分散性土的改良方法最新研究进展

赵飞燕 桂书润 徐 欣

（华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450046）

0 引言

分散性土指的是在含盐量比较低的水中或者是纯水中离子之间的斥力大于引力，致使土颗粒间分散的黏性土［1］。20世纪30年代，一位农学家首次发现了分散性土的存在，但是对分散性土的真正研究是在20世纪50年代的美国和澳大利亚［2］，这时候岩土工程界意识到了研究分散性土对工程的重要性。1981年，华东水利学院的钱家欢教授整理了美国、澳大利亚等国家的研究，在岩土工程学报发表了国内首次对分散性土的刊文报告［3］。自此，分散性土的研究发展进入国内发展视野。

关于分散性土的分散机理，各国学者都有研究，就目前的研究而言，可以大致认为，分散性土产生分散的主要原因是土中的钠离子使土颗粒的双电层厚度增大，导致斥力大于吸引力，其次是分散性土的高pH值使颗粒的有效负电荷增大，吸附更多的阳离子，双电层厚度增加，颗粒趋于分散［4］。目前国内外常用的分散性土的鉴别方法主要有双比重计试验、碎块试验、针孔试验、交换性钠离子百分比试验和孔隙水可溶性阳离子试验等［1］，分散性土判别方法各有其特点和局限性，国内外各种实际的工程案例显示，试验结果受取样、制样、试验方法等多种因素的影响，单种鉴定方法无法百分百判定是否为分散性土，需要多种判别试验同时做，根据其多种试验结果综合判定。

本研究主要从工程危害、分散机理、微观结构等方面对近年来国内外对分散性土的改良方法研究进展进行整理阐述，探讨改良研究方向，为其他学者提供理论依据。

1 分散性土的工程危害

分散性土在世界七大洲均有遍布，中国地域辽阔，大多分布在山东、黑龙江、江苏、新疆、广西等地，多分布于干旱和半干旱地区。

1949年美国俄克拉荷马州一座大坝使用的防渗土料具有分散性，导致堤防、大坝变形、塌陷，且俄克拉荷马州有11座防洪大坝因使用具有分散性的防渗土料而发生破坏［5］。20世纪70年代，在河南洛阳的小浪底水库也同样遇到了具有分散性的防渗土料，20世纪70年代末的中部引嫩工程，1990年的河南陆浑大坝，1998年的山西上马水库，2007年的浙江天子岗水库等防渗土料均具有分散性［1］。

由此可知，研究分散性土的改良方法对满足工程建设需求具有重要的指导作用。

2 早期改良研究

国外专家McElroy C H.早在1987年就提出使用化学改性剂处理分散性土的分散性［6］，李兴国等［7］、Shah等［8］、樊恒辉等［9］对使用化学改性剂做了大量的工作，提出了采用氧化钙、火山凝灰岩、粉煤灰、水泥、氯石灰、十六水硫酸铝、硫酸高铁等进行处理。在分散性土中按照一定规范操作加入氧化钙后，氧化钙会与土体颗粒或自身发生一连串的物理化学反应，这些反应能够增加土体颗粒之间的吸引力，并且克服分散性土的分散作用［10］。胡国成等［11］通过矿物组成变化研究表明：氧化铁可在土颗粒中表现出较强的胶结能力，与一些黏土矿物蒙脱石、高岭石结合形成非常稳定的大颗粒团聚体，这些团聚体即使用NaOH-超声波也很难分散。除此之外，Hou等［12］认为聚合铝化合物可增强与分散性土之间的相互作用。杨玉婳等［13］通过高价离子置换、胶结等，降低土壤碱度，羟铝溶液能有效提高土的分散性，可作为良好的土壤分散性改良剂。Ouhadi等［14］指出交换钠离子含量和土体的酸碱度是造成分散性土体分散的主要原因。在分散性土中加入1.5%的明矾溶液可以降低分散性土体的pH值。

在目前工程中使用石灰、粉煤灰、矿渣、石膏等分散性土改良剂进行改性，土体和地下水pH值将会增加，对大多数农村地区地下水的消耗和生产将会产生很大的影响，饮用水pH值会超出正常饮用标准［5］。因此，研究安全降低pH值、减少土体和地下水污染、经济上更合理的改性剂是当前的目标。

3 新型改良研究

3.1 微生物诱导碳酸钙沉积技术

环境友好型土体稳定方法近年来受到广泛关注。许多研究人员已经探索了由土体中自然过程启发或诱导的方法取代化学改良技术的可行性研究。

微生物诱导碳酸钙沉淀是生物媒介传导的土体处理技术之一。利用微生物矿化碳酸钙（Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation，MICP）可沉积具有胶结功能的碳酸钙，填满孔隙和水泥土颗粒，提高土体强度，降低渗透性，具有良好的土体改良效果［15］。

MICP技术的矿化原理是利用微生物在新陈代谢过程中生成的脲酶，脲酶催化尿素发生尿素水解反应，水解为铵根离子和碳酸根离子。碳酸根离子与游离在细胞外的钙离子结合，形成具有凝固作用的碳酸钙结晶来固化土体［16］。微生物活动期间pH值的降低、双电层厚度的减少以及交换性钠离子的稳定，被认为是导致土体侵蚀潜力降低的主要机制。此外，微生物诱导的沉淀导致进一步的黏结，这降低了土体样品的可蚀性［17］。

MICP是一种以微生物为天然资源进行土体改良的环境友好型的土体改良技术。随着时代的进步和科技的发展，人为操作的MICP工艺可以在短时间内矿化成大量的碳酸钙［15］，在岩土工程领域有着广阔的应用前景。

3.2 电渗透处理技术

电渗透被认为是现代处理问题土体最有效的技术之一［18］。

由于水对土体的稳定性具有重要的影响，电渗透现象就是指当直流电作用于饱和土的多孔介质时，孔隙水向负极（阴极）移动。电渗透早期固结、排水，后期降低分散性和膨胀潜力。直流电作用下，吸附极性水分子的阳离子往阴极移动，完成从阳极到阴极的运动过程［19］。而对土的分散起主要作用的是孔隙水溶液中的钠离子含量，钠离子的作用增加了黏土颗粒周围双电层的厚度，从而降低了颗粒之间的吸引力［19］，有利于颗粒从土中析出。随着孔隙水的运动，钠离子也从阳极迁移到相应的阴极，然后被排走，可显著降低分散性土的分散性。

3.3 木质素磺酸盐固化土体技术

木质素是一种存在于大部分木质化植物的细胞中的有机聚合物，具有较高的生物活性，是一种有前景的土体固化稳定剂［20］。

木质素磺酸盐是木质素的衍生物之一。木质素磺酸盐作为分散性土改良剂的机理为：木质素磺酸盐先水解出高价阳离子并与分散性土中低价阳离子置换，土颗粒表面双电层厚度减小，土层间距减小［21］；其次，土颗粒表面带有一定量的负电荷，由静电引力作用，土颗粒表面吸引了大量的带有正电荷的有机分子，从而产生大量粒子物质并填满了空隙；最后，颗粒通过摩擦和物理节点连接起来，产生较为牢固的土体结构［22］，从而降低分散性土的分散度。

营改增的抵税率有效降低了企业的生产成本，为企业发展提供了保障。同时，其也为企业财务管理带来了挑战，如何防控财务风险和加强营改增的积极效应将在下文中有所提及。

木质素通常是纸张和木材加工工业的副产品，每年大概能产生500亿kg的木质素副产品，再生速度快，且绝大多数的木质素副产品都会以垃圾的形式进行焚烧或者是排入河里，不仅浪费资源，而且污染环境。木质素磺酸盐主要来源于亚硫酸盐制法造纸硫化过程中产生的化工产品，在加固土体、抑制扬尘和提高土体抗侵蚀性能等方面应用良好［22］。积极开展木质素的再利用，有助于推动生物能源副产品的可持续发展，具有广阔的应用前景。

3.4 黄原胶加固技术

天然生物聚合物是一种环境友好的土体处理添加剂，与传统的外加剂相比，这些生物聚合物更便宜，可自制，生物可降解，且对环境可持续［23］。在独特的生物聚合物组合中，多糖在土体改良中的应用效果较好，易在自然界中发现，广泛用于食品增稠剂和凝胶形成剂［24］。

黄原胶是一种多糖，通常用作黏度增稠剂，加水后可在颗粒之间形成氢绑定［25］。少量黄原胶（XG）可显著提高土体的抗侵蚀能力，甚至促进植被的生长。由于生物聚合物有助于土体和多孔岩石的生物堵塞，降低其渗透性，所以它可以用来减少岩土侵蚀。生物聚合物也可以用作灌浆材料，以减少有机污染物，控制重金属的迁移，堵塞土基结构中的管道，如堤防和堤坝［26］。

黄原胶（XG）作为一种生物聚合物，在岩土工程中得到了成功的应用。黄原胶（XG）的添加可提高土体的强度和抗侵蚀能力，1%的XG是稳定这类土体的最佳添加比例［27］。在水中加入一定量的黄原胶（XG）时，两者结合就会形成一定浓度的高分子溶液，黏度增大，保持成一种弹性半固体状态，填补土颗粒之间的空隙，增加了土颗粒与土颗粒的接触面积，增加了黏土颗粒之间的黏性［28］，使土体的分散性降低。由于黏土粒子带电，所以黄原胶单体就能够利用黄原胶大分子中自带的羧酸（—COOH）和羟基（—OH）基团与黏土颗粒表面的阳离子之间发生的桥接反应和氢键作用直接结合到黏土颗粒上，从而增强了土粒之间的联结力，也增强了土体在受力时抵抗外力作用而变形的能力［28］。

分散性土体是典型的土体，在水的存在下，它们表现出高度的侵蚀行为。国内外试验结果表明，黄原胶生物聚合物的加入显著提高了分散性土体的长期强度和耐久性。通过黄原胶（XG）生物聚合物稳定分散性土体是一种可持续的、高效的、长期的替代传统技术［27］。

3.5 纳米黏土稳定土体颗粒技术

纳米黏土是层状矿物硅酸盐的纳米颗粒。近年来，纳米黏土作为一种环境友好的稳定剂被广泛研究，以弥补胶体颗粒通过介质的迁移［29］。由于纳米黏土体积小、阳离子交换量高、反应快速、完全，是一种很有前途的改良分散性土体稳定的替代品［30］。

ZnO、Al2O3、MgO、ZrO2、Ti O2、CoO、NiO等纳米颗粒具有很高的比表面积、高表面能和高阳离子交换容量，由于纳米颗粒的尺寸非常小，纳米颗粒的表面力如范德华力和静电力，可以稳定分散的黏性土土体，将分散的土体颗粒结合、絮凝成更大的集合，防止其扩张和迁移，从而减少膨胀和分散［31］。研究表明，纳米黏土的加入降低了土的液限、塑性极限、塑性指数和线性收缩率。干密度和最佳含水率随纳米黏土掺量的增加而增加。此外，纳米黏土的加入增加了土体的抗压强度。水存在时，土体颗粒与纳米黏土之间的相互作用导致土颗粒之间的黏附力增加，分散性降低。

由于纳米黏土的丰富性、低成本和环境友好性，它是一种有效且有前景的处理问题分散性土体的稳定剂。

4 结语

分散性土易给工程带来危害，传统的改性剂在使用过程中对水域、土体或者是农作物造成破坏，在生产过程中会消耗大量能源，大多已无法满足环保要求，如何对分散性土进行环保、有效的改性，是目前面对的现实问题，具有重要的工程价值。

新型改良方法在保护环境、节约资源等方面具有广阔的应用前景。本研究从工程危害、分散机理、微观结构等方面对近年来国内外对分散性土的改良方法研究进展进行整理阐述，探讨改良研究方向，主要有以下5种改良方法。①利用微生物矿化碳酸钙沉积出具有胶结功能的碳酸钙，填补土内孔隙、固结土颗粒，提升了土体抵抗分散的能力，很好地抑制了土体的分散性。②利用电渗透技术，随着孔隙水的运动，阳离子也从阳极移动到相应的阴极。分散性土体的主要阳离子钠离子也会由于阳离子交换从阳极移动到相应的阴极，然后被排出，降低分散性土的分散度。但是阴极周围的土体最后仍然是分散的，反映了电渗透法单独应用的不利之处。③木质素磺酸盐/木质素磺酸钙可以降低分散性土的分散性和崩解性，提高土体的力学强度、压缩变形特性和抗侵蚀性。④采用天然黄原胶对分散性土进行加固，黄原胶基质填充了黏土颗粒之间的空隙，覆盖在黏土颗粒表面，增强颗粒间的相互作用力，降低分散性土的分散性。⑤纳米黏土对分散性土的作用在于可以稳定分散的黏性土土体，将分散的土体颗粒结合、絮凝成更大的集合，防止其扩张和迁移，从而减少膨胀和分散。