膨胀土化学改良效果及其在边坡工程中应用的试验研究

邱雪莲,王保田

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098)

膨胀土化学改良效果及其在边坡工程中应用的试验研究

邱雪莲1,2,王保田1,2

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098)

对膨胀土边坡进行化学改良,具有良好的工程应用前景。根据膨胀土的胀缩机理,选择十八烷基三甲基氯化铵和KCl共同作用,用于膨胀土尤其是膨胀土边坡的渗透改良,并从微观层面阐述了改良剂的作用机理。无荷膨胀率试验及无侧限抗压强度试验结果表明:相对于膨胀土素土,经改良剂作用后的膨胀土膨胀性有较大程度的降低,水稳定性也明显增强,泡水后不发生崩解。颗分试验及离心机试验结果表明:改良后膨胀土的比表面积减小,与水的作用减弱,吸着水含量较素土明显减少。模拟渗透改良试验结果表明,通过喷洒改良剂可使边坡表层一定深度内的膨胀土得到有效改良。

膨胀土;化学改良;渗透改良;作用机理;工程应用

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种特殊性黏土,主要由蒙脱石、伊利石等亲水性矿物组成,吸水软化膨胀,失水收缩开裂,并且具有多裂隙性、超固结性、强度衰减性等特殊性质[1],对建筑物地基、道路和铁路路基、机场跑道、渠道边坡、堤坝等均有较严重的破坏作用,全球每年因膨胀土的工程问题而造成的损失巨大[2]。

目前对于膨胀土的改良,比较成熟的方法是通过掺加石灰、水泥、粉煤灰等达到改良目的,这些方法都是添加固体材料来改良膨胀土,在拌合过程中费时费力,并且容易造成环境污染。改良后,灰土中的钙离子会随着时间的推移而慢慢流失,从而影响改良效果;在施工过程中,灰尘飞扬会对施工人员造成一定的伤害;石灰改良施工时需反复拌和,改良施工周期长,人力和技术成本高;除此以外,添加石灰、粉煤灰、碎石渣这些方法对边坡路堤这样的长、大土工构筑物,无论是从处理方法上,还是从技术成本上都不合算。所以有必要寻找一种可溶于水或其它溶剂的改良剂,通过渗透改良等方法来改良膨胀土边坡表面的土性,以抵抗风化和雨水冲刷等不良气候条件,维持边坡的稳定性。

本文选择十八烷基三甲基氯化铵和氧化钾,两者共同作用,用于膨胀土尤其是膨胀土边坡的渗透改良。从膨胀土的胀缩机理出发,对改良剂的作用给出微观解释,并通过试验进行验证;通过喷洒的方法进行了边坡模型渗透模拟试验,研究了喷洒改良前后土的膨胀性的变化,为膨胀土改良尤其是膨胀土边坡的改良提供了新的参考。

1 理论依据及试验材料

1.1 理论依据

膨胀土吸水后体积增大、失水后体积缩小的现象称为膨胀土的胀缩变形,这是膨胀土最本质的特征之一。Norrish[3]与Madsen[4]等学者将黏土的水化膨胀分为晶层膨胀和渗透膨胀两部分。晶层膨胀主要是由黏土中可交换阳离子的水化膨胀引起的;当层间阳离子充分水化时,晶层膨胀结束,渗透膨胀开始,水分子向晶层间进一步扩散,晶层间距进一步扩大,直至完全分散。这种说法与晶格扩张理论和双电层理论其实是统一的。关于膨胀土的胀缩机理,目前运用最为广泛的是晶格扩张理论和双电层理论[5]。晶格扩张理论认为土体的体积膨胀是由水分子进入晶胞间形成水膜夹层从而引起晶胞距离增大形成的;双电层理论认为,带有负电荷的黏土颗粒吸附水化阳离子形成双电层,被双电层内的离子吸附的水分子在粘土矿物颗粒的周围形成表面结合水(水化膜),由于结合膜增厚“楔开”土颗粒,从而使固体颗粒之间的距离增大,导致土体膨胀。由渗透作用导致的颗粒表面水化膜的变化主要是就结合水而言,它受黏土颗粒表面水化离子扩散层的控制,其实也就是双电层作用[6]。

1.2 试验材料

本文试验所用的膨胀土土样取自芜申线东坝段胥河南岸工地,土样的基本物理性质见表1。

表1 土样基本物理性质

长期以来,K+由于具有常见阳离子(Na+、Ca2+、Mg2+等)中最低的水化能而一直被视为最佳水化膨胀抑制剂[7]。但其应用前提是已经水化膨胀的黏土,因而其单独作用的效果受到了限制[8]。十八烷基三甲基氯化铵(以下简称1831)是一种阳离子表面活性剂,能与许多表面活性剂或助剂良好地配伍,协同效应显著,且常用作有机膨润土的改性剂。为此,本文尝试用1831(试验所用1831活性物含量为70%)与氯化钾的混合溶液对膨胀土进行处理,以期达到较好的改良效果。

2 室内试验

2.1 自由膨胀率试验

2.1.1 探索性试验

自由膨胀率是反映膨胀土膨胀性的重要指标之一,与土体的粘土矿物成分、粘粒含量及化学成分等有密切的关系,用于判断土体在无结构力作用下的膨胀潜力。

试验中,以改良试剂与干土的质量比为控制指标,按照不同掺量,将试剂溶于水中,均匀拌和到土中,控制初始含水率在天然含水率上下5%左右,然后将改良土放入塑料袋中密封一昼夜,取出烘干碾碎后过0.5 mm筛,按《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)[9]进行自由膨胀率试验,试验结果如表2。

表2中的试验结果显示,KCl单独作用时,在其掺量较高的情况下,自由膨胀率仍保持在40%以上;1831单独作用时,只有当用量达到1.5%时,自由膨胀率才能够降低到规定的值,但是掺量较大时,工程造价过高,因而不予选择。综合考虑改良效果与经济性因素,选择0.3%1831+3%KCl、0.3%1831+6%KCl、0.5%1831+2%KCl作为后续试验的配比组合。

表2 1831与KCl改良土的自由膨胀率

2.1.2 作用机理分析

影响膨胀土工程性质的主要是粘土矿物蒙脱石和伊利石,其中蒙脱石的吸水膨胀性最强,对土体的胀缩特性起决定性的作用。蒙脱石是一种层状铝硅酸盐矿物,其晶胞由一个硅—氧四面体和一个铝—氧八面体构成。四面体中的Si4+和八面体中的Al3+容易被低价阳离子取代,使原晶体结构中增加了等当量的负电荷,因而需要吸附周围环境中的阳离子来平衡增加的负电荷。蒙脱石的晶层上下都是氧离子,晶层之间通过“氧桥”连接,这种连接力很弱,水分子和其他阳离子极易进入从而使晶层间距扩大。K+的离子半径(0.133 nm)与粘土晶体的六角网半径(0.13 nm)相当,从而可嵌入其中将水分子挤出,重新形成连接力较强的的钾键。同时,K+具有常见阳离子中最低水化能,因而其对粘土水化膨胀的抑制作用更加明显。NH+4半径比K+稍大(0.143 nm),也可能进入六角网中将水分子挤出,由于NH+4与K+具有相同低的水化能,因而推断其对粘土的水化膨胀也有较强的抑制作用。KCl与1831在土中水的作用下,能够离解出大量的K+和NH+4,从而使膨胀土的水化膨胀得到抑制。

此外,1831是一种阳离子表面活性剂。当前普遍的看法是,表面活性剂类改良剂能够与土发生一系列的物理化学反应,改善土颗粒的表面特性,使得土体由亲水性变为憎水性。表面活性剂的分子主要由亲水基和憎水基组成。作为一种阳离子表面活性剂,1831的亲水基带有正电荷,因而易于吸附在带负电荷的粘土颗粒表面,其憎水基则朝向水中,从而导致粘土颗粒的憎水性增强。随着亲水性的降低,土体与水的作用减弱,膨胀性降低。另外,1831是一种长链高分子,当其作用于土体后,相邻的粘土颗粒通过链桥相互搭接,并通过一系列的作用,使得颗粒与颗粒之间最终形成一个较为牢固的空间网状结构,土体的强度也相应得到一定程度的提高。结合这种判断,我们进行了一系列的对比试验,对1831+KCl组合改良膨胀土的作用机理进行初步验证,探讨其在抑制膨胀土的膨胀性及提高土体强度方面所收到的效果。

2.2 无荷膨胀率试验

首先按照2.1中的过程配制好所需的土样,将其制成φ 6.18 cm×2.0 cm的环刀试样,制样干密度为天然干密度1.53 g/cm3,含水率为20%。成型后的试样放入潮砂中,分别养护7天、14天后取出进行无荷膨胀率试验。试样安装步骤按《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)[9]进行。具体试验结果如图1 、图 2、图 3。

图1 素土和改良土无荷膨胀率随时间的变化情况(一)

图2 素土和改良土无荷膨胀率随时间的变化情况(二)

图3 素土和改良土无荷膨胀率随时间的变化情况(三)

由图1～图3的试验结果来看,改良剂的掺量及养护龄期对于无荷膨胀率的影响还是比较显著的。养护7 d时,三种改良土的无荷膨胀率均在2%左右,比未掺入改良剂时的12.9%相比已有明显降低;养护14 d时,无荷膨胀率均降至1%以下,0.3%1831+6%KCl改良土的无荷膨胀率更是接近于0。综合考虑上述试验结果可知,0.3%1831+3%KCl是一个较为经济实用的配比组合。

2.3 无侧限抗压强度试验

试验采用直径5 cm、高5 cm的试样(含水率20%、干密度1.53 g/cm3)。根据无荷膨胀率试验结果,选择0.3%1831+3%KCl作为无侧限抗压强度试验的配比组合。按2.1中的步骤配制好所需土样,倒入模具中击实。成型后的试样一部分直接泡水,一部分放于潮砂中养护,分别于7 d、14 d、28 d后取出用于试验。试验结果见表3。

表3 不同养护龄期下素土和改良土的无侧限抗压强度

在试验过程中,素土在泡水后的短时间内迅速崩解;未经养护的1831+KCl改良土在泡水刚开始的1 h内有一定程度的破坏,但崩解速度略慢于素土,在泡水达到2 h时,试样已大部分破坏,不具有强度;养护7 d以后的1831+KCl改良土在泡水过程中土样一直保持完好,泡水24 h后,土样完整,无起皮、断裂等现象。泡水24 h后,进行无侧限抗压强度试验。随着养护龄期的增加,无侧限抗压强度有所增大;然而,养护28 d时的强度值较14 d时增加不明显。可见,在养护达到一段时间后,改良土的耐崩解性增强,但随着龄期的继续增长,无侧限抗压强度不会再有明显变化。从某种程度上理解,无侧限抗压试验不仅仅表征土体的强度,更大程度上体现出粘土的水稳定性[10]。

2.4 颗粒级配的变化

在上文中提到,经改良剂作用后的膨胀土,颗粒之间通过链桥相互搭接,土粒团聚成较大的颗粒。从外观上观察,在相同的含水率下,与素土相比,改良后的土体具有砂土的特征,从图4可以明显地看出这种变化。

取改良前后的膨胀土进行电镜扫描,如图5所示,均为2000倍下的图像。

图4 改良前后土体外观变化

图5 改良前后土的电镜扫描图像

从图5可以明显地看出,经1831和KCl共同作用后的膨胀土,结构致密,土体中的孔隙减少,土体的团聚度增加。为了定量地说明这种变化,进行了改良前后土的颗粒分析试验,试验结果如图6。

由图6结果可知,改良后土体中的砂粒含量增加,粘粒、胶粒含量减少,土粒聚集成颗粒较大的絮凝结构,比表面积减小,与水的作用减弱,从而吸水后的膨胀受到抑制。

图6 素土和改良土的粒径分布曲线

2.5 吸着水含量的变化

通常情况下,土中水被分为自由水和结合水。由于粘土颗粒表面所带有的负电性,在土粒电场范围内,水和水溶液中的阳离子,在静电引力作用下,被牢牢吸附在土颗粒周围,形成结合水膜。粘土颗粒的比表面积大,能大量吸附结合水。根据Lebedev[11]的研究成果,结合水与自由水的区分用PF值3.8作为分界点(见图7)。

图7 土中的水分分类和对应势能

试验采用日立CR21高速冷冻离心机,土样PF值的计算公式如下:

式中:n为离心机转速(rpm);r0为旋杯底即试样底部到离心机转盘中心距离(cm);r1为试样中心到离心机转盘中心距离(cm),r1=r0-(5.09-h)/2;h为试样表面到旋杯口的距离(cm)。

试验过程中,随着试样中低势能水的甩出,土面下陷,h的值会随之发生变化,因而式(1)中的PF值并不是固定不变的。选取PF值接近3.8的两个值(分别大于及小于3.8),根据上述公式算出对应的离心机转速,分别在这两个转速下进行试验。根据试算,选取5 000 rmp和7 000 rmp两个转速,开动仪器,每个转速下分别运行3个小时。每3个小时结束后,取出环刀,测量土面下陷深度,得到此时对应的PF值,同时称量此时试样的质量。离心机试验结束后,称得试样质量,然后将试样在120℃下烘干,算得两次质量差值,即可得到相应PF值下的含水率,根据插值法,得到PF=3.8时试样的含水率,此即试样中的吸着水含量。

试验所用试样为饱和后的素土样及0.3%1831+3%KCl改良土样,改良土样分别养护14 d、28 d,试验结果见表4。

表4中的试验结果显示,改良后,土中吸着水含量降低;随着养护时间的增长,吸着水含量也随之降低。由此可见,改良剂加入后,吸着水膜变薄,膨胀土与水的作用被削弱,水化膨胀受到抑制。

表4 不同养护龄期下改良土的吸着水含量

2.6 改良剂渗透模拟试验研究

为了对改良剂渗透改良天然膨胀土边坡的可行性进行探讨,在实验室进行模拟边坡的渗透改良,并通过自由膨胀率、无荷膨胀率等指标对改良效果进行评估。

将试验土料风干至含水率20%左右,碾碎过5 mm筛。选用高90 cm,直径13 cm的有机玻璃圆筒,将土样分层填入圆筒中,控制干密度为天然干密度1.53 g/cm3。设计改良剂掺量为0.3%1831+3%KCl。喷洒完成后,预计饱和度为85%,需加水825 g。喷洒前,将试样风干一段时间,使其表面出现一些裂缝,便于改良剂溶液的渗透。改良剂溶液分4次喷洒,每次喷洒间隔一天,在7 d内喷洒完成。喷洒完成后,将圆筒至于地下室养护7 d。分别在土样表面以下10 cm、30 cm、60 cm、90 cm 附近取土,进行自由膨胀率及无荷膨胀率试验,试验结果见表5。

表5 不同深度处改良土的自由膨胀率和无荷膨胀率

由不同深度处改良土的自由膨胀率和无荷膨胀率数值可以看出,在膨胀土表面喷洒改良剂后,随着溶液的逐渐入渗,改良剂的影响深度可达到坡面以下至少90 cm范围内。随着深度的增加,改良效果逐渐减弱。改良后土坡的强度、水稳定性等,还需通过试验进一步确定。实际工程中,施工宜在旱季进行,此时坡面含水率较低,土表孔隙较多,有利于改良剂渗入到坡体内部。喷洒完成后,将表层土夯实,增加土体密实度,减少表层土的孔隙率,可以降低雨水的入渗通道,使改良效果得到巩固。另外,宜在坡中设置排水通道,坡表种植植物,防止表层土壤流失影响改良效果。

3 结 论

(1)选择1831与KCl作为膨胀土化学渗透改良试剂。氯化钾单独作用,在掺量很高时,改良效果仍然不理想;十八烷基三甲基氯化铵在掺量达到1.5%时能够达到较好的作用效果,但掺量高时工程造价过高;两者同时作用是较为经济实用的选择。

(2)膨胀土素土的水稳定性极差,在水中迅速崩解失去强度。经1831和氯化钾改良后的膨胀土,自由膨胀率、无荷膨胀率等膨胀性指标明显下降。经过养护后的改良土试样有良好的水稳定性,无侧限抗压强度提高,在水中浸泡不发生破坏,地表浅层的改良土能达到长期浸水而不崩解的效果。

(3)K+、NH+4是良好的水化膨胀抑制剂,1831作为一种阳离子表面活性剂能够使得粘土颗粒由亲水性转变为憎水性。两者共同作用于膨胀土后,土体发生一定的砂化现象,土中大颗粒含量增加,颗粒比表面积减小,亲水性降低,吸着水含量降低,土与水的作用被削弱。

(4)模拟渗透试验结果表明,在边坡表面喷洒改良剂后,其影响深度可到达表面以下至少90 cm范围内。喷洒后改良土的其他物理力学性质还需通过试验进一步探讨。

由于试验条件有限,本文所用土样均为重塑土试样,改良剂作用于原状土样的改良效果还需在后续的工作中加以验证。此外,钾元素是植物生长所必须的一种重要元素,1831是一种安定、无毒的水溶性高分子材料,两者用于工程中均不会增加环境负担。另外,液体类改良剂与石灰等固体改良剂相比,施工操作简单,施工周期缩短,因而节省了大量的人力物力。

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[3]Norrish K.The swelling of montmorillonite[J].Faraday Discussions,1954,(18):120-134.

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[11]Lebedev A F.Soil and groundwaters[M].The Academy of Sciences of the USSR,1936.

Experimental Research on Chemical Modification of Expansive Soil and Its Application in Slope Engineering

QIU Xue-lian1,2,WANG Bao-tian1,2
(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geotechnics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China;2.College of Civil and Traffic Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

The expansive soil slope improved through chemical methods has the broad prospect for development.The octadecyl-trimethyl ammonium chloride and potassium chloride were choosen to improve the expansive soil especially the expansive soil slope based on the swell-shrink mechanism,and the modification mechanism was stated on the microscopic level.The free swelling rate test and unconfined compression strength test on expansive soil were conducted.The test results show that the expansion of the modified soil would be considerably restrained,the water-stability would also be improved,and the sample would not be damaged when soaked into water.The grain size analysis test and the centrifugal test show that the volume-to-surface ratio would be reduced,the water-soil interaction would be weakened,and the hygroscopic moisture content would also be decreased.The simulative penetration improvement test shows that the expansive soil in a certain depth range could be effectively improved after the sprinkling of improver.

expansive soil;chemical improvement;penetration improvement;modification mechanism;engineering application

TU443

A

1672—1144(2013)02—0190—06

2012-08-31

2012-09-24

邱雪莲(1988—),女,江苏如皋人,硕士研究生,主要从事特殊土的研究。