离子土壤固化剂改性膨胀土的试验研究
           刘清秉1，项伟1，张伟锋1,2，崔德山1
    （1.中国地质大学工程学院，武汉430074；2.河南省水利科学研究院，郑州450003）
    摘要：利用离子土壤固化剂（ionic soil stabilizer，简称ISS）对河南安阳地区膨胀土进行化学改性试验研究，通过不同配 比的自由膨胀率试验结果，结合施工成本，得出ISS溶液改良膨胀土的最优配合比为1:350。对ISS溶液最优配合比改性后 土体进行收缩试验、膨胀性试验、固结快剪、高压固结及水浸泡试验。试验结果表明，改性土线缩率减小，膨胀性指标降低， 抗剪强度增大，土体由亲水性变成憎水性，且能达到较好的水稳定性，即膨胀土经化学改性为非膨胀土。ISS改性膨胀土的 机制可解释为，通过ISS溶液与土粒离子进行强烈的交换作用，打开土粒与水分子之间的“电化键”，降低土颗粒表面吸附水 膜厚度，包裹在黏粒颗粒表面的疏水基团覆盖膜使土对水的敏感性减弱，从根本上减少了土体吸水性和膨胀性。
关键词：离子土壤固化剂；膨胀土；试验研究；改性机制
1引言
我国属膨胀土分布较广的国家之一。膨胀土主 要分布在四川、湖北、陕西、云南，以残积或残坡 积成因为主。膨胀土含有较多黏土矿物，亲水性较 强的黏土矿物对水的敏感性，使膨胀土具有吸水膨 胀、失水收缩-再吸水-再膨胀这种反复胀缩的特性 并且在吸水膨胀后强度下降幅度较大，对工程构成 很大的危害 [1] 。 膨胀土的化学改良是膨胀土工程地基处理研究 领域中的重要课题之一，它涉及到化学、岩土力学 及工程力学等多种专业和学科。开展这方面的研究， 对于治理膨胀土基础工程，从根本上解决膨胀土危 害具有重要的理论价值和较好的工程应用前景 [2] 。 ISS是美国研发的一种电离子土壤固化剂。它 与土混合压实后，通过电化原理改变黏土颗粒双电 层结构，能永久地将土壤的亲水性变为疏水性，同 时使土易于压实，形成强度较高、结构稳定的整体 板块 [3] 。膨胀土是一种特殊的黏性土，根据ISS对 黏性土的作用机制，笔者尝试使用ISS对膨胀土进 行化学改良，并对改良后的土进行了有关物理力学 性质试验。通过试验发现，ISS可显著降低膨胀土 胀缩能力，提高土体的压缩性能和强度。
2试验材料
2.1试验用土
试验采用的膨胀土为弱膨胀土。取自南水北调工程河南安阳段3标段，桩号为K12＋000～K15＋ 000区间，土样呈灰白色，硬塑，含较多结核物， 裂隙发育，有滑感。原状土取样深度为2～3 m，粒 度成分见表1，基本物理力学指标见表2，膨胀性试 验指标见表3。

 
2.2固化材料
固路宝ISS－2 500具黏滞性，呈棕色黑色液体。 分子量为(5～20)×10 4 ，阳离子交换容量为（5～6） mg/(100g)，碳当量差为（50～56）mg/(100g)。根据 需要稀释成不同浓度的水溶液，最小稀释比为 1:500。根据土类不同而不同，一般掺加ISS量为 1.00～3.00 L/m 3 。
3 ISS改性膨胀土的试验研究
3.1 ISS改性土的配合比设计
在路基工程中，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的。笔者认为， 对于膨胀土而言，最本质特性是其胀缩变形突出。 因此，改变膨胀土中黏粒成分的亲水性，削弱其膨 胀潜势，消除其胀缩能力，从而最大限度地克服由 于胀缩变形给工程建设带来的破坏，才是有重要意 义的，自由膨胀率是反映土的膨胀特性的最直接量 度指标之一。另外，考虑到施工成本，这里使用自 由膨胀率指标，结合固化剂成本综合选定ISS溶液 的最优配比。将取回的土样风干碾细过0.5 mm的 筛，将筛下土样拌和均匀后，按照每30 g土掺加 3 mL的ISS稀释水溶液，稀释溶液配比浓度分别为 1:50～1:500，让土样与ISS溶液充分作用，放置 24 h后将土在105℃温度下烘干，分别取每种配比作用后的10 mL土样进行自由膨胀率试验，计算自 由膨胀率大小，试验结果见表4。由试验结果可知， 在高配比（1:50）和低配比（1:450、1:500）下，土 体改性效果都不太理想，而其他配比段的膨胀土自 由膨胀率都有显著降低，最低控制在18%左右，即 土体由弱膨胀性土改变为非膨胀土。ISS溶于水后 离解出带正电荷的[X] n+ 阳离子和带负电荷的阴离 子[Y] n- ，阳离子与土壤胶体表面的阳离子[M] n+ 产生 交换作用，将这些原本吸附在土壤颗粒表面、亲水 性极高的阳离子赶走，同时随着ISS水溶液不断扩 散渗透，逐步置换黏土矿物晶格外部边缘和晶层间 水化交换阳离子，降低吸附水膜厚度，改变土体的 亲水性和膨胀性。当ISS溶液配比过高时，迅速离 解出的大量阳离子中的一小部分在与土壤颗粒表面 亲水性阳离子进行的交换作用后，尚有大部分覆盖 包裹着黏土颗粒表面，使晶层间水化阳离子的交换 反应难以进行；而当ISS浓度过低时，离解的[X] n+ 阳离子量不足，使得与土体中活性阳离子化学交换 反应不够彻底；ISS溶液处于中间配比段时，离解 的[X] n+ 阳离子量浓度适中，能较彻底地与颗粒表面 及矿物层间水合阳离进行交换，从而出现了表4所 示高、低配比时自由膨胀率变化不大的情况；其他 配比段的自由膨胀率变化明显，数据较接近。因此， 控制好加入ISS的剂量和配比度，是膨胀土成功改 性的重要因素之一。图1为固化剂的成本价格与土 体的改性效果随ISS的配比变化的综合曲线图，在 改性效果优和施工成本低的原则下，即取图1中两 条曲线间纵轴方向间距最大处所对应的配比浓度， 综合选定ISS改性土的最优配合比为1:350。

3.2加入ISS对土的胀缩性指标的影响
3.2.1加入ISS前后收缩试验
按照表3确定的最优配合比，取ISS兑水稀释 之1:350，并根据击实试验确定的最优含水率 （15.04%），均匀洒入土中，充分搅拌，密闭24 h 后取出，将含水率调至液限状态制成环刀样进行收 缩试验，并计算试样的线缩率、体缩、收缩指数和 缩限。试验结果见表5。由表可以看出，加入ISS 后土的线缩率明显减小，缩限变化并不明显。土的 线缩率明显减小，说明了吸附在土颗粒表面的部分 弱结合水已经被置换掉，土颗粒之间的联接力加强， 土体收缩变形能力变小。

3.2.2加入ISS前后膨胀性试验
按照收缩试验备样过程，使膨胀土与ISS充分 作用，密闭24 h后取出，保持最优含水率状态下按照轻型实击标准制件，在固结仪上分别以12.5、25、 50 kPa的上覆压力进行有荷膨胀率测试及无荷膨胀 率测试。膨胀力试验采用加荷平衡法在单向固结仪 上测定试样，在吸水膨胀但体积不变时，由于膨胀 产生最大内应力。为了准确地反映ISS对土体膨胀 性指标的影响作用，制样和试验过程中要严格控制 其他能够导致对试验结果产生重要影响的因素，如 应使试样的含水率、干密度保持一致。本次试验中， 都控制在最优含水率和最大干密度状态。加入ISS 前后膨胀性试验结果见表6。

由结果可见，与ISS作用后的膨胀土各项膨胀 性指标均显著降低。当上覆压力为25 kPa和50 kPa 时，土体吸水已经不再发生膨胀变形。这里需要指 出的是，比较表6和表3的结果，发现在同样未加 入ISS条件下，重塑压实土的膨胀势比原状土要大 得多。分析原因，可以解释为：原状土体坚硬，含 致密胶结、类岩石的块体，各向异性明显，很大程 度上影响土体吸水膨胀。在有荷膨胀率试验中，水 分更是透过裂隙，使试样崩解塌陷，导致膨胀率指 标为负，而经过扰动重塑压实后的土样，成分均匀， 克服了原状土中致密胶结物导致的吸水通道被阻， 较充分地发挥了土中亲水性矿物的吸水膨胀能力。 所以，直接用膨胀土填筑路基时，应对其较大的膨 胀潜势给予特别注意。
3.3加入ISS对膨胀土的剪切强度的影响
膨胀土强度变化要比一般黏土复杂，不仅取决 于结构、吸力等因素的变化，还依赖于膨胀土所处 的状态。作为一类典型的非饱和土，其强度特性与 含水率密切相关 [4－8] 。为着重了解ISS对膨胀土的 抗剪强度的影响，试验采用的试样均控制在最优含 水率和最大干密度状态的重塑土样，这样便消除了 由于压实度，含水状态等给抗剪强度值带来的影响。 本试验采用固结快剪法，即土样均在最优含水率状 态下装入剪切盒，在垂直压力作用下试样完全排水 固结稳定后，快速施加水平剪力。共进行2组试验， 即1组未加ISS土和1组ISS作用土，每组4个重 塑土样，分别在100、200、300、400 kPa的垂直压 力下进行剪切，剪切试验成果见表7，试验强度曲 线如图2所示。

由表7可知，ISS加固作用后的膨胀土黏聚力 明显增大，内摩擦角也有所增加。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，使得土颗粒距离拉近， 并使其密度增大，加强了土体颗粒之间的胶结物质 的胶结作用，从而增大了土体的黏聚力。对于膨胀 土来说，土颗粒之间的相互移动和咬合作用，颗粒 接触点处，由于物理化学作用而产生的吸引力，对 土的摩擦强度和摩擦角取值起主要作用。这里，经 过ISS加固的土体内因结合水层变薄，一定程度上 增强了颗粒表面物理化学作用而产生的吸引力，并 未显著提高颗粒之间咬合作用力，故其摩擦角值增 大并不明显。

3.4加入ISS对土压缩能力的影响 分别取未加固化剂土样和固化土进行高压固结 对比试验，试验时施加1 kPa预压力使试样与仪器 上下各部件之间接触。第1级压力的大小应视土的 软硬程度而定，由于试验土样含水率在最优含水率 状态下，土质较硬，故第1级压力施加50 kPa，最 后一级压力为3 200 kPa，每级荷载后施加24 h测定 试样高度，并作为稳定标准。试验过程中，用湿棉 纱围住加压板周围，避免水分蒸发。
试验完成后，计算每组试验的初始孔隙比e0， 各级压力下变形稳定后的孔隙比ei、压缩系数av、 压缩模量Es。根据《建筑地基基础设计规范》中规 定 [9] ，以P1=0.1 MPa、P2=0.2 MPa时对应的压缩系 数a1-2作为判断土的压缩性的标准，试验结果见表 8。由表可知，经过ISS作用后，膨胀土压缩系数变 小，压缩模量增大，土体压缩性能显著提高，进一 步证明，ISS处理后黏粒表面结合水膜厚度减小， 颗粒相互靠拢，土体更加密实。

3.5加入ISS对土水稳定性影响
分别取改性前后重塑土样浸水观察土体的变 化，表9为试验前后土体水理特性变化情况对比表。 试验结果说明，改性膨胀土能达到长期浸泡而无崩 解的效果，水稳性较好。

4 ISS改性土的机制分析
膨胀土吸水膨胀、失水收缩的基本原因在于土 粒与水的相互作用，土粒中的黏土矿物晶格扩张和 土中结合水膜厚度的变化而引起土粒间距离的扩张 和缩小，从而引起土体积的增大或缩小。双电层理 论认为，在土颗粒的接触面上，特别当土与水相互 作用时在胶体颗粒表面上，由于晶格置换可形成双 电层。在双电层中的粒子对水分子具有吸附能力， 在黏土矿物颗粒周围，形成表面水化膜。由于结合 水膜加厚将固体颗粒“楔”开，使固体颗粒之间的距离增大，从而导致土体积产生膨胀。当介质条件发 生改变，使土中结合水膜厚度变薄或消失时，则颗 粒间距离缩小，从而使土体积收缩 [2] 。另外，蒙脱石 类黏土矿物的晶格扩张也是导致土体膨胀重要原因。 ISS-电离子土强化剂是一种复合的化学配方， 其中含有活性成分的磺化油，无毒、无腐蚀性、无 污染。它是一种磺化油交换树脂，也是一种电解质， 能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子[X] n+ 和 带负电荷的阴离子[Y] n- ，阳离子与土壤胶体表面的 阳离子[M] n+ 产生交换作用，将这些原本吸附在土壤 颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走，代之以亲水性较低、黏结力较强的铝离子及其水合物 [3,10] ，即 [土壤胶体] n- [M] n+ +[X] n+ → [土壤胶体] n- [X] n+ +[M] n+ （1） 而离解出来的阴离子则与土壤中铝产生络合作 用： [土壤颗粒]+[Y] n- →[侵蚀的土壤颗粒] 3- + [AIY] 3-n 铝离子的树脂络合物（2） [AIY] 3-n 再与[土壤胶体] n- [X] n+ 作用，使树脂得 以再生： [AIY] 3-n +[土壤胶体] n- [X] n+ →Y n- X n+ + [Al(土壤胶体)]（3） 总反应式为 [土壤胶体] n- [M] n+ +[X] n+ → Al[脱铝的土壤胶体]+[M] n+ （4） ISS作用的结果是将吸附在土壤胶体表面的非 常容易水合的阳离子赶走，代之以水合度较低、黏 结力较强的铝离子及其水合物，即通过ISS溶液与 土粒表面离子进行了强烈的交换作用后，改善了土 粒表面电荷性质，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的结合水， 降低了土壤颗粒表面的吸附水膜厚度，从而导致ξ 电势下降，使土壤颗粒进一步靠近，封闭各土团之 间的孔隙，土的塑性降低 [11] 。交换后，包裹在黏粒 颗粒表面的疏水基团覆盖膜使土对水的敏感性减 弱，水分子很难再与膨胀土颗粒结合，从根本上减 少了吸水性和膨胀性。 ISS是在水中电解出离子与土壤颗粒离子进行 交换作用，从而达到将土壤改性的目的，它与其他 的胶合材料不同，自身与土粒并不结合，而且具有 再生功能，它与土壤作用时其总量并没有减少，其 功效并不会随着时间的推移而逐渐减弱；相反，只 要土壤中有水分，它的功效就会延续下去，这种作 用是永久的、不可逆的。
5结论
采用离子土固化剂进行膨胀土改良试验研究， 取得了较好的效果，且得出以下结论：
（1）ISS是一种离子交换剂，通过离子交换将 膨胀土由原来的亲水性改变成憎水性，能使膨胀土 改变属性。
（2）加入ISS后，能显著降低土体膨胀潜势。 应控制加入ISS的剂量和配比度，过高和过低的配 比下改性效果都不理想，根据自由膨胀率变化指标 结合成本费用选定最优配合比为1:350。
（3）加入ISS后土的膨胀率和膨胀力明显减 小，说明土体水敏性降低，吸水膨胀能力减弱；线 缩率明显减小，说明了吸附在土颗粒表面的结合水 减少，土颗粒扩散层厚度变薄，土颗粒之间的联接 力加强，缩限变化不明显。
（4）ISS改性土抗剪强度和抗压缩能力大幅度 提高，其工程性质得到很大程度改善。 （5）改性膨胀土能达到较好的水稳性效果，改 性土能够长期浸泡，不会出现崩解现象。
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