膨胀土化学改良现状及其展望

膨胀土化学改良现状及其展望

膨胀土因在形貌和工程性质上的特殊性，以及其对工程建筑物所产生的严重破坏作用而引起人们的广泛重视。据统计，美国由于膨胀土造成的损失每年达几百亿美元，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成损失的总和；我国仅铁路每年就需耗资上亿元进行膨胀土地区铁路工程的整治。然而由于膨胀土组成和结构的复杂性，膨胀土一词的真正含义在1969年第二次国际膨胀土研究会议上才正式给出。膨胀土工程上的定义是一种由于它的矿物成分对于它的环境变化，特别是湿度状态的变化非常敏感的土，其反应是发生膨胀和收缩，并产生膨胀压力。矿物学上的定义是膨胀土中主要含有蒙脱石等矿物，这些层状硅酸盐矿物为主的膨润土(或称斑脱土)，吸水后体积可膨胀1O～30倍。要在膨胀土上建造建筑物，必须对其基础膨胀土进行处理。常用方法有：换土，喷射桩和化学改良等。在这些处理方法中，化学改良固化因具有较好的性价比而受到人们广泛重视。为此，在对膨胀土的胀缩性能和膨胀土的化学改良固化现状进行分析的基础上，对膨胀土的化学改良固化下一步研究进行了展望和探讨。

1 膨胀土的胀缩性能

要使化学改良膨胀土具有较好的长期耐久性，必须对膨胀土产生胀缩的原因有深刻的了解。大量的研究表明，膨胀土的胀缩性能主要与其粘土矿物的组成、结构及其堆聚的微结构有关。

1.1 粘土矿物与胀缩性

膨胀土矿物成分包括各种粘土矿物和碎屑矿物，大致有2O种之多，表1是一般膨胀土粘土颗粒中常见矿物成分 ]。碎屑矿物中大部分为石英、长石(主要为斜长石)和云母等矿物，碎屑矿物大多是粗颗粒的组成物质，在膨胀土中含量有限，对膨胀性能影响较小。粘土矿物由蒙脱石、伊利石和高岭石及其变体等组成，具有层状或链状晶体构造的含水铝硅酸盐，其共同特点是，结晶度低，晶粒细微，同晶置换现象普遍，胶体特性十分典型；粘土矿物主要是细颗粒的组成物质，在膨胀土中不仅占有绝对优势，而且是决定其“粘土特性”的主要物质基础，从而也是控制膨胀土工程性质的重要内在因素。

各类粘土矿物由于其化学成分、晶格构造及离子交换能力等性质的不同，决定了不同类型粘土矿物彼此之间的特性差异。大量研究表明，各种粘土矿物组成与膨胀土的物理化学性质与力学性能之间的相关关系，大致存在着一般规律。蒙脱石矿物对于膨胀土工程性质的影响尤其具有特别重要的作用。长江水利水电科学研究院研究表明，当膨胀土中蒙脱石含量达到5时，即可对土的胀缩性和抗剪强度产生明显影响。倘若蒙脱石含量超过2O～3O时，则土的胀缩性和抗剪强度基本上全由蒙脱石所控制。蒙脱石是化学成分复杂的一大族矿物，称为蒙皂石族(smectite)，亦称蒙脱石族。端员矿物蒙脱石属单斜晶系，是由

2层硅氧四面体和1层夹于其间的铝(镁)氧(羟基)八面体构成的2：1型层状硅酸盐矿物，结构单位层间为0与0，键力极弱，易被具有氢键极化水分子分开。另外，蒙脱石晶格的异价类质同晶置换是其最基本、最重要的构造特性，蒙脱石的硅氧四面体和铝氧八面体中的硅、铝离子被其它不等价阳离子(Fe＋3，Fe＋2，Zn＋2，Mg＋2等)所置换，形成层间负电荷，使晶层具有吸附水化阳离子的能力。同时，蒙脱石的端面破键和八面体片在碱性环境中的离解也会产生负电荷，使蒙脱石具有吸附水化阳离子的能力。蒙脱石吸附水化阳离子后，晶面间距(co)加大，产生吸水膨胀。自然界产出的较稳定形式的蒙脱石，单位化学式有

2H20时，co＝1.24 nm；有4H20时，co＝1.52nm；高水化状态c。为1.84～2.14 nm，有时甚至可达4.8nm左右。蒙脱石层间吸附的阳离子是可交换的，能与土颗粒周围溶液中的阳离子进行等物质量的交换。不同的阳离子使得蒙脱石的吸附性能不同，含高价阳离子的蒙脱石处在塑性体－流体的过渡阶段，较一价阳离子蒙脱石水化能高，吸水速度快，吸水量大，膨胀率高，在低湿状态的样品尤为明显；但进入分散状态时则不然，此时吸水膨胀性能受晶格的离解程度制约，高价阳离子比一价阳离子具有较大的倾向把粘土矿物维系在一起，含高价交换离子的蒙脱石晶格的离解程度较含一价交换阳离子的蒙脱石晶格离解度低，吸水量少，最终吸水率也低。但一价离子中钾离子是一个例外，可能是因为它的大小和配位数允许它紧密地填人粘土矿物表面氧

的六角形网眼中，可加强层间连结，减少吸水量，氨离子的作用与钾离子类似口。有机阳离子和有机极性分子也能显著地影响蒙脱石的吸附性能。Gleseking报道说，当蒙脱石粘土用多种有机阳离子饱和后，其吸水膨胀性能就将失却，这些阳离子吸附在蒙脱石底面上。Hendricks指出，吸附有胺离子的蒙脱石吸附水分的数量同根据总表面与被胺离子遮盖的一部分表面之差而推断出蒙脱石吸附水分数量非常接近。总之，层间吸附的阳离子使得蒙脱石的吸水膨胀性能表现出较大的差异。粘土矿物中伊利石的晶体构造与蒙脱石相似，同样由2层硅氧四面体和1层铝氧八面体组成，所不同之处是在2个晶胞之间因吸附钾离子而使联接力增强，结晶格架的活动能力较蒙脱石低，而使一部分极性水分子可以进入晶层之间，显示弱的胀缩性。高岭石则是由1层硅氧四面体与1层铝氧八面体组成，2个相邻晶胞之间由联接力很强的氢键相结合，极性分子和交换阳离子均不能进入层间，高岭石分子故一般不具胀缩性。十分清楚，由化学成分、晶格构造及离子交换能力不同的粘土矿物及吸附不同阳离子的相同粘土矿物组成的膨胀土，其吸水膨胀性能将表现出明显的差异。

1.2 微结构与胀缩性

膨胀土的胀缩变形还与其结构相关，结构也是决定和影响土工程性质极其重要的因素，尤其是“结构连结”。如果说膨胀土的物理化学性质，主要受膨胀土的物质成分所控制，那么膨胀土的收缩性、强度特性以及变形性质，则在很大程度上取决于

膨胀土的微结构特征。组成膨胀土微结构的物质基础主要是细小的粘土矿物颗粒，粘土颗粒呈聚集状，有的以连续的、非定向排列的分布组成粘土基质，即基质状结构。这些基质状结构胶体特性十分明显，具有较强的吸水膨胀失水收缩性能。须藤俊男于1960年发现粘土矿物颗粒间的膨胀远大于其层间膨胀。蒙脱石聚集体SEM 图中呈现出弯曲而起皱的外貌，并可见到卷曲和起翘的现象，有时薄片起翘卷曲张开呈花瓣状结构形态，而伊利石则是扁平颗粒聚集成叠堆状结构。蒙脱石这种结构有利于其表现胀缩性。SEM分析还发现，膨胀土是普遍发育有微孔隙和微裂隙的多孔隙粘性土，无论在聚集体内或聚集体间，都普遍分布有各种大小不同、形状各异的微孔隙和微裂隙。各种微孔隙和微裂隙的存在，决定了膨胀土的孔隙一裂隙介质属性，有利于水的渗入与溢出，为聚集体的膨胀与收缩创造了水分迁移变化的必要条件，使膨胀土粘土矿物吸水膨胀得以发生，产生膨胀破坏成为可能。另外，有研究证实具有钠离子扩散层的伊利石，也类似蒙脱石赋予粘土一定的膨胀性。

2 膨胀土化学改良现状

有关膨胀土化学改良目前使用较多的无机类的固化剂有石灰、水泥等，有机类的有丙烯酸盐系列、聚丁二烯等。还有使用有机固化剂与无机固化剂复合的方法，也取得了一定效果，如丙烯酸盐与水泥复合、胺基磺酸盐类化合物与石灰复合等。2.1 无机类固化剂