崔德山1,项　伟1,董建军2,陈　琼1

(1.中国地质大学,武汉　430074;2.武汉长江工程技术公司,武汉　430010)

摘要:利用离子土壤固化剂(ionicsoilstabilizer,简称ISS)加固红粘土,通过对不同配比的阿太堡试验、收缩试验、自 由膨胀率试验和无侧限抗压强度试验结果进行分析,得出了ISS加固红粘土压实性能和强度的变化规律。试验表 明:加入ISS后,红粘土的承载力增大,粘土颗粒的结合水减少,塑性指数可以降低在12%左右,但并不是ISS加入 越多越好。最后,从ISS影响双电层的结构和ξ电位等方面,对ISS加固土的机理进行了分析。

关　键　词:离子土壤固化剂;固化机理;双电层;结合水

中图分类号:TU472.5　文献标识码:A

1　概　述

红粘土是碳酸盐岩风化的残坡积物,并经过红土 化作用而形成的棕红、褐黄等色的高塑性粘土[1]。 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[2]。 红粘土以其特殊的性质与工程问题正引起学术 界与工程界更为广泛的关注。由于红粘土性质特殊 且复杂,对于一些理论问题和工程实践问题的研究 仍不够深入。例如,对于微观结构及矿物成分的研 究较多,但微观结构对宏观力学特性影响缺乏深入 研究,尤其是多因素影响下红粘土工程力学特性变 化的规律有待进一步研究。在实际工程中,红粘土 因其不良物理性质与胀缩性引发大量诸如边坡失稳 地基不均匀变形、道路开裂等工程危害。因此,加强 红粘土的力学特性及水敏性特征的试验研究与理论 探讨,不仅对土力学理论的发展有学术价值,也是工 程实践的需要[3]。

武汉市汉阳区存在着大量的第四系网纹状红粘土,该种红粘土在干燥的情况下强度较高,而遇水则 易吸水发生膨胀、软化。如果采用水泥、粉煤灰加固 不仅施工周期长、费用高,而且需要大量用来做骨料 的砂、砾和石料。所以,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 来修筑道路是急需解决的问题之一。

采用离子土壤固化剂(ISS)不仅施工周期短、费 用低,而且保护环境[4,5],更为可贵的是用ISS加固 红粘土是直接利用现场的土作为原料来进行现场加 固,免除昂贵的开挖和异地取材的费用。但目前对 ISS加固红粘土的试验研究做得比较少,对加固红 粘土后土体的收缩性和自由膨胀率改变,土颗粒结 合水如何变化、ξ电位如何改变认识不够。

2　试验材料

2.1　试验用土

取武汉市汉阳区的原状土进行试验,原状土的取 样深度为0~3m,分别编为①号和②号网纹状红粘 土。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。

2.2　固化材料

两种不同离子含量的离子土壤固化剂,分别称为 ISS1和ISS2,都具粘滞性,ISS1呈黄褐色液体,ISS2呈 灰黑色液体。当分子量为(5~20)×104时,阳离子交 换容量为5~6mg/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,ISS 的掺量根据土类不同而不同,一般掺ISS1.00~ 3.00L/m3。

3　ISS加固红粘土的试验研究

3.1　ISS加固土的配合比设计

以往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加固土 的本质是去掉土中的结合水,所以应该从加入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。

将取回来的土样进行不同配比的液塑限试验, 并计算塑性指数,试验结果如表3所示。由此可见, 对于ISS1和ISS2而言,当其与水的配比分别为 1∶250和1∶150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12%左右,分别比不加ISS 时的塑性指数降低了35.3%(ISS1)和30.4% (ISS2),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,不但不能很好地去掉 土中的结合水,而且影响土的压实性,并增加了试验 的成本。

在土中掺加ISS时,分别取ISS1和ISS2与水体积比为1∶250和1∶150的稀释比,将ISS兑水稀释 后再按最佳含水量和最大干密度配比均匀洒入土 中,即ISS1和ISS2与红粘土的剂量比分别采用 1.15L/m3和2.03L/m3,充分拌匀,密封24h,然后 制作成尺寸为Φ10cm×10cm的圆柱体试件。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,得试验结果:未加ISS1红粘土 的最大干密度为1.86g/cm3,最佳含水量为 15.35%。掺加ISS后,红粘土的最大干密度有所增 加,而最佳含水量有降低,如表4所示。

3.2　加入ISS对土的线缩率的影响

取两组天然状态下的试样进行收缩试验,分别 取ISS1和ISS2与水的体积比为1∶250和1∶150的 水溶液进行试验,并计算试样的线缩率、体缩、收缩 指数和缩限,试验结果如表5所示。由表可以看出, 加入ISS后土的线缩率和缩限明显减小,这充分说 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。

3.3　加入ISS对土自由膨胀率的影响

取两组天然状态下的试样进行自由膨胀率试 验,然后分别取ISS1和ISS2与水的体积比为1∶250 和1∶150的水溶液进行试验。试验结果如表6所 示。由表可以看出,加入ISS后土的自由膨胀率明 显减小,这进一步证明了土颗粒表面已由亲水性变为憎水性,水敏性降低。

3.4　加入ISS对土的无侧限抗压强度的影响

分别取ISS1和ISS2与水的体积比为1∶250和 1∶150的水溶液进行无侧限击实试验;本试验共制成 23组,每组试样为3个,经过中型击实仪击实后脱模, 并在室内通风干燥处养护1d后,在无侧限条件下做 的轴向应力与轴向应变关系试验。为了比较加入ISS 与未加ISS的土的抗压强度,分别做无ISS,ISS1与水 的配比为1∶300和1∶250以及ISS2与水的配比为 1∶200和1∶150的强度试验,结果如表4所示。研究 发现,ISS加固土的湿度稍大于不加ISS时的湿度,经 过测其含水量发现个别最大含水量最大已经达到 15.57%,增加的部分为土颗粒的结合水变成自由水, 当再用这种土去做击实试验和无侧限抗压强度试验 时发现其强度明显地降低了,所以由此可得出一个非 常重要的结论:土中加入ISS离子土壤固化剂的加固 性能与土的含水量有密切的关系,如果以最大干密度 时的含水量去配比,由于ISS与土的化学作用会导致 加固后土的含水量增加1%~2%(但是土颗粒表面 的结合水并没有增加),所以其无侧限抗压强度不是 最大值,故建议以最低塑性指数去配比,从而使加固 土达到最大干密度。

4　ISS加固土的机理

试验区为第四系网纹状红粘土,天然含水量较 高,吸水易引起土壤膨胀,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。根据Gouy-Chapman模型, 溶液中的水分子、阳离子是扩散地在粘土颗粒周围 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(1~10nm)过剩的反离子浓度为零。把水和其 中的反离子视为粘土颗粒的一部分,在电泳时固-液 之间发生相对移动的“滑动面”在双电层内距表面某 一距离Δ处,该处的电位与溶液内部的电位之差称 为ξ电位[6,7]。

离子土壤强化剂(ISS),是一种由若干强离子试剂组合而成的水溶剂,ISS溶于水后迅速离子化而 使水溶液呈高导电性,当少量的ISS置于水中时,由 于溶液中含有大量高价离子,能够置换出土中的阳 离子并使水离子化,促使扩散层厚度减薄,电位势下 降,同时也使土粒中正负电荷达到平衡,这样就打开 了土粒与水分子之间的“电化键”而使水分子离开土 粒进入周围的自由水中,即土粒周围的大部分结合 水被离子化而变成可从土体中排出的自由水,从而 使土颗粒的外电层变薄,ξ电位变小。该反应为一 不可逆反应,即当土壤被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 根本上将土壤内部毛细管水和弱结合水全部去掉, 这些试剂会牢牢地粘附在土壤颗粒上,能永久地将 土壤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 2.5nm)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,在常规压实机械碾压后,可形成坚固 的板块结构,能有效地提高土壤的强度、密度、压实 度和防渗性,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、ξ电位的量变需进一步研究论 证。

本文通过ISS与水不同配比的试验研究,得出 以下几点结论:

(1)ISS加固土能明显提高第四系网纹状红粘 土的强度。

(2)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12%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,不但不能很好的去掉土中的水,而且影响土 的压实性,并增加了试验的成本。

(3)加入ISS后土的线缩率和缩限明显减小, 说明了吸附在土颗粒表面的结合水减少了,从而使 土颗粒的扩散层的厚度减小了,土颗粒之间的联接 力加强了。

(4)加入ISS后土的自由膨胀率明显减小,这 进一步证明了土颗粒表面已由亲水性变为憎水性,水敏性降低。

(5)土中加入ISS离子土壤固化剂的加固性能 与土的含水量有密切的关系。如果以最大干密度时 的含水量去配比,由于ISS与土的化学作用会导致 加固后土的含水量增加1%~2%(但是土颗粒表面 的结合水并没有增加),所以其无侧限抗压强度肯定 不是最大值,故建议以最低塑性指数去配比,从而使 加固土达到最大干密度。

参考文献:

[1]　姜洪涛.红粘土的成因及其对工程性质的影响[J].水 文地质工程地质,2000,(3):33-37.

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[3]　赵颖文,孔令伟,郭爱国,等.广西原状红粘土力学性状 与水敏性特征[J].岩土力学,2003,24(4):568-572.

[4]　陈彦生,董建军.离子土壤壤强化剂(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,等.离子土壤壤强化剂(ISS) 在防洪堤坝工程中应用[M].武汉:武汉工业大学出版 社,2000.

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