离子型土固化材料对膨胀土的 加固机理试验研究
               汪益敏,刘小兰,陈页开,李庆臻,杨丽珍
      (华南理工大学　土木与交通学院,广东　广州　510640)
摘要:采用离子型土固化材料对广西南宁膨胀土进行化学加固,通过试验获得不同配合比加固土的化学成分、阳离子 交换量和比表面积,对加固土的物理化学性质等进行表征。同时利用扫描电镜观察加固土的微观形貌,并试验测试加 固土的膨胀性和强度特性,探讨离子型土固化材料对膨胀土的加固机理。结果表明:离子型土固化材料使得膨胀土的 阳离子交换能力和比表面积显著降低,土对水的吸附能力减小,土的结构稳定性得到增强;离子型土固化材料与石灰 共同作用,使得膨胀土的层状结构形式改变为粒状结构,土粒之间的联结增强,土-水之间的相互作用体系发生改变, 土的胀缩总率和塑性指数明显减小,土的强度和水稳定性得到有效的提高。
关键词:道路工程;加固机理;离子型土固化材料;膨胀土
引言
离子型土固化材料(Ionic Soil Stabilizer,简称 ISS)是一种由多个强离子组合而成的化学物质,一 般为液态,最早由美国开发研制, 90年代后期被引 进我国,近年来应用于公路、水利等领域[1]。由于土 的差异性较大,工程应用中各地结合当地工程地质特 点,试验采用不同材料配合比的离子型土固化材料对 土进行加固和改良,作为路基土或水利防渗工程土取 得了预期的加固效果[2-5]。应用成果显示离子型土固 化材料具有就地取材、土料适应性广、最大限度利用 工程现场土、施工方便、经济环保等优点,因此在公 路、水利等领域有广阔的应用潜力。在ISS加固机理 方面研究者普遍认为离子型土固化材料通过离子交换 作用,使土体结构中的吸附水游离出来,土体易于压 实,形成具有较高强度的坚实地基[6]。但是通过试验 揭示离子型土固化材料对土的加固机理研究却鲜有报 道,在我们的前期研究中[7]主要通过SEM电镜扫描 和无侧限抗压强度试验探讨了ISS加固粉土质砂和砂 质低液限粉土的微观结构及其强度特征。由于膨胀土 与其他土相比,在物理化学性质、结构特征以及工程 特性等方面有很大的差异性,离子型土固化材料对它 进行加固,其作用方式和加固效果可能会有很大的差 别。因此本文选取典型的广西南宁地区的膨胀土,采 用ISS进行加固处理,通过试验对不同配合比加固土 的化学成分、阳离子交换量、比表面积等物理化学性 质进行表征,同时利用扫描电镜观察加固土的微观形 貌,并试验测试加固土的膨胀性和强度特性,研究离 子型土固化材料对膨胀土的加固作用。
1　试验
1·1　试验材料
试验中采用的土料来自于广西南宁,土的粒度成 分如表1所示,土的基本物理力学性质如表2所示, 土的胀缩性指标如表3所示。南宁膨胀土的显著特点 是胀缩总率高,但是自由膨胀率和塑性指数却并不是 很大,姚海林[9]、欧孝夺[9]等的试验研究也得出了类 似的结论。按照《公路路基设计规范》JTG D30- 2004[10]分类方法,该土属于膨胀土,具有强膨胀性。 离子型土固化材料采用自行研制的复合型土固化材料 RBS,其中主固化材料为含活性成分磺化油的液态离 子型土固化材料ISS,辅助固化材料为符合Ⅰ级标准 的镁质生石灰。


试验采用的加固土配合比共4种: (1)试样A, 未掺加固化材料的含砂低液限粘土; (2)试样B,按 照实方土体积掺加0·5 L/m3ISS的ISS加固土; (3) 试样C,按干土重量比掺加6%的石灰加固土; (4) 试样D,掺加RBS的加固土,其中ISS剂量为0·3 L/ m3,石灰掺量为6%。
1·2　试验方案与仪器
加固机理研究试验项目包括化学成分分析、X射 线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、比表面积 (BET)、阳离子交换量、塑性指数、胀缩总率、无侧 限抗压强度。试验采用荷兰PANalytical Axios波长色 散X射线荧光光谱仪(XRF)测定所制备土样的化学 成分,采用日本D/max-IIIA全自动X射线衍射仪测 定制备土样的X射线衍射图谱,采用日本S-3700N扫 描电子显微镜观察压实成型试样的微观形貌特征,采 用美国Micromeritics公司生产的ASAP2010自动吸附仪 测定制备土样的BET比表面积。加固土的阳离子交 换量试验则按照《公路土工试验规程》JTG E40- 2007[11]中的草酸胺-氯化铵法(T0146-1993)进行测 定,加固土的界限含水率指标、膨胀和收缩性指标、 无侧限抗压强度指标也分别按照《公路土工试验规 程》JTG E40-2007相应标准试验方法进行试验测定。
1·3　试验试样的制备
首先用木碾将风干土样块状颗粒碾散,称取一定 量的碾散风干土,测含水量,按加固土的最佳含水率 计算制备试样土中所需的加水量。然后将需要掺加的 ISS加入到制样所需的水中稀释,均匀地喷撒入土中, 充分拌和。接着将称量好的石灰加入土中,再次拌和 均匀,放入密封袋中闷料24 h。无侧限抗压强度试验 试样按照96%压实度静压成型,试件尺寸为 50 mm×50 mm (直径×高)。膨胀和收缩试验试样按 照同样的压实度用环刀成型,试件尺寸为58 mm× 20 mm (直径×高)。试样成型后立刻采用密封袋密 封,在25℃左右的室温条件下养生28 d,取出来按 照《公路土工试验规程》JTG E40-2007试验方法进行 强度和胀缩性能试验。
完成无侧限抗压强度试验后,将破坏的试样从中 间敲碎,从试样中心完整的部位取出分析样品,自然 风干,表面喷金,进行扫描电镜试验。剩余试样经粉 碎,过0·5 mm筛,部分用于界限含水率试验,另一 部分继续过0·075 mm筛,在105~110℃温度下烘干 3~4 h,取烘干样品进行化学成分分析, X射线衍 射,比表面积和阳离子交换量试验。
2　试验结果与分析
2·1　加固土的物理化学性质表征
表4列出了不同配合比的4种加固土的主要化学 成分、阳离子交换量以及烧失量。由表4可知,广西 南宁膨胀土中SiO2与A12O3的含量之和超过总土重的 85%, SiO2/A12O3的比值为8·13,反映土中含较多的 石英碎屑,同时硅铝酸盐粘土矿物也相对富集。掺加 ISS后(试样B),土的化学成分变化不大,但是阳离 子交换量和烧失量显著降低。相比素土, ISS加固土 的阳离子交换量降低了56·6%,烧失量降低了45%, 结果反映ISS掺加到膨胀土以后,可能与粘土矿物表 面的部分阳离子产生交换反应,生成较为稳定的化合 物,从而降低了土的离子交换能力,改变了膨胀土对 水的吸附性能,减少了土中自由水的含量。与石灰加 固土(试样C)相比较, ISS加固土的阳离子交换量 降低了46·7%,烧失量降低了26·9%。如果在土中 同时掺加ISS和石灰(试样D),从化学成分来看, 土中除CaO的含量明显增大,其余成分与素土相比 变化不大。但是阳离子交换量相比素土降低了 27·9%,烧失量降低了23·1%。上述试验结果充分证 明离子型土固化剂可以有效地降低膨胀土的阳离子交 换能力,减少粘土颗粒对水的吸附性。

2·2　加固土的结构表征
图1是不同配合比加固土的扫描电镜图,照片的 放大倍数为3 000倍,可以看出,未掺加固化材料的 素土具有典型的层状结构,如图1 (a)所示,矿物 颗粒大多呈扁平的片状,颗粒接触以面一面接触为 主,有少量以边一面形式接触。掺入ISS以后,加固 土仍保留了较完整的层状结构和片状形态,如图1 (b)所示,但是片状矿物的粒度有所减小,并且出现 了少量的粒状矿物,加强了土粒间的嵌锁作用,反映 土的结构稳定性得到增强。相对而言,石灰加固土的 微观结构发生了较大的改变,如图1 (c)所示,土 颗粒有明显的团聚现象,构成了凝胶团聚结构,生成 的团粒状结晶体排列较为紧密,矿物颗粒叠合在一 起,结构稳定。ISS石灰加固土的结构最为致密,如 图1 (d)所示,大多数矿物形态呈粒状,颗粒之间 接触紧密,土体结构呈块状,它预示着ISS石灰加固 土具有较好的强度和水稳定性。

图2是4种不同配合比的加固土在衍射角度2θ 为3°~15°的小角度范围内的X-射线衍射图谱。对比 4个XRD图谱可看出, 4种加固土的衍射图谱的特征 衍射角、衍射峰强度等有不同程度的变化。蒙脱石晶 体具有很强的膨胀性,在未经任何处理时,蒙脱石底 面晶面间距d001为1·2~1·5 nm,一旦有极性水分子 或可交换性阳离子进入晶层,蒙脱石晶面间距d001将 增大。一般来说d001值越大,则表明土的膨胀性越 强。根据对粘土矿物的X射线衍射图谱特征分析确 定出蒙脱石底面间距d001,其数值变化特征可以直接 反映出固化材料对土的膨胀性的改良效果。分析结果 显示,石灰加固土(试样C)的蒙脱石晶面间距d001 最大,为1·802 nm,其次是ISS石灰加固土(试验D) 为1·712 nm ,未掺加任何固化材料的素土(试样A) 为1·527 nm, ISS加固土(试样B)的蒙脱石晶面间 距d最小,为1·385 nm,结果反映,膨胀土中掺加 ISS以后,有效地减小了蒙脱石矿物底面间距,加强 了颗粒之间的连接,因此,有利于降低膨胀土的胀缩 性能。相对而言,石灰加固土的晶面间距较素土的增 大了,这可能与石灰掺入土中发生离子交换和凝聚反 应,生成不溶于水的钙质硅酸盐硬凝物,形成新的稳 定的结晶结构有关,石灰土的微观结构照片也反映了 这一特征。因此,虽然石灰加固土的矿物颗粒晶面间 距增大了,但是新的凝聚结构可有效地改善膨胀土的 工程性质。当ISS掺入石灰土中,同样使蒙脱石矿物 晶面间距有效减小,粘土颗粒之间的距离拉近,联结 增强。这可能是ISS石灰加固土相比石灰土具有较好 的水稳定性[6]的重要原因。 

表5列出了不同配合比的4种加固土的比表面 积,对比4种配合比试样的比表面积可以发现,掺加 ISS和石灰后的膨胀土的比表面积有不同程度的降低, 其中试样D加固土的比表面积降低幅度最大,只相 当于素土的33·7%,结果反映离子型土固化剂使膨 胀土对水的吸附能力显著降低,有效地抑制了膨胀土 对水的敏感性。

2·3　离子型土固化材料对膨胀土的加固效果评价 在我们前期的研究中[12], ISS与水泥或石灰共同 对土进行加固后可以明显提高土的强度和水稳定性, 大幅度降低土的界限含水量和塑性指数,因此使土的 工程性能得到很大的改善。为了摸清ISS对膨胀土的 加固效果,本研究通过试验测定不同配合比试样的无 侧限抗压强度、水稳定系数、胀缩总率、液限、塑性 指数,试验结果列于表6。从无侧限抗压强度试验指 标来看,膨胀土与仅掺加ISS的加固土试样浸水后都 发生崩解,水稳定性差,掺加石灰后,水稳定性较 好, 28 d龄期浸水无侧限抗压强度达到1·9 MPa。ISS 石灰加固土相比石灰加固土,水稳定系数增大了 5%,浸水强度增加暂时还不明显。但是膨胀性能指 标有很大程度的降低, ISS石灰加固土的胀缩总率是 石灰加固土的83%,是素土的10%,而ISS加固土的 胀缩总率是素土的63%。加固土的塑性指数也有较 大幅度的减小, ISS加固土的塑性指数是素土的 83%, ISS石灰加固土的塑性指数是石灰加固土的 89%,是素土的43%。按照《公路土工试验规程》 JTGE40-2007分类方法, ISS石灰加固土分类为低液 限粉土,已经不属于膨胀土的范畴,因此, ISS对膨 胀土的胀缩性有显著的改善,加固土可以广泛地应用 于公路工程中,作为路基填料或者是不同等级公路的 基层和底基层。

3　结论
(1)以离子型土固化材料对膨胀土进行改良和加 固,土的阳离子交换能力显著降低,蒙脱石晶面的间 距减小,土的结构稳定性得到增强,土的比表面积减 小,土对水的吸附能力降低。
(2)离子型土固化剂与石灰共同加固膨胀土,使 得膨胀土的层状结构形式改变为粒状结晶结构,土粒 之间的联结明显增强,土-水之间的相互作用体系发 生改变,土的阳离子交换量和比表面积均有不同程度 降低,土的强度和水稳定性得到有效的提高。
(3)离子型土固化材料可降低膨胀土的胀缩性, ISS加固土和ISS石灰加固土的胀缩总率和塑性指数 相比素土均明显减小,掺量合适的ISS石灰加固土可 以使膨胀土改良为具有较高强度和水稳定性的优质筑 路材料。
参考文献:
[1]　张文煊,李长生·电离子土壤强化剂(ISS)在交通道 路工程中的应用[M]·武汉:武汉工业大学出版社, 2000·
[2]　郭柏林,汪益敏,陈页开·离子土壤固化剂在低等级 道路基层中的应用研究[J]·中外公路, 2007, 7 (2): 120-123· 
[3]　高昌贵,汪益敏,张丽娟·ISS土壤固化材料在渠道防 渗中的应用[J]·中国农村水利水电, 2004 (1): 18- 21· 
[4]　戴文亭,陈瑶,陈星·BS-100型土壤固化剂在季冻区的 路用性能试验研究[J]·岩土力学, 2008, 29 (8): 2257-2261· 
[5]　王新岐,胡军,徐京·土壤固化剂在路基处理中的应 用研究[J]·中国市政工程, 2007 (2): 74-76· 
[6]　惠会清,张生录·阳离子型添加剂改良膨胀土研究 [J]·建筑科学与工程学报, 2007, 24 (3): 61-64· 
[7]　汪益敏,贾娟,张丽娟·ISS加固土的微观结构及强度 特征[J]·华南理工大学学报:自然科学版, 2002, 30 (9): 96-99· 
[8]　姚海林,程平,杨洋,等·标准吸湿含水率对膨胀土 进行分类的理论与实践[J]·中国科学: E辑, 2005, 35 (1): 43-52· 
[9]　欧孝夺,温卫权·公路工程中膨胀土判别方法的探讨 [J]·广西大学学报:自然科学版, 2005, 30 (2): 139-142· 
[10]中华人民共和国交通部·JTG D30-2004公路路基设计规 范[S]·北京:人民交通出版社, 2004· 
[11]中华人民共和国交通部·JTG E40-2007公路土工试验规 程[S]·北京:人民交通出版社, 2007· 
[12]汪益敏,张丽娟,苏卫国·ISS加固土的试验研究[J]· 公路, 2001 (7): 39-43·