卢雪松 项 伟 范文彦
(中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074)
摘要:利用离子土壤固化剂加固武汉市汉阳区红粘土,红粘土首先通过不同配比ISS水溶液的处理,然后进行 阿太堡试验、击实试验、剪切试验。试验结果表明:红粘土在加入ISS后,塑性指数降低,最大干密度变大,粘聚 力提高;此外,在最佳含水量下,密度对固化土抗剪强度参数的影响具有一定的规律性,其抗剪强度参数与压实 度(密度)呈很好的线性关系,具体表现为粘聚力随密度的增加而增加,内摩擦角随密度的增大而减小。
关 键 词:离子土壤固化剂;固化土;塑性指数;密度;粘聚力;内摩擦角
1 概述
离子土壤固化剂( Ionic Soil Stabilizer,简称ISS)是一种由 多个强离子组合而成的水溶性化学物质,适用于粘土粒组含量 在25%以上的各种土类。把它加入土中,与土相互作用,通过 电化原理,将粘土矿物的结合水去除,使土由亲水性变成憎水 性,减小粘土结合水膜的厚度,能有效地改进土的工程性质,包 括增加土的压实度和抗剪强度,减小土的孔隙比和水敏性等。 采用离子土壤固化剂(ISS)加固土体,不仅施工周期短、费用低 而且保护环境[1, 2],对人、牲畜也无害,能免除昂贵的开挖和异 地取材的费用。离子土壤固化剂加固技术提供了一种低成本、 施工简便、就地取材的土木工程建设方法,被广泛应用于道路、 机场、港口、水利等工程中加固土体。1997年,水利部将ISS列 为水利系统重大科技推广项目。但目前对ISS加固土的试验研 究做得比较少,特别是对加固土后土体的塑性指数变化、抗剪强 度、ξ电位如何改变和粘土矿物成分是否变化等认识不够。本 文根据ISS加固红粘土的一系列试验,得出了加固前后土的塑 性指数、最大干密度和抗剪强度参数的试验结果和变化规律,并 重点研究了密度对固化土抗剪强度参数影响的规律性,旨在为 离子土壤固化剂加固土的抗剪强度参数提供科学依据。
2 试验材料
2.1 试验用土
取武汉市汉阳区的原状红粘土进行试验,原状土的取样深 度为0~3 m,测得网纹状红粘土的天然含水量、天然密度等基 本物理力学指标和粒度成分,如表1和表2所示。试验区为第 四系网纹状红粘土,吸水易膨胀,从而导致机械强度降低,并且 由于孔隙水的存在,使粘土不易压实,即使暂时能将孔隙水去 掉,但是如果因下雨或人为地再加进水,土壤仍会发生膨胀。
2.2 固化材料
离子土壤固化剂(俗称路基实、固路宝),棕黑色水溶性液 体,根据需要稀释成不同浓度的水溶液, ISS的掺加量根据土类 不同而不同,一般ISS量掺加为0. 15~1 L/m3。
3 ISS加固红粘土的试验研究
3.1 配合比设计
在道路工程中, ISS加固土的配合比设计是以无侧限抗压 强度为评价指标来进行。但是笔者认为ISS加固红粘土的本质 是减小粘土中结合水膜(扩散层)厚度,故应该从加入ISS后红 粘土的塑性指数的降低来确定ISS加固土的最佳配合比。 塑性指数是反映土颗粒与水相互作用的灵敏指标之一,在 一定程度上反映了土的亲水性能。它与土的颗粒组成、粘土矿 物成分、阳离子交换性能、土的结合水膜厚度和比表面积以及水 溶液的性质等有着十分密切的关系,塑性指数越高,结合水膜越 厚[3]。
将取回来的土样进行不同配比的液塑限试验,并计算液限, 塑限和塑性指数。在土中掺加ISS时,将ISS按各种比例(体积 比)兑水稀释后,摇匀并均匀洒入土中,拌和均匀,密封24 h。 试验结果如表3所示。由表3可见,对于ISS而言,当其与水的 配比为1∶200时,能够使红粘土的塑性指数降至最低,与不加 ISS的土相比,加入ISS后,这种土的塑性指数最低可以控制在 29%左右,比不加ISS时的塑性指数降低了14. 14%,而且可以 看出,并不是ISS加入越多越好,相反,当ISS浓度较大之后,塑 性指数又有所增加,并且会使土体颗粒表面发粘,不但不能很好 去掉土中的结合水,而且影响土的压实性,并增加了试验的成 本;同时在加入ISS后,各种配比下土的塑性指数都降低了,说 明ISS能减小结合水膜的厚度。
3.2 击实试验
通过击实试验确定素土和固化土混合料的最佳含水率和最 大干密度。试验采用标准轻型击实试验仪,以含水率为横坐标, 以干密度为纵坐标,绘制含水率与干密度曲线,从而得出最佳含 水率、最大干密度。在土中掺加ISS时,将ISS与水按体积比 1∶200比例兑水稀释后,摇匀并洒入土中,拌和均匀,制成不同含 水量的试料,密封24 h击实。根据《公路无机结合料稳定材料 的试验规程》(JTJ057-94)标准击实实验,得到素土和ISS固化 土的击实试验结果(表4)和含水率与干密度曲线(图1)。从图 1中可以得出:未加ISS的红粘土(素土)的最大干密度为1. 52 g/cm3,最佳含水量为24. 5%;掺加ISS后,红粘土的最大干密度 为1. 625 g/cm3,最佳含水量为24. 2%。
从试验结果看,掺加ISS后,固化土的最佳含水率稍低于素 土的最优含水率,而最大干密度却明显大于素土的最大干密度。 这是由于把离子土壤固化剂掺入红粘土后,能够减小粘粒的结 合水膜厚度,经压实后,使土粒之间的结合更加紧密,所以在相 同的击实功能下,固化土的最大干密度大于素土的最大干密度。
3.3 不同密度对固化土抗剪强度参数的影响
试验考虑密度(压实度)(压实度=密度÷最大干密度)的 因素,分别制成素土压实度100%、固化土压实度100%、固化土 压实度95%、固化土压实度90%、固化土压实度85%、固化土压 实度80%的试样共6种。
取最佳含水量状态下的试样进行直接剪切试验,并取ISS 与水的体积比为1∶200的水溶液进行对比试验。本试验采用快 剪法,即土样均在最佳含水量状态下装入剪切盒,分别在100、 200、300、400 kPa的垂直压力下快速施加水平剪力进行剪切,共 进行6组试验,每组4个试样。所得的结果见图2和表4。
可以看出,素土和固化土的压实度同为100%时,加入ISS 后红粘土的粘聚力明显增大,增长幅度为11. 19%,而内摩擦角 却稍有降低,基本保持不变。这是由于在红粘土加入ISS后,吸 附在土颗粒表面的结合水已经被置换掉,从而使土颗粒的扩散 层的厚度减小,增大了土颗粒之间的粘聚力并使其密度变大,因 而红粘土的粘聚力C值明显增大;而因为粘性土的内摩擦系数 不但涉及土颗粒间的相对移动所引起的滑动摩擦力和咬合摩擦 力,而且还因为粘性土中的粘土矿物的比表面积较大,颗粒表面 存在着吸附水膜,土颗粒间可以在接触点处直接接触,也可以通 过吸附水膜而间接接触,接触点处的颗粒表面,又由于物理化学 作用而产生吸引力,对土的摩擦强度也有影响,其体系相当复 杂。ISS作用后,土颗粒表层的结合水膜变薄,层状结构的矿物 颗粒趋向于面—面的定向排列,在剪切时,土颗粒之间主要是 面—面的滑动,所以其内摩擦角并未有明显增大[4]。
固化土的不同压实度与粘聚力、内摩擦角的关系如图3和 图4所示。
从图3和图4可以得出,固化土的粘聚力C随着密度(压实 度)的增加而增加,固化土的内摩擦角φ随着密度(压实度)的 增加而减少,它们基本上呈线性相关,其回归方程为:Rc = 276.24k-191.69,Rc =-61.58k+75.942;相关系数为0. 950 2 和0. 946 6,说明两者相关性很好。研究密度对固化土强度影响 的规律性,可以为离子土壤固化剂加固土的抗剪强度参数提供 参考依据,具有很重要的工程应用意义。例如,我们只需要知道 固化土压实度是多少,就可以根据这个线性关系方程得出抗剪 强度参数C、φ值的大小。
4 ISS加固土的机理
离子土壤固化剂是一种复合的化学配方,其中含有活性成 分的磺化油,由植物油或鱼油与硫酸作用,再经中和而得。磺化 油是一种阴离子表面活性剂,由一磺基(-SO3H)和羟基(R- H)的碳原子直接相连而成的有机化合物(RSO3H)之磺酸的“亲 水头”与由碳及氢的原子组成的“疏水尾”所构成。这样,由于 ISS中的“亲水头”与“疏水尾”的“二元性”,使得其与粘土等土 壤相拌和后就能除去其泥质矿物的水分并使其ISS与土壤的质 点之间产生永久的结合固化。这种固化,主要依靠ISS“亲水 头”与粘土质点表面所形成的化学链。其性质表现为:
(1) SO3的阴离子头与粘土表面上之金属阳离子之间形成 直接化学链,且在金属阳离子与SO3之氢原子间形成感应链;
(2) ISS侵占在粘土表面上空出的离子位置;
(3) ISS的“亲水头”,在很薄层的结合水中溶解,并吸附在 粘土泥质矿物的表面,置换出粘土表面的结合水。
以高岭土为例,由于ISS是一种带高密度电荷的磺化油树 脂,是一种能溶于水的电解质,所以在水中能离解出带正电荷的 阳离子[X]n+和带负电的阴离子[Y]n-。离解出来的阳离子与 土壤胶体颗粒表面的阳离子[M]n+产生交换作用: [土壤胶 体]n-[M]n++[X]n+→[土壤胶体]n-[X]n++[M]n+;离解出 来的阴离子与土壤中的铝产生络合作用: [土壤颗粒]+[Y]n- →[溶蚀的土壤颗粒]3-+[AlY]3-n;铝离子的树脂络合物 [AlY]3-n再与[土壤胶体]n-[X]n+作用,使得树脂得以再生: [AlY]3-n+[土壤胶体]n-[X]n+→Yn-Xn++ [Al(土壤胶 体)]。总反应式: [土壤胶体]n-[M]n+→Al[脱铝的土壤胶体] +Mn+。
由此可见, ISS作用的结果是赶走吸附在土壤颗粒表面的、 非常容易水合的阳离子,取而代之的是水合度较低、粘结力较强 的铝离子及其水化合物[1]。
根据Gouy-Chapman模型,溶液中的水分子、阳离子是扩 散在粘土颗粒周围的空间里,由于静电吸引,离粘土颗粒表面愈 近,反离子浓度愈大,吸附力愈大,吸附愈紧,离粘土颗粒愈远, 反离子浓度愈小,吸附力愈小,到距表面很远处(约1~10 nm) 过剩的反离子浓度为零[5]。
离子土固化剂用水稀释后,迅速离子化,溶液离子浓度高, 交换能力强,与土粒表面的离子进行强烈交换,也会改善土粒表 面的电荷性质,使土粒与水分子间的作用由原来的相互吸引变 为相互排斥,打开了土粒与水分子之间的“电化键”,从而释放 出束缚在吸附层和扩散层内的结合水,使粘土的电位势下降。 该反应为一不可逆反应,即当土被ISS处理后,土粒将不会 恢复到原来的离子不平衡状态,而且处理后的小粒子会具有磁 力而相互吸引形成大粒子。经压实后,从根本上将土内部毛细 管水和结合水全部去掉,这些试剂会牢牢地粘附在土颗粒上,能 永久地将土的亲水性变为疏水性,从而减小滑动面的距离Δ和 ξ电位,当两个相邻的粘土颗粒靠近(小于2. 5 nm)时,双电层重 叠,即形成公共结合水膜,阳离子与粘土颗粒表面负电荷共同吸 引产生静电力,使土易于压实,能有效地提高土的抗剪强度、密 度、压实度,减小土的孔隙比,而且ISS加固土的功效随着时间 的推移逐渐增强,强度也不断增大。
5 结论
ISS作为一种新材料,在我国水利、交通等部门的应用尚处 于初期发展阶段。特别是ISS加固红粘土后,土颗粒结合水、阳 离子交换量的定量化研究、离子土壤固化剂在土中的运移机制 等问题需进一步研究论证。本文通过ISS加固红粘土的一系列 试验研究,得出以下几点结论:
(1)离子土固化剂能够降低红粘土的塑性指数,减小粘土 的结合水膜厚度。当ISS与水的配比分别为1∶200时,能够使 红粘土的塑性指数降至最低。与不加ISS的土相比,加入ISS 后,红粘土的塑性指数最低可以控制在29%左右,但并不是ISS 加入越多越好,相反,当ISS浓度较大之后,红粘土的塑性指数 又有所增加,并且会使土体颗粒表面发粘,不但不能很好地去掉 土中的水,而且影响土的压实性,并增加了试验的成本。
(2)掺加ISS后,固化土混合料的最大干密度大于素土的 最大干密度,而最佳含水量稍有降低。这是由于把离子土壤固 化剂掺入土体后,能够减小结合水膜的厚度,经压实后,使土粒 之间的结合更加紧密,所以在相同的击实功能下,固化土的最大 干密度要大于素土的最大干密度,从而能提高土的强度。
(3)素土和固化土的压实度同为100%时,加入ISS后红粘 土的粘聚力明显增大,增长幅度为11. 19%,而内摩擦角却稍有 降低,基本保持不变。
(4)在最佳含水量下,固化土的粘聚力C随着密度(压实 度)的增加而增加,固化土的内摩擦角φ随着密度(压实度)的 增加而减少,它们呈很好的线性关系,这为离子土壤固化剂加固 土的抗剪强度参数提供了科学依据,具有积极的工程意义。
参考文献:
[1] 陈彦生,董建军.电离子土壤强化剂(ISS)施工指南.武汉:武汉工 业大学出版社, 1999.
[2] 吴志广,张政权,童克强等.离子土壤强化剂( ISS)在防洪堤坝工 程中应用(上、下册).武汉:武汉工业大学出版社, 2000.
[3] 方云,林彤,谭松林.土力学.武汉:中国地质大学出版社, 2003.
[4] 项伟,崔德山,刘莉.离子土固化剂加固滑坡滑带土的试验研究. 地球科学, 2007(5): 397-402.
[5] 沈钟,赵振国,王果庭.胶体与表面化学.北京:化学工业出版社, 2004.
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