离子土壤固化剂加固红粘土的ξ电位试验研究
                  卢雪松　项　伟　曹李靖
        (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,通过对不同配比的阿太堡试验、ξ电位 试验结果进行分析,得出了红粘土在加入ISS后,塑性指数降低,ξ电位减小。试验表明:在以粘性 土为主的红粘土中加入离子土壤固化剂,通过电化原理,它能取代吸附在粘土表面可交换的阳离子, 改变粘土颗粒表面的双电层结构,减小弱结合水膜厚度,从而提高红粘土的强度。
    关键词　离子土壤固化剂　塑性指数　红粘土　ξ电位　结合水
    0　引言
红粘土具有高含水率、高孔隙比和高塑性,但却 具有较高的承载力和低压缩性等较好的工程力学性 质。有研究发现:红粘土不良物理性质与良好的力学 特性之间的矛盾,在很大程度上是由红粘土颗粒周围 的结合水引起的,包括吸附层和扩散层。扩散层的厚 度越大,土粒间的联结越弱,使得红粘土的强度 越低[1]~[3]。
在实际工程中,红粘土因其不良的物理性质与胀 缩性引发许多工程危害,如道路开裂、边坡失稳、地 基不均匀变形等等。若采用传统方法,用水泥、粉煤 灰改良红粘土作为路基,不仅施工周期长,费用高, 且需大量的砂石作骨料。如何在保证道路工程质量的 前提下减少砂石用量,充分利用道路沿线各种土料来 修筑道路是工程界急需解决的问题之一。
课题采用一种经济适用的离子土壤固化剂来加固 路基红粘土,减小结合水膜的厚度,从而增加红粘土 的强度。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,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ISS加固红粘土,不仅施工周期短、 费用低而且保护环境,并对人、牲畜、植物和大自然 无损害[4], [5]。更为可贵的是用ISS加固红土是直接利 用现场的土作为原料来进行的[5], [6],免除了昂贵的 开挖和异地取材的费用。离子土壤固化剂加固技术是 一种低成本、施工简便、就地取材的方法,被广泛用 于道路和水利工程的加固土体。但目前对ISS加固红 粘土的试验研究较少,特别是对加固红粘土后土体的 塑性指数变化、ξ电位如何改变研究不够。
1　试验材料
1·1　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,如表1。
 
1·2　固化材料
离子土壤固化剂(俗称“路基实”、“固路宝”), 为棕黑色水溶性液体。根据需要稀释成不同浓度的溶 液, ISS的掺加量根据土类不同而异,一般每m3土掺 ISS量为0·15~0·50 L。
2　试验研究
2·1　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的。但笔者认为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[6]。
将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ISS时,将ISS的各 种体积按比例兑水稀释后,摇匀并均匀洒入土中,充 分拌匀,密封24小时。试验结果如表2。
由表2可见,对于ISS而言,当其与水的配比为 1:200时,能使红粘土的塑性指数降至最低,加入 ISS后,红粘土的塑性指数最低可控制在29左右,比 不加ISS的塑性指数降低14·14,而且看出,并不是 ISS加入越多越好,相反,当ISS浓度增大之后,塑 性指数又有所增加,并使土体颗粒表面发粘,不但不 能很好地去掉土中的结合水,且影响土的压实性,并 增加试验成本。

2·2　ξ电位试验
测试应用Zeta电位仪Zetasizer ZS90,其M3- PALS专利技术能对水分散和非水分散体系中的zeta 电位进行精确的测量。试验前,采取沉降虹吸分离法 分别提取原样和加入ISS:水=1: 200固化土的粘土 颗粒(小于2 um),然后照操作规程进行ξ电位试 验。目的在于得出加入ISS前后粘土颗粒ξ电位如何 改变,从而反映结合水层的厚度变化。试验结果如表 3,所测的ξ电位图如图1、图2。
 
 
由胶体和表面化学可知,扩散双电层的近似公式 为(20℃):ξ=4πσd/D=0·157σd′,其中σ为胶粒 表面电荷密度; d为紧附离子半径; d′为扩散双电层 有效厚度; D为介质介电常数[7]。从公式可知,ξ电 位愈大,扩散双电层有效厚度d′也愈大,也就是说结 合水层厚度愈大;ξ电位愈小,结合水层厚度愈小。 由表3、图1、图2可知,原样(小于2 um)的ξ= -31·02 mV,加入ISS后(小于2 um )的ξ= -17·62 mV,由此可知,加入ISS后的ξ电位明显减 小(绝对值大小),从而得出加入ISS后土的结合水 层厚度变薄的结论。
3　ISS加固土的机理
离子土壤固化剂是一种磺化油树脂,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和 带负电的阴离子,离解出来的阳离子与土壤胶体颗粒 表面的阳离子产生交换作用,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[4]。这为一 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,且处理后的小粒子会具有 磁力相互吸引而形成大粒子。
由此可见,在以粘性土为主的红粘土中加入离子 土固化剂,通过物理化学作用,它能取代吸附在粘土 表面的可交换性阳离子,改变粘土颗粒表面的双电层 结构,使粘土的电位势下降,ξ电位变小,减小结合 水膜厚度,从而提高红粘土的强度。
4　结论
(1)离子土壤固化剂能降低红粘土的塑性指数, 减小粘土的结合水膜厚度。当ISS与水的配比为 1:200时,能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 可控制在29左右;
(2)加入ISS后红粘土的ξ电位明显降低(绝对 值大小),说明土的结合水厚度变薄,能使土颗粒之 间的联结力变强,从而提高土的强度。
参考文献:
[1]朱平生等·云南高原山区红层工程地质特征[J]·路基工程, 2008 (4)·
[2]王毓华·中国红粘土特性、工程应用与研究展望[C]·区域性土的岩 土工程问题学术讨论会论文集,南京:原子能出版社, 1996: 177-184·
[3]王迅·红层泥岩路堤离心模型试验研究[J]·路基工程, 2007 (4)·
[4]陈彦生,董建军·离子土壤强化剂(ISS)丛书之一:离子土壤强化剂 (ISS)施工指南[M]·武汉:武汉工业大学出版社, 1999·
[5]吴志广,张政权,童克强,陈彦生·离子土壤强化剂(ISS)在防洪堤 坝工程中应用(上、下册) [M]·武汉:武汉工业大学出版社, 2000·
[6]方云,林彤,谭松林·土力学[M]·武汉:中国地质大学出版 社, 2003·
[7]沈钟,赵振国,王果庭等·胶体与表面化学[M]·化学工业出版 社, 2004.