膨脹土化學(xué)改良現(xiàn)狀及其展望

1、膨脹土化學(xué)改良現(xiàn)狀及其展望膨脹土因在形貌和工程性質(zhì)上的特殊性，以及其對(duì)工程建筑物所產(chǎn)生的嚴(yán)重破壞作用而引起人們的廣泛重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)由于膨脹土造成的損失每年達(dá)幾百億美元，已超過(guò)洪水、颶風(fēng)、地震和龍卷風(fēng)所造成損失的總和；我國(guó)僅鐵路每年就需耗資上億元進(jìn)行膨脹土地區(qū)鐵路工程的整治。然而由于膨脹土組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，膨脹土一詞的真正含義在1969年第二次國(guó)際膨脹土研究會(huì)議上才正式給出。膨脹土工程上的定義是一種由于它的礦物成分對(duì)于它的環(huán)境變化，特別是濕度狀態(tài)的變化非常敏感的土，其反應(yīng)是發(fā)生膨脹和收縮，并產(chǎn)生膨脹壓力。礦物學(xué)上的定義是膨脹土中主要含有蒙脫石等礦物，這些層狀硅酸鹽礦物為主的膨潤(rùn)土(或稱斑脫

2、土)，吸水后體積可膨脹1O30倍。要在膨脹土上建造建筑物，必須對(duì)其基礎(chǔ)膨脹土進(jìn)行處理。常用方法有：換土，噴射樁和化學(xué)改良等。在這些處理方法中，化學(xué)改良固化因具有較好的性價(jià)比而受到人們廣泛重視。為此，在對(duì)膨脹土的脹縮性能和膨脹土的化學(xué)改良固化現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)膨脹土的化學(xué)改良固化下一步研究進(jìn)行了展望和探討。1 膨脹土的脹縮性能 要使化學(xué)改良膨脹土具有較好的長(zhǎng)期耐久性，必須對(duì)膨脹土產(chǎn)生脹縮的原因有深刻的了解。大量的研究表明，膨脹土的脹縮性能主要與其粘土礦物的組成、結(jié)構(gòu)及其堆聚的微結(jié)構(gòu)有關(guān)。1.1 粘土礦物與脹縮性 膨脹土礦物成分包括各種粘土礦物和碎屑礦物，大致有2O種之多，表1是一般膨脹土粘

3、土顆粒中常見(jiàn)礦物成分 。碎屑礦物中大部分為石英、長(zhǎng)石(主要為斜長(zhǎng)石)和云母等礦物，碎屑礦物大多是粗顆粒的組成物質(zhì)，在膨脹土中含量有限，對(duì)膨脹性能影響較小。粘土礦物由蒙脫石、伊利石和高嶺石及其變體等組成，具有層狀或鏈狀晶體構(gòu)造的含水鋁硅酸鹽，其共同特點(diǎn)是，結(jié)晶度低，晶粒細(xì)微，同晶置換現(xiàn)象普遍，膠體特性十分典型；粘土礦物主要是細(xì)顆粒的組成物質(zhì)，在膨脹土中不僅占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而且是決定其“粘土特性”的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，從而也是控制膨脹土工程性質(zhì)的重要內(nèi)在因素 。 各類粘土礦物由于其化學(xué)成分、晶格構(gòu)造及離子交換能力等性質(zhì)的不同，決定了不同類型粘土礦物彼此之間的特性差異。大量研究表明，各種粘土礦物組成與膨脹土

4、的物理化學(xué)性質(zhì)與力學(xué)性能之間的相關(guān)關(guān)系，大致存在著一般規(guī)律。蒙脫石礦物對(duì)于膨脹土工程性質(zhì)的影響尤其具有特別重要的作用。長(zhǎng)江水利水電科學(xué)研究院研究表明，當(dāng)膨脹土中蒙脫石含量達(dá)到5時(shí)，即可對(duì)土的脹縮性和抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。倘若蒙脫石含量超過(guò)2O3O時(shí)，則土的脹縮性和抗剪強(qiáng)度基本上全由蒙脫石所控制。蒙脫石是化學(xué)成分復(fù)雜的一大族礦物，稱為蒙皂石族(smectite)，亦稱蒙脫石族。端員礦物蒙脫石屬單斜晶系，是由2層硅氧四面體和1層夾于其間的鋁(鎂)氧(羥基)八面體構(gòu)成的2：1型層狀硅酸鹽礦物，結(jié)構(gòu)單位層間為0與0，鍵力極弱，易被具有氫鍵極化水分子分開(kāi)。另外，蒙脫石晶格的異價(jià)類質(zhì)同晶置換是其最基本、最

5、重要的構(gòu)造特性，蒙脫石的硅氧四面體和鋁氧八面體中的硅、鋁離子被其它不等價(jià)陽(yáng)離子(Fe3，F(xiàn)e2，Zn2，Mg2等)所置換，形成層間負(fù)電荷，使晶層具有吸附水化陽(yáng)離子的能力。同時(shí)，蒙脫石的端面破鍵和八面體片在堿性環(huán)境中的離解也會(huì)產(chǎn)生負(fù)電荷，使蒙脫石具有吸附水化陽(yáng)離子的能力 。蒙脫石吸附水化陽(yáng)離子后，晶面間距(co)加大，產(chǎn)生吸水膨脹。自然界產(chǎn)出的較穩(wěn)定形式的蒙脫石，單位化學(xué)式有2H20時(shí)，co1.24 nm；有4H20時(shí)，co1.52nm；高水化狀態(tài)c。為1.842.14 nm，有時(shí)甚至可達(dá)4.8nm左右。蒙脫石層間吸附的陽(yáng)離子是可交換的，能與土顆粒周圍溶液中的陽(yáng)離子進(jìn)行等物質(zhì)量的交換。不同的陽(yáng)離

6、子使得蒙脫石的吸附性能不同，含高價(jià)陽(yáng)離子的蒙脫石處在塑性體流體的過(guò)渡階段，較一價(jià)陽(yáng)離子蒙脫石水化能高，吸水速度快，吸水量大，膨脹率高，在低濕狀態(tài)的樣品尤為明顯；但進(jìn)入分散狀態(tài)時(shí)則不然，此時(shí)吸水膨脹性能受晶格的離解程度制約，高價(jià)陽(yáng)離子比一價(jià)陽(yáng)離子具有較大的傾向把粘土礦物維系在一起，含高價(jià)交換離子的蒙脫石晶格的離解程度較含一價(jià)交換陽(yáng)離子的蒙脫石晶格離解度低，吸水量少，最終吸水率也低。但一價(jià)離子中鉀離子是一個(gè)例外，可能是因?yàn)樗拇笮『团湮粩?shù)允許它緊密地填人粘土礦物表面氧的六角形網(wǎng)眼中，可加強(qiáng)層間連結(jié)，減少吸水量，氨離子的作用與鉀離子類似口。有機(jī)陽(yáng)離子和有機(jī)極性分子也能顯著地影響蒙脫石的吸附性能。Gl

7、eseking報(bào)道說(shuō)，當(dāng)蒙脫石粘土用多種有機(jī)陽(yáng)離子飽和后，其吸水膨脹性能就將失卻，這些陽(yáng)離子吸附在蒙脫石底面上。Hendricks指出，吸附有胺離子的蒙脫石吸附水分的數(shù)量同根據(jù)總表面與被胺離子遮蓋的一部分表面之差而推斷出蒙脫石吸附水分?jǐn)?shù)量非常接近。總之，層間吸附的陽(yáng)離子使得蒙脫石的吸水膨脹性能表現(xiàn)出較大的差異。粘土礦物中伊利石的晶體構(gòu)造與蒙脫石相似，同樣由2層硅氧四面體和1層鋁氧八面體組成，所不同之處是在2個(gè)晶胞之間因吸附鉀離子而使聯(lián)接力增強(qiáng)，結(jié)晶格架的活動(dòng)能力較蒙脫石低，而使一部分極性水分子可以進(jìn)入晶層之間，顯示弱的脹縮性。高嶺石則是由1層硅氧四面體與1層鋁氧八面體組成，2個(gè)相鄰晶胞之間由聯(lián)

8、接力很強(qiáng)的氫鍵相結(jié)合，極性分子和交換陽(yáng)離子均不能進(jìn)入層間，高嶺石分子故一般不具脹縮性。十分清楚，由化學(xué)成分、晶格構(gòu)造及離子交換能力不同的粘土礦物及吸附不同陽(yáng)離子的相同粘土礦物組成的膨脹土，其吸水膨脹性能將表現(xiàn)出明顯的差異。1.2 微結(jié)構(gòu)與脹縮性 膨脹土的脹縮變形還與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，結(jié)構(gòu)也是決定和影響土工程性質(zhì)極其重要的因素，尤其是“結(jié)構(gòu)連結(jié)”。如果說(shuō)膨脹土的物理化學(xué)性質(zhì)，主要受膨脹土的物質(zhì)成分所控制，那么膨脹土的收縮性、強(qiáng)度特性以及變形性質(zhì)，則在很大程度上取決于膨脹土的微結(jié)構(gòu)特征。組成膨脹土微結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)主要是細(xì)小的粘土礦物顆粒，粘土顆粒呈聚集狀，有的以連續(xù)的、非定向排列的分布組成粘土基質(zhì)，即基

9、質(zhì)狀結(jié)構(gòu)。這些基質(zhì)狀結(jié)構(gòu)膠體特性十分明顯，具有較強(qiáng)的吸水膨脹失水收縮性能。須藤俊男于1960年發(fā)現(xiàn)粘土礦物顆粒間的膨脹遠(yuǎn)大于其層間膨脹。蒙脫石聚集體SEM 圖中呈現(xiàn)出彎曲而起皺的外貌，并可見(jiàn)到卷曲和起翹的現(xiàn)象，有時(shí)薄片起翹卷曲張開(kāi)呈花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)形態(tài)，而伊利石則是扁平顆粒聚集成疊堆狀結(jié)構(gòu)。蒙脫石這種結(jié)構(gòu)有利于其表現(xiàn)脹縮性。SEM分析還發(fā)現(xiàn)，膨脹土是普遍發(fā)育有微孔隙和微裂隙的多孔隙粘性土，無(wú)論在聚集體內(nèi)或聚集體間，都普遍分布有各種大小不同、形狀各異的微孔隙和微裂隙。各種微孔隙和微裂隙的存在，決定了膨脹土的孔隙一裂隙介質(zhì)屬性，有利于水的滲入與溢出，為聚集體的膨脹與收縮創(chuàng)造了水分遷移變化的必要條件，使膨

10、脹土粘土礦物吸水膨脹得以發(fā)生，產(chǎn)生膨脹破壞成為可能。另外，有研究證實(shí)具有鈉離子擴(kuò)散層的伊利石，也類似蒙脫石賦予粘土一定的膨脹性。2 膨脹土化學(xué)改良現(xiàn)狀 有關(guān)膨脹土化學(xué)改良目前使用較多的無(wú)機(jī)類的固化劑有石灰、水泥等，有機(jī)類的有丙烯酸鹽系列、聚丁二烯等。還有使用有機(jī)固化劑與無(wú)機(jī)固化劑復(fù)合的方法，也取得了一定效果，如丙烯酸鹽與水泥復(fù)合、胺基磺酸鹽類化合物與石灰復(fù)合等。2.1 無(wú)機(jī)類固化劑2.1.1 石灰類固化劑 石灰對(duì)膨脹土所起的有效作用是最早被人類熟知的，在我國(guó)長(zhǎng)城、古羅馬一些道路都曾用石灰來(lái)穩(wěn)定固化土。當(dāng)石灰摻入到膨脹土中，土孔隙溶液中Ca 濃度大幅度增加，可置換出蒙脫石等礦物中吸附的水合Na，

11、這個(gè)過(guò)程可降低粘土顆粒的水膜層厚度，粘土顆粒凝聚作用增加，有利于粘土顆粒間形成較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)連結(jié)；石灰的溶解析出Ca(OH)2晶體，對(duì)石灰土強(qiáng)度的提高也有正面影響。石灰與土中微細(xì)粘粒中活性SiO2和活性Al203。發(fā)生緩慢的火山灰反應(yīng)，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，對(duì)粘土顆粒起到膠結(jié)作用，同時(shí)可減少具有吸水膨脹性能的粘土礦物含量。另外，C02直接和Ca(OH)2之間的反應(yīng)以及CO2在水溶液中和Ca2的結(jié)合都有助于石灰土強(qiáng)度的形成。但總的說(shuō)來(lái)，石灰固化的膨脹土水穩(wěn)定性較差。AIMhaidib等的研究表明，固化膨脹土的石灰摻量有一個(gè)最佳范圍，針對(duì)不同膨脹土參數(shù)得出石灰的最佳摻量不同。膨脹土中摻2%(質(zhì)量

12、分?jǐn)?shù)，下同)石灰對(duì)膨脹性能最為有效，超過(guò)2%對(duì)膨脹性能起反作用；但根據(jù)塑性指數(shù)和pH值變化來(lái)看，最佳摻量應(yīng)大于4%；根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，最佳摻量應(yīng)大于8%。2.1.2 水泥類固化劑 泥對(duì)膨脹土的改良，主要有以下幾個(gè)方面的作用：(1)水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的CSH 和CAH 凝膠，附著在顆粒表面，具有較強(qiáng)的膠結(jié)力，并形成了Ca(OH)2 。(2)Ca2與土顆粒表面吸附離子發(fā)生陽(yáng)離子交換反應(yīng)，使土顆粒吸水性能改性和團(tuán)?；黾优蛎浲恋乃€(wěn)定性。(3)Ca2，OH滲透進(jìn)入土顆粒內(nèi)部，與粘土礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，繼續(xù)生成上述膠凝物質(zhì)，可減少親水性粘土礦物的含量，并提高土顆粒間的連結(jié)強(qiáng)度。 許多研究表明，

13、隨著水泥摻量增加，改良膨脹土強(qiáng)度有一定增加。但因水泥水化反應(yīng)的體積減縮和水化作用消耗粘粒吸附水而引起干燥收縮，當(dāng)水泥的摻量超過(guò)6時(shí)，穩(wěn)定土的裂縫將顯著增加。隨著水泥摻量增加，穩(wěn)定土的收縮性能變差，而且固化土的經(jīng)濟(jì)成本直線上升，因此考慮固化效果和經(jīng)濟(jì)成本，改良膨脹土的水泥摻量一般在41O之間。2.1.3 工業(yè)廢渣類固化劑 粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣配合石灰、水泥也常被用來(lái)改良膨脹土。由于工業(yè)廢渣在石灰、水泥水化的堿性環(huán)境中具有潛在水化活性，人們從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度出發(fā)，用其來(lái)固化、穩(wěn)定土體，其固化機(jī)理與石灰類、水泥類固化劑類似。用工業(yè)廢渣加固膨脹土，最大的優(yōu)點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，但其早期強(qiáng)度不高，而且通常

14、需要較大的摻量。2.1.4 水玻璃類固化劑 水玻璃由于其在凝膠劑的作用下具有聚合作用，也常被人們用來(lái)改良特殊土。沒(méi)有加入凝膠劑，水玻璃是不會(huì)發(fā)生聚合作用的，在水玻璃溶液中加入酸(或水解后呈酸性的鹽)后，硅酸根負(fù)離子隨著溶液中外加酸濃度的增加而逐步與氫離子結(jié)合產(chǎn)生聚合而形成凝膠。反應(yīng)生成的硅膠沉淀在土顆粒表面，使土顆粒表面形成一層硅酸薄膜，由于硅酸本身具有膠結(jié)性，將土顆粒相互膠結(jié)起來(lái)，而且生成的硅酸凝膠會(huì)脫水縮聚，由單分子的結(jié)構(gòu)，最后變成空間結(jié)構(gòu)，把分散的顆粒進(jìn)一步聚裹成一個(gè)整體，提高了土體的強(qiáng)度。過(guò)去所采用的水玻璃固化劑是由水玻璃和酸性反應(yīng)劑構(gòu)成的，在強(qiáng)堿條件下發(fā)生膠凝固結(jié)。由于膠凝時(shí)間不能延

15、長(zhǎng)，固化反應(yīng)不完全，會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的堿性影響，使生成的SiO2膠體逐漸溶出，大大降低其耐久性，所以目前工程上使用的主要是各種改性水玻璃。如酸性水玻璃，在中性區(qū)域凝膠，沒(méi)有堿溶出，因此不存在堿性水玻璃那種淋濾腐蝕和污染環(huán)境現(xiàn)象。為延長(zhǎng)水玻璃的凝結(jié)時(shí)間，使用鋁酸堿金屬鹽與碳酸鈣混合液進(jìn)行調(diào)整，也取得了一定效果。另外，水玻璃的改性方法還有使用乙二醛、碳酸乙烯酯等。2.2 有機(jī)類固化劑 有機(jī)固化劑是利用有機(jī)聚合物的聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)土的固化增強(qiáng)。常用有機(jī)固化劑有丙烯酸鹽系列、聚液態(tài)丁二烯等。丙烯酸鹽是由丙烯酸和金屬離子結(jié)合組成的有機(jī)電解質(zhì)，在未聚合之前可溶于水，它是由丙烯酸與堿土金屬(M)的反應(yīng)制得，當(dāng)采用丙

16、烯酸鹽進(jìn)行膨脹土固化時(shí)，丙烯酸鹽單體與引發(fā)劑一起加入到土中，在土中進(jìn)行聚合反應(yīng)，經(jīng)過(guò)鏈的引發(fā)、鏈的增長(zhǎng)等過(guò)程，使液狀丙烯酸鹽聚合成不溶于水的網(wǎng)狀高分子凝膠體。這樣土顆粒就被強(qiáng)度高、有塑性的鏈包圍，形成一個(gè)空間網(wǎng)，形成土顆粒一丙烯酸鹽凝膠一土顆粒的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可提高土顆粒間連結(jié)強(qiáng)度，使土體具有較高強(qiáng)度和變形率，表現(xiàn)為土的抗拉、抗剪和單軸抗壓強(qiáng)度提高。 另外，有機(jī)網(wǎng)狀高分子凝膠體具有憎水作用，可減少水的滲出和滲人，有利于膨脹土的固化。有機(jī)類固化劑由于聚合物與土顆粒中粘土礦物(包括膨脹性礦物蒙脫石等)一般不發(fā)生反應(yīng)，其固化膨脹土的作用主要是通過(guò)包裹、機(jī)械嚙合等物理作用來(lái)提高土顆粒間的粘接作用，因此

17、在減少土的膨脹性和增加土的強(qiáng)度方面作用要小。而且有機(jī)物聚合過(guò)程不吸收水分，土顆粒表面吸附水膜的存在會(huì)更影響聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)土顆粒連結(jié)的加強(qiáng)作用。要使有機(jī)固化劑在土中形成一定的均勻聚合物網(wǎng)絡(luò)，常需要加大其摻量，而有機(jī)固化劑的成本通常較高，因此，常常因經(jīng)濟(jì)成本、加固效果等方面原因而限制了有機(jī)固化劑的應(yīng)用。3 化學(xué)改良的思路及展望3.1 改良思路 如前所述，膨脹土的脹縮性能不僅與粘土礦物組成、結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且也決定于粘土礦物堆聚的微結(jié)構(gòu)。因此，膨脹土的化學(xué)改良固化可考慮從改善粘土礦物的強(qiáng)親水性，減小粘土礦物的吸水膨脹能力；提高粘土顆粒之間的連接強(qiáng)度，改善其微結(jié)構(gòu)；減少水分在土中的滲透與遷移等方面著手，同時(shí)

18、固化劑本身應(yīng)有較好的水穩(wěn)定性。改善粘土礦物(如蒙脫石、伊利石等)晶層之間的連結(jié)和提高粘土顆粒之間的粘結(jié)是膨脹土化學(xué)固化的重要途徑。膨脹土用目前化學(xué)改良固化方法加強(qiáng)了土顆粒間連結(jié)強(qiáng)度，取得了一定的固化效果。但用這些方法固化的膨脹土在長(zhǎng)期環(huán)境干濕循環(huán)交替作用下，土中親水性粘土礦物如蒙脫石等會(huì)產(chǎn)生吸水膨脹、失水收縮體積變形，膠結(jié)物與土顆粒之間形成的連結(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)遭到削弱和破壞，固化膨脹土不具有較好的長(zhǎng)期耐久性。因此，要使化學(xué)固化膨脹土獲得較好的耐久性，必須對(duì)膨脹土吸水膨脹、失水收縮的特性進(jìn)行改性。改善膨脹土的水穩(wěn)定性可通過(guò)2種方式實(shí)現(xiàn)：(1)對(duì)膨脹土中強(qiáng)親水性粘土礦物進(jìn)行改性，調(diào)整粘土礦物層間吸附的陽(yáng)離子的種類和濃度來(lái)加強(qiáng)粘土的層間連結(jié)，壓縮其擴(kuò)散層厚度，使粘土礦物的脹縮性減小或喪失；(2)對(duì)膨脹土進(jìn)行防水處理，減少膨脹性粘土礦物周圍的濕度變化，從而減少其脹縮變形。膨脹土化學(xué)固化必須結(jié)合改善膨脹土的水穩(wěn)定性和加強(qiáng)膨脹土顆粒間的連結(jié)強(qiáng)度2個(gè)步驟進(jìn)行。即利用無(wú)機(jī)、有機(jī)離子及有機(jī)極性分子對(duì)粘土礦物吸水特性進(jìn)行改性，改善膨脹土的脹縮性能，或?qū)ε蛎浲吝M(jìn)行防水處理，減少膨脹土顆粒周圍的濕度變化。在此基礎(chǔ)上，利用無(wú)機(jī)和有機(jī)膠結(jié)物如石灰、水泥、礦渣、丙烯酸鹽等的膠結(jié)性能改善土顆粒間的連結(jié)，提高土體的強(qiáng)度，從而達(dá)到穩(wěn)定、固化膨脹土的目的。3.2 進(jìn)一步的研究方向 目前固化膨脹土耐久性不良主要是由于粘土礦物