间距（co）加大，产生吸水膨胀。

自然界产出的较稳定形式的蒙脱石，单位化学式有2H20时，co＝1.24  nm；有4H20时，co＝1.52nm；高水化状态c。

为1.84～2.14  nm，有时甚至可达4.8nm左右。

蒙脱石层间吸附的阳离子是可交换的，能与土颗粒周围溶液中的阳离子进行等物质量的交换。

不同的阳离子使得蒙脱石的吸附性能不同，含高价阳离子的蒙脱石处在塑性体－流体的过渡阶段，较一价阳离子蒙脱石水化能高，吸水速度快，吸水量大，膨胀率高，在低湿状态的样品尤为明显；但进入分散状态时则不然，此时吸水膨胀性能受晶格的离解程度制约，高价阳离子比一价阳离子具有较大的倾向把粘土矿物维系在一起，含高价交换离子的蒙脱石晶格的离解程度较含一价交换阳离子的蒙脱石晶格离解度低，吸水量少，最终吸水率也低。

但一价离子中钾离子是一个例外，可能是因为它的大小和配位数允许它紧密地填人粘土矿物表面氧的六角形网眼中，可加强层间连结，减少吸水量，氨离子的作用与钾离子类似口。

有机阳离子和有机极性分子也能显著地影响蒙脱石的吸附性能。

Gleseking报道说，当蒙脱石粘土用多种有机阳离子饱和后，其吸水膨胀性能就将失却，这些阳离子吸附在蒙脱石底面上。

Hendricks指出，吸附有胺离子的蒙脱石吸附水分的数量同根据总表面与被胺离子遮盖的一部分表面之差而推断出蒙脱石吸附水分数量非常接近。

总之，层间吸附的阳离子使得蒙脱石的吸水膨胀性能表现出较大的差异。

粘土矿物中伊利石的晶体构造与蒙脱石相似，同样由2层硅氧四面体和1层铝氧八面体组成，所不同之处是在2个晶胞之间因吸附钾离子而使联接力增强，结晶格架的活动能力较蒙脱石低，而使一部分极性水分子可以进入晶层之间，显示弱的胀缩性。

高岭石则是由1层硅氧四面体与1层铝氧八面体组成，2个相邻晶胞之间由联接力很强的氢键相结合，极性分子和交换阳离子均不能进入层间，高岭石分子故一般不具胀缩性。

十分清楚，由化学成分、晶格构造及离子交换能力不同的粘土矿物及吸附不同阳离子的相同粘土矿物组成的膨胀土，其吸水膨胀性能将表现出明显的差异。

1.2  微结构与胀缩性

   膨胀土的胀缩变形还与其结构相关，结构也是决定和影响土工程性质极其重要的因素，尤其是“结构连结”。

如果说膨胀土的物理化学性质，主要受膨胀土的物质成分所控制，那么膨胀土的收缩性、强度特性以及变形性质，则在很大程度上取决于膨胀土的微结构特征。

组成膨胀土微结构的物质基础主要是细小的粘土矿物颗粒，粘土颗粒呈聚集状，有的以连续的、非定向排列的分布组成粘土基质，即基质状结构。

这些基质状结构胶体特性十分明显，具有较强的吸水膨胀失水收缩性能。

须藤俊男于1960年发现粘土矿物颗粒间的膨胀远大于其层间膨胀。

蒙脱石聚集体SEM  图中呈现出弯曲而起皱的外貌，并可见到卷曲和起翘的现象，有时薄片起翘卷曲张开呈花瓣状结构形态，而伊利石则是扁平颗粒聚集成叠堆状结构。

蒙脱石这种结构有利于其表现胀缩性。

SEM分析还发现，膨胀土是普遍发育有微孔隙和微裂隙的多孔隙粘性土，无论在聚集体内或聚集体间，都普遍分布有各种大小不同、形状各异的微孔隙和微裂隙。

各种微孔隙和微裂隙的存在，决定了膨胀土的孔隙一裂隙介质属性，有利于水的渗入与溢出，为聚集体的膨胀与收缩创造了水分迁移变化的必要条件，使膨胀土粘土矿物吸水膨胀得以发生，产生膨胀破坏成为可能。

另外，有研究证实具有钠离子扩散层的伊利石，也类似蒙脱石赋予粘土一定的膨胀性。

2  膨胀土化学改良现状

   有关膨胀土化学改良目前使用较多的无机类的固化剂有石灰、水泥等，有机类的有丙烯酸盐系列、聚丁二烯等。

还有使用有机固化剂与无机固化剂复合的方法，也取得了一定效果，如丙烯酸盐与水泥复合、胺基磺酸盐类化合物与石灰复合等。

2.1  无机类固化剂

2.1.1  石灰类固化剂  

    石灰对膨胀土所起的有效作用是最早被人类熟知的，在我国长城、古罗马一些道路都曾用石灰来稳定固化土。

当石灰掺入到膨胀土中，土孔隙溶液中Ca  浓度大幅度增加，可置换出蒙脱石等矿物中吸附的水合Na，这个过程可降低粘土颗粒的水膜层厚度，粘土颗粒凝聚作用增加，有利于粘土颗粒间形成较强的结构连结；石灰的溶解析出Ca（OH）2晶体，对石灰土强度的提高也有正面影响。

石灰与土中微细粘粒中活性SiO2和活性Al203。

发生缓慢的火山灰反应，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙，对粘土颗粒起到胶结作用，同时可减少具有吸水膨胀性能的粘土矿物含量。

另外，C02直接和Ca（OH）2之间的反应以及CO2在水溶液中和Ca＋2的结合都有助于石灰土强度的形成。

但总的说来，石灰固化的膨胀土水稳定性较差。

AI－Mhaidib等的研究表明，固化膨胀土的石灰掺量有一个最佳范围，针对不同膨胀土参数得出石灰的最佳掺量不同。

膨胀土中掺2%（质量分数，下同）石灰对膨胀性能最为有效，超过2%对膨胀性能起反作用；但根据塑性指数和pH值变化来看，最佳掺量应大于4%；根据无侧限抗压强度实验，最佳掺量应大于8%。

2.1.2  水泥类固化剂  

   泥对膨胀土的改良，主要有以下几个方面的作用：

（1）水泥水化反应产生的C—S—H  和C—A—H  凝胶，附着在颗粒表面，具有较强的胶结力，并形成了Ca（OH）2  。

（2）Ca＋2与土颗粒表面吸附离子发生阳离子交换反应，使土颗粒吸水性能改性和团粒化，增加膨胀土的水稳定性。

（3）Ca＋2，OH－渗透进入土颗粒内部，与粘土矿物发生物理化学反应，继续生成上述胶凝物质，可减少亲水性粘土矿物的含量，并提高土颗粒间的连结强度。

    许多研究表明，随着水泥掺量增加，改良膨胀土强度有一定增加。

但因水泥水化反应的体积减缩和水化作用消耗粘粒吸附水而引起干燥收缩，当水泥的掺量超过6％时，稳定土的裂缝将显著增加。

随着水泥掺量增加，稳定土的收缩性能变差，而且固化土的经济成本直线上升，因此考虑固化效果和经济成本，改良膨胀土的水泥掺量一般在4％～1O％之间。

2.1.3  工业废渣类固化剂  

   粉煤灰、矿渣等工业废渣配合石灰、水泥也常被用来改良膨胀土。

由于工业废渣在石灰、水泥水化的碱性环境中具有潜在水化活性，人们从经济和环保角度出发，用其来固化、稳定土体，其固化机理与石灰类、水泥类固化剂类似。

用工业废渣加固膨胀土，最大的优点是比较经济和环保，但其早期强度不高，而且通常需要较大的掺量。

2.1.4  水玻璃类固化剂  

    水玻璃由于其在凝胶剂的作用下具有聚合作用，也常被人们用来改良特殊土。

没有加入凝胶剂，水玻璃是不会发生聚合作用的，在水玻璃溶液中加入酸（或水解后呈酸性的盐）后，硅酸根负离子随着溶液中外加酸浓度的增加而逐步与氢离子结合产生聚合而形成凝胶。

反应生成的硅胶沉淀在土颗粒表面，使土颗粒表面形成一层硅酸薄膜，由于硅酸本身具有胶结性，将土颗粒相互胶结起来，而且生成的硅酸凝胶会脱水缩聚，由单分子的结构，最后变成空间结构，把分散的颗粒进一步聚裹成一个整体，提高了土体的强度。

过去所采用的水玻璃固化剂是由水玻璃和酸性反应剂构成的，在强碱条件下发生胶凝固结。

由于胶凝时间不能延长，固化反应不完全，会发生较强的碱性影响，使生成的SiO2胶体逐渐溶出，大大降低其耐久性，所以目前工程上使用的主要是各种改性水玻璃。

如酸性水玻璃，在中性区域凝胶，没有碱溶出，因此不存在碱性水玻璃那种淋滤腐蚀和污染环境现象。

为延长水玻璃的凝结时间，使用铝酸碱金属盐与碳酸钙混合液进行调整，也取得了一定效果。

另外，水玻璃的改性方法还有使用乙二醛、碳酸乙烯酯等。

2.2    有机类固化剂

   有机固化剂是利用有机聚合物的聚合反应实现对土的固化增强。

常用有机固化剂有丙烯酸盐系列、聚液态丁二烯等。

丙烯酸盐是由丙烯酸和金属离子结合组成的有机电解质，在未聚合之前可溶于水，它是由丙烯酸与碱土金属（M）的反应制得，当采用丙烯酸盐进行膨胀土固化时，丙烯酸盐单体与引发剂一起加入到土中，在土中进行聚合反应，经过链的引发、链的增长等过程，使液状丙烯酸盐聚合成不溶于水的网状高分子凝胶体。

这样土颗粒就被强度高、有塑性的链包围，形成一个空间网，形成土颗粒一丙烯酸盐凝胶一土颗粒的结构，这一结构可提高土颗粒间连结强度，使土体具有较高强度和变形率，表现为土的抗拉、抗剪和单轴抗压强度提高。

   另外，有机网状高分子凝胶体具有憎水作用，可减少水的渗出和渗人，有利于膨胀土的固化。

有机类固化剂由于聚合物与土颗粒中粘土矿物（包括膨胀性矿物蒙脱石等）一般不发生反应，其固化膨胀土的作用主要是通过包裹、机械啮合等物理作用来提高土颗粒间的粘接作用，因此在减少土的膨胀性和增加土的强度方面作用要小。

而且有机物聚合过程不吸收水分，土颗粒表面吸附水膜的存在会更影响聚合物网络对土颗粒连结的加强作用。

要使有机固化剂在土中形成一定的均匀聚合物网络，常需要加大其掺量，而有机固化剂的成本通常较高，因此，常常因经济成本、加固效果等方面原因而限制了有机固化剂的应用。

3  化学改良的思路及展望

3.1  改良思路

   如前所述，膨胀土的胀缩性能不仅与粘土矿物组成、结构有关，而且也决定于粘土矿物堆聚的微结构。

因此，膨胀土的化学改良固化可考虑从改善粘土矿物的强亲水性，减小粘土矿物的吸水膨胀能力；提高粘土颗粒之间的连接强度，改善其微结构；减少水分在土中的渗透与迁移等方面着手，同时固化剂本身应有较好的水稳定性。

改善粘土矿物（如蒙脱石、伊利石等）晶层之间的连结和提高粘土颗粒之间的粘结是膨胀土化学固化的重要途径。

膨胀土用目前化学改良固化方法加强了土颗粒间连结强度，取得了一定的固化效果。

但用这些方法固化的膨胀土在长期环境干湿循环交替作用下，土中亲水性粘土矿物如蒙脱石等会产生吸水膨胀、失水收缩体积变形，胶结物与土颗粒之间形成的连结结构会遭到削弱和破坏，固化膨胀土不具有较好的长期耐久性。

因此，要使化学固化膨胀土获得较好的耐久性，必须对膨胀土吸水膨胀、失水收缩的特性进行改性。

改善膨胀土的水稳定性可通过2种方式实现：

（1）对膨胀土中强亲水性粘土矿物进行改性，调整粘土矿物层间吸附的阳离子的种类和浓度来加强粘土的层间连结，压缩其扩散层厚度，使粘土矿物的胀缩性减小或丧失；

（2）对膨胀土进行防水处理，减少膨胀性粘土矿物周围的湿度变化，从而减少其胀缩变形。

膨胀土化学固化必须结合改善膨胀土的水稳定性和加强膨胀土颗粒间的连结强度2个步骤进行。

即利用无机、有机离子及有机极性分子对粘土矿物吸水特性进行改性，改善膨胀土的胀缩性能，或对膨胀土进行防水处理，减少膨胀土颗粒周围的湿度变化。

在此基础上，利用无机和有机胶结物如石灰、水泥、矿渣、丙烯酸盐等的胶结性能改善土颗粒间的连结，提高土体的强度，从而达到稳定、固化膨胀土的目的。

3.2  进一步的研究方向

   目前固化膨胀土耐久性不良主要是由于粘土矿物在干湿循环环境中胀缩变形引起的，因此下一步研究工作应集中于改善其胀缩性能方面。

改善膨胀土的胀缩性能可从矿物结构改性、扩散层吸附特性改性、阻止水分迁移等几个方面着手。

3.3  实验方法上的改进

    由于膨胀土的非饱和特性，一般土工实验方法并不适合于膨胀土，膨胀土固化研究的一些实验方法有待改进。

即使是应用于膨胀土的实验方法也有缺陷，如自由膨胀率实验（GBJ  123—88）采用5%的NaCI溶液浸泡土。

由于吸附阳离子的不同，膨胀土膨胀率表现不同，自由膨胀率实验不能真实反映膨胀土在其自身阳离子环境中膨胀性能。

膨胀土固化改良要取得较大的进展，现有实验方法必须进行一定改进，建立一系列适合于膨胀土的专门实验方法。