甜菜碱处治膨胀土效果及机理研究.docx

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甜菜碱处治膨胀土效果及机理研究

甜菜碱处治膨胀土效果及机理研究

甜菜碱处治膨胀土效果及机理研究甜菜碱处治膨胀土效果及机理研究殷志祥1，高哲1，冯瑶2，谷松原3（1.辽宁工程技术大学研究生院，辽宁阜新123000；2.锦州市开发区财政投资评审中心，辽宁锦州121000；3.同济大学道路与交通工程教育部重点试验室，上海201804）摘要：

采用十二烷基三甲基胺乙内酯（甜菜碱）处治辽西某地膨胀土路基，以提高膨胀土路基结构强度。

同时设计试验，揭示甜菜碱处治膨胀土的机理。

在测定所用膨胀土基本物理性质参数的基础上，通过CBR试验、无侧限抗压试验、自由膨胀试验、干湿循环后的无侧限抗压试验等，验证甜菜碱对膨胀土的处治作用。

试验结果表明甜菜碱能够提高膨胀土的强度和抵抗干湿循环的能力，同时降低膨胀土自由膨胀率，试验条件下的经济掺量为0.6%。

此外根据双电层理论分析了甜菜碱处治膨胀土的机理。

进而通过吸附试验和阳离子交换试验证明，甜菜碱分子内氮原子上的正电荷、长脂肪碳链、羧基均具有处治膨胀土的作用。

关键词：

道路工程；膨胀土路基；离子交换试验；甜菜碱处治；膨胀土；吸附试验0引言膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩并往复变形的性质，对路基的破坏作用不可低估，各国都投入大量资金研究膨胀土路基处治方法[1]。

近年来，使用有机化合物对膨胀土进行处治的研究不断涌现[2]。

有机处治剂具有掺量少、易储存、可改善颗粒表面性能的优点[3]，逐渐获得国内外研究者的关注。

部分研究者使用有机阳离子化合物对膨胀土进行处治。

王保田[4]、Iiyama[5]、尚云东[6]等使用十二烷基三甲基溴化铵，Inyang[7]等使用阳离子聚丙烯酰胺对膨胀土进行处治，结果表明这类试剂能够促进膨胀土排水，降低膨胀土自由膨胀率、提高膨胀土结构强度。

部分研究者使用表面活性剂处治膨胀土，通过加入一端亲水、一端疏水的有机分子（例如十二烷基磺酸钠[8]）改善膨胀土性能。

此外也有研究者使用脲醛树脂等高分子固化剂[9]，通过一系列加成、缩聚、固化反应，形成难溶于水的固化物，进而促进膨胀土固化。

目前这些有机物处治方法已经部分应用于实际工程，但部分处治剂仍然存在溶解度低、难以和膨胀土混合的问题[4]。

因此研究者仍然在寻找其他有机处治剂，以期取得更优秀的处治效果。

有机化学认为，有机化合物的化学性质、功能等由官能团决定，具有相似官能团的有机化合物化学性质相似[10]。

在了解不同官能团的处治膨胀土效果的前提下，某些具有多种有效官能团的有机化合物，可能具有更好的处治效果。

因此本文拟根据这一思路寻找合适的有机化合物，验证其处治效果，并设计试验揭示该化合物处治膨胀土的机理。

1试验材料1.1处治剂介绍通过对不同有机化合物的调研，本文认为十二烷基三甲基胺乙内酯可能具有处治膨胀土的效果（该化合物俗名十二烷基三甲基甜菜碱，下文简称甜菜碱），原因如下：

（1）甜菜碱分子内氮原子上含有正电荷，与阳离子聚丙烯酰胺、十二烷基三甲基溴化铵等化合物具有类似官能团。

（2）甜菜碱含有羧基。

推测该官能团能够与土壤中Ca2+、Mg2+相结合，降低土体阳离子浓度，因此可能具有处治能力。

（3）长脂肪碳链具有表面活性剂作用。

甜菜碱分子内一端含有亲脂性（指容易与有机物相结合的性能）的长脂肪碳链，并且另一端含有亲水的羧基，属于典型的表面活性剂，与十二烷基磺酸钠具有类似官能团。

甜菜碱结构式如图1所示。

该化合物具有一定的吸湿性能[11]，对热稳定，310℃开始分解，呈阳离子型，极易溶于水，因此容易与土体混合。

以往研究中，有学者尝试使用甜菜碱及其同族化合物与膨胀土共混，形成具有吸附作用的颗粒，用于处理污水等[12-13]，但尚无直接用于道路工程提高膨胀土路基强度的研究。

目前甜菜碱市场价格1～2万元/t。

图1甜菜碱与其他处治剂结构式对比

Fig.1Contrastofstructuralformulasbetweenbetaineandothermodifier根据以上讨论，甜菜碱可能包含3种具有处治功能的官能团。

本文将针对甜菜碱处治膨胀土的效果进行研究。

1.2试验用膨胀土本文选取辽宁省西部锦州地区102国道沿途采集的膨胀土土样，以测试甜菜碱处治效果。

膨胀土取样深度为距离路基顶部1.5m深度处。

随后根据公路土工试验规程[14]测试膨胀土粒度组成和液塑限、天然含水率、最佳含水率、自由膨胀率等基本物理性质。

结果如图2、表1所示。

图2试验用膨胀土粒度组成

Fig.2Sizecompositionoftestedexpansivesoil表1膨胀土基本物理性质测量结果（单位：

%）

Tab.1Measurementresultofbasicphysicalpropertyofexpansivesoil（unit：

%）液限塑限自由膨胀率天然含水率最佳含水率107521396216248根据现行公路路基设计规范[15]可知，该膨胀土自由膨胀率>90%，属于强膨胀土，无法直接作为高等级公路路基填土，因此有必要进行处治。

2甜菜碱处治膨胀土效果分析依据公路土工试验规程，本文以膨胀土CBR（Californiabearingratio）、无侧限抗压强度、自由膨胀率、干湿循环后的无侧限抗压强度等4个指标评价甜菜碱对膨胀土的处治效果。

试验过程中，首先将膨胀土风干、碾碎，然后在每公斤膨胀土中分别加入0，2，4，6，8，10，12g甜菜碱进行处治,另设一加入0.6%阳离子聚丙烯酰胺的土组作为对照试验。

考虑到有机反应速度缓慢，将处治剂与土体拌和均匀后，放入密封袋中闷料72h，然后制成不同试件用于试验。

每档甜菜碱掺量设置3个试件进行平行试验，试件含水率为最佳含水率。

2.1CBR试验CBR试验可用于评价处治后膨胀土路基的承载能力，是评价路基填筑材料的常用指标。

经过处治后，膨胀土CBR试验结果如图3所示。

图3处治后膨胀土CBR

Fig.3CBRoftreatedexpansivesoil根据试验结果可知，经甜菜碱处治后，膨胀土CBR得到了提升。

当甜菜碱掺量超过0.6%后，膨胀土CBR超过6.5，可以用于填筑高等级公路路基[15]。

此外，甜菜碱的处治效果好于阳离子聚丙烯酰胺。

在0.6%掺量的条件下，甜菜碱处治的膨胀土CBR比阳离子聚丙烯酰胺处治后大7.8%。

2.2无侧限抗压试验无侧限抗压试验可用于评价处治后膨胀土的结构强度。

经过处治后，膨胀土无侧限抗压试验结果如图4所示。

图4处治后膨胀土无侧限抗压强度

Fig.4Unconfinedcompressivestrengthoftreatedexpansivesoil由试验结果可知，甜菜碱能够提升膨胀土的无侧限抗压强度。

处治后膨胀土的无侧限抗压强度提升至0.6MPa以上。

此外，甜菜碱的处治效果好于阳离子聚丙烯酰胺。

在0.6%掺量的条件下，甜菜碱处治的膨胀土无侧限抗压强度比阳离子聚丙烯酰胺处治后大17.6%。

此外，甜菜碱处治后，膨胀土的无侧限抗压强度与粉煤灰等常见处治手段处治后的膨胀土无侧限强度基本类似[16]。

2.3干湿循环性能膨胀土多见于潮湿多雨地区，因此有必要研究处治后膨胀土抵抗干湿循环的能力。

本文以干湿循环后膨胀土无侧限抗压强度评价膨胀土抵抗干湿循环的能力。

根据已有的研究成果[17]，确定土体的湿度上限为35%，湿度下限为15%，湿度差为20%，干湿循环次数为4次。

干燥过程使用风干，增湿过程采用喷淋注水，随后用保鲜膜包裹试件，放置一整天以确保水分充分扩散。

考虑到干湿循环试验操作复杂，因此只进行0.6%，0.8%两种甜菜碱掺量的干湿循环试验，并设置无处治剂，将0.6%阳离子聚丙烯酰胺的土组作为对照。

试验结果如图5所示。

图5干湿循环下的膨胀土无侧限抗压强度

Fig.5Unconfinedcompressivestrengthofexpansivesoilunderdry-wetcycles根据试验结果可知，随着干湿循环次数的增加，无论是否经过处治，膨胀土无侧限抗压强度均明显下降。

但经过甜菜碱改良后的无侧限抗压强度始终大于天然膨胀土相同干湿循环后的无侧限抗压强度。

因此可认为甜菜碱能够提升膨胀土抵抗干湿循环的能力。

此外在改善膨胀土抵抗干湿循环的能力方面，甜菜碱与阳离子聚丙烯酰胺区别不大。

在0.6%掺量的条件下，阳离子聚丙烯酰胺处治效果略好于甜菜碱，无侧限抗压强度最大相差9.6%。

2.4自由膨胀率试验为了考察甜菜碱能否降低膨胀土膨胀性，以满足规范中对路基填料的要求，本文测定处治前后膨胀土的自由膨胀率。

测量结果如图6所示。

图6处治后膨胀土自由膨胀率

Fig.6Freeswellingratiooftreatedexpansivesoil由试验结果可知，经甜菜碱处治后，膨胀土的自由膨胀率明显下降。

根据公路路基施工技术规范[18]，膨胀土用于二级或二级以上公路路基填料时，处治后自由膨胀率不应超过70。

当甜菜碱掺量大于0.4%时，即可满足高等级公路路基填料的膨胀率要求。

此外，甜菜碱对膨胀土自由膨胀率的降低效果好于阳离子聚丙烯酰胺。

在0.6%掺量的条件下，甜菜碱处治的膨胀土自由膨胀率比阳离子聚丙烯酰胺处治后小9.2%。

图7甜菜碱处治膨胀土机理

Fig.7Mechanismofmodifyingexpansivesoilbybetaine2.5试验结果总结

（1）使用甜菜碱处治后，膨胀土的CBR、无侧限抗压强度、抵抗干湿循环的能力均有明显提升，同时自由膨胀率下降，证明甜菜碱确实具有处治膨胀土的能力。

本文推测的3种可能具有处治作用的官能团中至少有一个起到作用。

此外通过对比甜菜碱与阳离子聚丙烯酰胺的处治效果，证明多官能团处治剂处治效果优于单官能团处治剂的处治效果。

（2）与以往研究不同[19]，甜菜碱处治膨胀土不存在（或至少在经济范围内不存在）强度随处治剂掺量先增加再减少的情况。

因此难以直接确定最佳处治剂掺量。

考虑到在0.6%掺量下，膨胀土强度增长速度较快，而在0.8%掺量下，膨胀土强度增长速度已经放缓。

因此可以认为0.6%掺量为经济掺量。

在此条件下，每吨膨胀土需要6kg甜菜碱处治，市场价格为100元左右。

3甜菜碱处治机理分析3.1双电层理论为揭示甜菜碱处治膨胀土的机理，可以使用双电层理论[20]。

该理论认为，膨胀土颗粒表面含有两个电荷层与两个水分子层，膨胀土的强度由水分子层决定。

具体如下：

（1）膨胀土由蒙脱石/伊利石等表面带有负电荷的土壤颗粒组成。

同时膨胀土中还含有K+,Na+，Mg2+，Ca2+等金属阳离子，这些阳离子受到膨胀土表面负电荷的吸引后，排列在土壤颗粒表面附近，进而形成两个电荷层。

（2）上述阳离子会产生渗透压，吸引水分子聚集于膨胀土颗粒表面。

同时由于水分子中O原子电负性远大于H原子，O原子会带有部分负电荷（以δ-表示），H原子会带有部分正电荷（以δ+表示）。

水分子中带δ+的H原子会被土壤颗粒表面的负电荷吸引，带δ-的O原子会被带正电荷的金属阳离子吸引，进而形成两个水分子层，整个过程如图7处治前所示。

水分子的存在使得膨胀土颗粒无法聚集，强度较小。

设法降低膨胀土颗粒亲水性，或者减少膨胀土中金属阳离子含量，都能起到减小颗粒表面水分子层厚度的作用，进而实现促进膨胀土颗粒团聚、提升膨胀土强度的目标。

本文以这一理论为基础，设计试验揭示甜菜碱内不同官能团的处治机理。

3.2机理1：

降低颗粒亲水性甜菜碱分子内含有亲脂性的长脂肪碳链，这一官能团可以降低膨胀土颗粒的亲水性、提高亲脂性。

同时甜菜碱N原子上还含有正电荷，被膨胀土颗粒表面的负电荷吸引后，可以排挤Ca2+、Mg2+等金属阳离子，起到降低渗透压的作用。

因此当甜菜碱分子进入膨胀土后，N原子被吸附在膨胀土颗粒表面，长脂肪碳链外露。

整个颗粒的亲脂性上升、渗透压和亲水性下降，促进水分从土体中排出，进而提高膨胀土强度，如图7处治后所示。

为了证明这一机理，可直接测量膨胀土颗粒的亲脂性，即在土壤溶液中加入有机物分子，并测定膨胀土颗粒的有机物吸附常数。

如果经甜菜碱处治后，吸附常数上升，则可以证明这一机理的正确性。

本文采用文献[21]所介绍的批量平衡法测定土壤溶液中土壤颗粒对有机物邻苯二甲酸二甲酯（DMP）的吸附常数。

首先选择已知质量的未处治膨胀土与0.6%甜菜碱处治后的膨胀土分别配成悬浊液，使用1%叠氮化钠对悬浊液杀菌，排除土壤有机物干扰。

将所得悬浊液与已知质量的DMP混合，然后在恒温振荡器上振荡，直到有机物的浓度在固、液两相中达到平衡。

分别测定两相中有机物的浓度，根据水相DMP浓度、悬浮液颗粒物浓度、水体积等参数，计算在某特定温度下的DMP吸附量。

建立形如式

（1）所示的Freundlish吸附等温线，用以描述DMP在膨胀土颗粒上的吸附状况。

测量结果如图8所示。

式中，Cs为吸附于颗粒物上的DMP浓度；Ceq为平衡时水相中待测物浓度；Kd为吸附常数；a为回归得出的指数项常数。

图8处治前后等温吸附线对比

Fig.8Comparisonofadsorptionisothermsbeforeandaftermodification由测试结果可知，甜菜碱处治后，悬浮物表面DMP浓度上升28.7%。

使用MATLAB回归可得天然膨胀土Kd为0.00792g/L，甜菜碱处治后的膨胀土Kd为0.0187g/L。

因此在使用甜菜碱处治后，土壤颗粒表面的DMP吸附常数明显上升。

试验结果表明膨胀土颗粒被甜菜碱分子包围后亲脂性上升，进而证明了机理1的正确性。

3.3机理2：

减少金属阳离子含量甜菜碱分子内含有能够与高价金属阳离子生成沉淀的羧基，这一官能团可以降低膨胀土中Mg2+、Ca2+的含量，进而降低了膨胀土颗粒附近的渗透压，起到降低水分子层厚度的作用，如图7处治后所示。

为了证明这一机理，可以测量土壤阳离子交换量。

如果土壤溶液的Mg2+、Ca2+交换量明显下降，则可以证明这一机理的正确性。

本文选择土壤化学中比较成熟的氯化钡缓冲液法测定土壤阳离子交换总量，然后采用ModelSP-3800型原子分光光度计测定阳离子交换的组成和数量[22]。

使用这一方法，可以定量获得Mg2+、Ca2+的交换量。

测量结果如图9所示。

图9处治前后阳离子交换量对比

Fig.9Comparisonofcationexchangecapacitybeforeandaftermodification由结果可知，Mg2+和Ca2+的离子交换量均有明显下降，表明两类金属阳离子的浓度下降。

Na+和K+阳离子交换量几乎没有变动，这与Na盐和K盐溶解度较高有关。

因此，可以认为甜菜碱分子内的羧基会和土壤中Mg2+、Ca2+发生反应，生成不溶于水的沉淀，直接降低土壤金属阳离子浓度，进而证明机理2。

4结论本研究验证了甜菜碱对膨胀土的处治效果。

结果表明：

（1）经甜菜碱处治后，膨胀土的CBR、无侧限抗压强度、抵抗干湿循环的能力得到提升，自由膨胀率下降。

因此认为甜菜碱对膨胀土具有处治作用。

同时甜菜碱的处治效果优于阳离子聚丙烯酰胺的处治效果，在一定程度上证明多官能团处治剂的优越性。

（2）随着甜菜碱掺量的增加，处治效果逐渐提高，但强度增长速度变慢，考虑经济因素，可认为经济掺量位于强度增长曲线增速放缓的位置，本文试验条件下经济掺量为0.6%。

（3）通过测定有机物吸附常数和阳离子交换量，阐释甜菜碱处治膨胀土的机理。

长脂肪碳链、N原子上正电荷、分子内羧基均具有降低水膜厚度，提升膨胀土强度的功能。

（4）在未来研究中，可考虑将甜菜碱与其他处治剂共同作用，降低处治成本。

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