石灰加固膨脹土機理研究綜述和展望

趙紅華1a,1b，龔壁衛(wèi)2，趙春吉1a,1b，劉軍2

(1.大連理工大學 a.工業(yè)裝備與結構分析國家重點實驗室;b.工程力學系，遼寧 大連116024；

2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢430015)

摘要：對石灰加固膨脹土機理的研究現狀進行了綜述，明確了石灰加固膨脹土性質變化的過程：離子交換是石灰加入土中最先發(fā)生的反應，之后發(fā)生絮凝和結團、結塊，使膨脹土的性質快速發(fā)生變化?，F有機理研究成果表明：硬凝反應是一個長期的過程，能提高土體的強度；碳酸化和結晶作用也有助于提高土體的強度；擴散和膠結是使土體內部產生變化的原因；微觀結構和礦物組成的變化是石灰改性膨脹土的內因。提出了進一步從土中離子含量的定量變化、土的微觀結構的定量分析、以及石灰加固膨脹土中吸力的變化等方面開展石灰加固膨脹土機理研究的新思路；并闡述了石灰加固膨脹土可能帶來的環(huán)境污染基本上可以忽略。研究工作將有助于進一步揭示石灰改性膨脹土的機理。

關鍵詞：石灰加固膨脹土；加固機理；微觀結構；礦物組成；硬凝反應

中圖分類號：TU443文獻標志碼：A

收稿日期：2013-11-29；修回日期：2014-01-24

基金項目：國家自然科學

作者簡介：蔣昱州(1982-)，男，廣西全州人，高級工程師，博士，主要從事巖石力學與工程方面的研究工作，(電話)027-82829737(電子信箱)jiangyuzhou5586@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.014

1研究背景

膨脹土是一種典型的非飽和土，也是世界上分布最為廣泛的問題土之一，在世界范圍內如美國、巴西、南非、澳大利亞、印度、阿拉伯等地區(qū)都有廣泛的分布[1-3]。

膨脹土在我國也有較廣泛的分布，如湖北、河南、河北、安徽、貴州等10多個省(自治區(qū))均分布有膨脹土[4]。近20 a來，我國大力開展基礎工程設施建設，如高速公路建設、南水北調工程，就遇到了膨脹土這一難題[5-6]。

膨脹土對環(huán)境濕度的變化十分敏感，是一種具有顯著多裂隙性、脹縮性和強度衰減性的高塑性黏土，它的主要礦物成分由強親水性礦物蒙脫石和伊利石組成[7]。隨含水量的變化，膨脹土存在發(fā)生脹縮變形的特性，對建于膨脹土之上的結構和建筑物造成的破壞是一個長期和反復的過程，這種危害是潛在的[7]。膨脹土的主要工程特性表現為：①周圍環(huán)境濕潤時發(fā)生膨脹，周圍環(huán)境干燥時發(fā)生收縮；②地層多裂縫；③超固結；④吸水易發(fā)生崩解；⑤裸露后容易風化；⑥抗剪強度隨土體狀態(tài)的變化逐漸衰減[8]。

目前，存在多種關于膨脹土脹縮變形的理論，主要有2類理論得到大家的普遍認可。一類是基于黏土礦物學的晶格擴張理論[9-10]；另一類是基于現代膠體化學的雙電子層理論[10-11]。另外關于膨脹土的脹縮還存在微觀結構理論和物理力學理論等[10]。

晶格擴張理論認為：主要黏土礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石)都是由硅氧四面體和鋁氫氧八面體2種基本結構單元組成，各晶層間由弱鍵連接，這種結合并不牢固，外界水分子很容易滲入晶格層間，形成水膜夾層，使晶層與晶層之間的距離加大，從而引起晶格擴張，最終使得土體發(fā)生顯著膨脹。另外，由蒙脫石組成的膨脹土含有大量的交換性陽離子(Na+， Ca2+)，晶層底面具有很高的水化能，當土中含水量增大時，離子交換作用加劇，晶層間水膜變厚，晶胞距離隨之而加大，引起劇烈的晶格膨脹，直到膨脹得到充分發(fā)展[9-10]。

雙電子層理論認為,在黏土礦物顆粒表面，由于同晶置換作用產生負電荷(Mg2+置換Al3+)，在顆粒周圍形成靜電場。由于靜電引力，黏土顆粒表面吸附相反電荷的離子(交換性陽離子)，陽離子在水中以水化離子的形式存在。帶有負電荷的黏土礦物顆粒吸附水化的陽離子，隨距礦物顆粒表面的距離增加，吸附能力下降，形成擴散形式的離子分布，從而形成雙電子層。隨著含水量的增加，結合水膜變厚，使黏土礦物顆粒間的距離增大，結果導致土的體積膨脹；失水時，土中結合水膜變薄或消失，黏土礦物顆粒間的距離減小，土體表現為體積收縮。對膨脹性黏土而言，蒙脫石的含量較高。帶負電的蒙脫石顆粒吸附水化陽離子的能力比較大，其表面雙電子層中擴散層的厚度也較大，結合水化膜也比較厚，從而黏土礦物顆粒間的距離加大，所以膨脹土的膨脹變形比其它土的膨脹變形表現更加強烈[11]。

2膨脹土的石灰加固研究現狀

膨脹土的改良處理是大家廣泛關注的問題之一。石灰加固膨脹土是最早使用，也是最為廣泛采用的改良膨脹土的方法之一[12]。石灰改良膨脹土廣泛應用于道路工程中的公路路基加固、機場跑道地基加固、鐵路工程中路基改良(加固)和膨脹土邊坡的穩(wěn)定加固[13-17]。另外，還有研究者采用石灰加固土作為樁基礎支撐荷載傳遞平臺[18-19]。

石灰作為一種加固劑，可以以不同的形式生產。最典型的加固應用是水化石灰(熟石灰、消石灰)Ca(OH)2、生石灰(CaO)、白云石質生石灰(CaO·MgO)。由于組成成分和溶解性不同，它們提供的Ca(OH)2的量也不一樣。生石灰一般以5.08～7.62 cm塊狀或粉碎塊體(85%～90%粒徑小于0.15 mm)的形式存在;生石灰水化時消耗大量的水是一個放熱反應;熟石灰通常以粉末或者以粉漿的形式存在。不管以哪種形式，加入土系統(tǒng)中的熟石灰不再消耗額外的水分[20]。

石灰在土中的溶解率主要取決于顆粒的尺寸，因為較高的表面積、更細的顆粒會更快地溶解到溶液中去。較小濃度的鈣離子能夠把中性水的pH值從7提高到11。對于石灰-土的加固系統(tǒng)來說，保持一個高的pH值環(huán)境是很重要的，因為膠結材料只能通過長期的硬凝反應,而不是通過水化中產生的膠結混合物(發(fā)生在水泥中)來實現[20]。很多研究人員對石灰加固膨脹土的機理開展了大量的研究工作[13，20-43]。目前人們對于石灰加固膨脹土的機理有了一些統(tǒng)一的認識，主要為：離子交換作用，絮凝和結團、結塊，硬凝反應，碳酸化作用，結晶作用，擴散性膠結，微觀結構變化和礦物成分變化。

2.1　離子交換作用

離子交換是石灰與土接觸時最早發(fā)生的反應。當石灰加入土中時，在土中水分的作用下，生石灰與水反應生成Ca(OH)2，進一步離解生成OH-和Ca2+。膨脹土孔隙水溶液中的Ca2+濃度大幅度增加，可以置換出蒙脫石等黏土礦物中吸附的主要水合Na+，其交換機理如圖1所示，此反應式為

Na+—Al2[Si4O10](OH)2·nH2O+Ca2+→

Ca2+—Al2[Si4O10](OH)2·nH2O+Na+。

(1)

圖1　離子交換 [20] Fig.1　Cation exchange [20]

由于Ca2+結合水膜的厚度要遠大于Na+結合水膜的厚度，從而降低了黏土顆粒的水膜層厚度。另外，Ca2+帶有的較多正電荷平衡了黏土礦物顆粒表面的負電荷，使得膨脹土的分散性、親水性和膨脹性降低，塑性指數下降并易穩(wěn)定成型，這是早期的強度增長的主要原因。這一機理在研究的早期已經被學者們[20- 27]認識到。盡管目前人們對于離子交換的定性認識已經比較深刻，但在相關文獻中尚未有定量研究，如石灰加入土中，定量分析孔隙水中Ca2+含量的變化及黏土礦物吸附Ca2+含量變化將更加有助于清晰認識石灰改性膨脹土的機理。

2.2　絮凝和結團、結塊

隨著離子交換反應的進行，孔隙溶液中的電解質含量升高，環(huán)境中的pH值變大，雙電子層的厚度減小，導致絮凝反應的發(fā)生[20-29]。絮凝指的是黏土顆粒從一個扁平的、平行的結構變成一個更加隨機的邊與面相接觸的結構形式[11]。當絮凝的黏土顆粒開始在黏土顆粒的邊-表面的交接面(界面)形成微弱的聯結時會發(fā)生結團或者結塊，因為在黏土顆粒界面有膠結性材料沉積發(fā)生。結團或者結塊使得黏土顆粒從很細的狀態(tài)形成更大的粒團，進一步改善了黏土的紋理。隨著離子交換的進行，絮凝和結團、結塊發(fā)生得相對較快，最顯著的變化發(fā)生在混合后的幾個小時內[20]。這種絮凝和結團、結塊使石灰改性膨脹土早期的強度增長較快[29]。

2.3　硬凝反應

硬凝反應是石灰加固膨脹土過程中另外一個重要的過程，適用于石灰和水泥與土的系統(tǒng)。石灰在土中提高了所在系統(tǒng)的pH值，黏土顆粒中的氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)溶解在孔隙水溶液中。石灰溶于水中產生的鈣離子和從黏土晶格中溶解的氧化硅和氧化鋁結合形成膠結材料(水合硅酸鹽：C—S—H和水合鋁酸鹽：C—A—H)[20-29]。另外S. Diamond等[30]認為Ca(OH)2直接與附近相鄰的黏土表面反應，硬凝產物作為析出物形成。這2種凝膠能在水環(huán)境下硬化，在膨脹土的黏粒外圍形成穩(wěn)定的保護膜，具有很強的黏結力，形成網狀結構，使石灰(水泥)加固土強度增長并保持長期穩(wěn)定。同時保護膜還能起到隔離水分的作用，使膨脹土獲得水穩(wěn)定性，這也有助于結團、結塊的過程?；镜挠材磻獮?/p>

Ca(OH)2+SiO2→ C—S—H ；

(2)

Ca(OH)2+Al2O3→ C—A—H 。

(3)

硬凝反應發(fā)生得很慢，歷時幾個月甚至幾年，能進一步強化改性的土并且進一步減少塑性和改善顆粒的級配[20-21]。加固劑必須在較長的時間內能夠保持較高的pH環(huán)境，硬凝膠結對改善系統(tǒng)的強度和耐久性方面有影響作用[24-26]。M. Al-Mukhtar等[28]研究了溫度對于石灰加固膨脹土的影響，發(fā)現在較高的養(yǎng)護溫度條件下，石灰-黏土的活動性會得到提高，當溫度從20 ℃增加到50 ℃，硬凝反應的速度會增加6倍。

2.4　碳酸化作用

Ca(OH)2和黏土礦物中釋放出來的Mg2+在高pH環(huán)境下形成的Mg(OH)2在土中不斷與空氣中的CO2反應，生成具有較高強度的CaCO3和MgCO3等堅硬固體顆粒。由于CaCO3對土體的膠結作用使得土體加固，形成石灰穩(wěn)定土，此作用過程相當長，對形成石灰改性膨脹土的后期強度具有重要作用[29，31- 32]。

2.5　結晶作用

石灰摻入膨脹土中后，溶解度很小， 除了離子交換和碳酸化作用外，絕大部分以Ca(OH)2·nH2O結晶水的形式結晶，進一步提高了膨脹土的強度和水穩(wěn)定性[20，26-27，29]。

2.6　擴散性膠結

擴散性膠結指的是石灰或者鈣離子遷移到黏土塊體中去。P. T. Stocker[33-34]認為0.5%的Ca(OH)2足夠產生一層反應物，且當浸濕時能去除掉膨脹。假設硬凝反應開始發(fā)生在黏土顆粒的邊緣，初始反應后，反應速度很快被抑制住了，因為初始層阻止了內部反應的進一步發(fā)生，導致鈣離子濃度在孔隙液體中增加，提高了黏土內部和外部的化學勢，致使鈣離子向深層擴散。鈣離子-黏土的反應易產生均勻的反應沉積物，從而產生均勻的膠結或者擴散膠結。反應產物沿著邊緣的吸附作用和反應速度的抑制作用是擴散膠結的途徑。

2.7　微觀結構變化

膨脹土的脹縮變形與其微觀結構相關，微觀結構是決定和影響土的宏觀工程力學性質極其重要的因素。如蒙脫石聚集體在掃描電鏡(SEM)圖像中呈現出彎曲而起皺的薄片狀外貌，比表面積較大，這使得膨脹土和水的接觸面積大，容易吸水膨脹。另外膨脹土中普遍發(fā)育有微孔隙和微裂隙，水分容易從這些縫隙中進入土體，從而引起土的體積膨脹。因此許多學者[21-22，28，35-41]開展了石灰改性膨脹土的微觀結構變化和特征的研究工作。

圖2　摻4%石灰膨潤土試樣的SEM圖 [35] Fig.2　SEM of bentonite treated with 4% of lime [35]

張小平等[35]采用掃描電鏡(SEM)分析了石灰改良土的團聚體骨架結構。如圖2所示，團聚顆粒為圓形或橢圓形，團聚體之間的聯結為膠結，石灰與細小顆粒的土直接拌合，形成均質混合體，有利于石灰與土的結合，微結構為鏈狀結構，阻止土體膨脹的發(fā)生。同時采用表面吸附儀研究了石灰改性后膨脹土的比表面積、黏土礦物結構層間距、微孔體積和孔徑的變化，揭示了膨脹土加石灰處理后脹縮性減小是由于黏粒微孔孔徑的增大、比表面積減小、黏粒的活動性及親水性下降和黏粒間鏈接力增大所致[36]。M. Al-Mukhtar等[28]采用SEM研究了石灰改性黏土顆粒形貌的變化，并發(fā)現Ca2+濃度在顆粒的邊界最高。微觀結構的變化會影響土的持水能力，從而改變了膨脹土吸水膨脹的性能。俞縉等[41]初步研究了吸水性和孔隙結構的關系。另外M. Mavroulidou等[42-43]初步開展了石灰改性膨脹土的土水曲線特征的研究。這些初步的工作尚未能完全描述石灰改性膨脹土的土水特征，仍需要開展相關的研究工作。另外，微觀結構的分析，多停留在定性的角度，定量分析比較少，且微觀結構的定量分析和宏觀工程力學行為之間的聯系比較少，需要進一步開展相關的工作。

2.8　土中礦物成分的變化

戴紹斌等[44-45]采用X射線分析和差熱分析等手段對石灰改性膨脹土后的礦物成分變化進行了定性和定量的研究工作。從X射線分析圖譜上能觀察到X射線衍射模式的顯著變化。加固土中碳酸鈣的含量顯著增加，而蒙脫石的含量則有所減少。

3石灰加固膨脹土對環(huán)境的影響

隨著現在人們對于環(huán)保認識的提高，石灰加固膨脹土是否會對環(huán)境帶來污染成為研究人員和工程師及決策者共同關注的問題。通常石灰的摻量很少，占土體質量的4% ～6%。石灰加入到土中，通過合適的混合和擊實減少了直接暴露在環(huán)境中的石灰量。經過石灰與土的反應，只有很少量的石灰可能隨雨水或者地表水流走。隨著硬凝反應的進行，石灰被消耗掉，pH值由此反應控制。硬凝反應形成的硅鋁酸鈣凝膠的溶解度比石灰要低很多，擊實的石灰加固土通常具有很低的滲透性(10-7cm/s)，這些綜合作用使得石灰加固土對環(huán)境的污染影響很小。當有少量石灰被雨水或者地表水攜帶時，通過大量雨水的稀釋作用，并與CO2相結合形成CaCO3，通過離子交換與周圍的黏土和有機質發(fā)生作用，可以避免由于暴雨和滲析帶來的污染問題[46]。目前文獻中關于石灰對環(huán)境污染的報道非常少見。

4研究方向及展望

石灰加固膨脹土目前仍然在我國的基本建設工程中得到廣泛的應用，其加固機理的研究也日益深化。石灰改變膨脹土的脹縮性與土的微觀結構、物理-化學性質的變化，土的礦物組成的變化等密切相關，故可以從這些方面著手，進一步深化對石灰加固膨脹土機理的認識。

4.1　土中離子含量變化的研究

土的脹縮特性與土孔隙水中和土結構中離子含量的種類和數量密切相關。對石灰加固膨脹土進一步開展加固前后土中離子含量變化的定量研究，并與膨脹勢的變化聯系起來，以揭示土孔隙水和結構中離子變化對膨脹勢的影響具有重要的價值和意義。

4.2　土的微觀結構變化定量研究及其與宏觀力學特性的關系

目前研究者采用SEM的方法對石灰加固膨脹土前后微觀結構的變化進行了一些工作。但是定量地建立起微觀結構變化的特征指標，把微觀結構的這種變化與膨脹土宏觀力學特性的變化聯系起來則是值得開展的工作，也是宏-細觀力學在石灰加固膨脹土方面的具體應用。

4.3　石灰加固膨脹土中吸力的變化

膨脹土的膨脹勢與土中吸力密切相關，土中吸力表明了土有較高的持水能力，通常高膨脹性的土具有較高的吸力。因此，從石灰加固膨脹土中吸力的變化方面研究石灰加固膨脹土的改性機理是一個可采取的途徑。

5結語

本文簡單回顧了關于膨脹土膨脹的有關理論，重點總結論述了石灰加固膨脹土的機理及其研究現狀，并對進一步開展石灰改性膨脹土機理的研究提出了一些觀點和看法，指出應當在土的物理-化學性質、土的微觀結構以及土中吸力的變化方面深入開展研究，揭示石灰加固膨脹土的機理。并從石灰加固機理的角度闡明了如果能進行合理的施工控制，石灰加固膨脹土不會產生環(huán)境污染問題。

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(編輯：黃玲)

A Review and Prospect on the Mechanism ofExpansive Soil Stabilized by Lime

ZHAO Hong-hua1,2，GONG Bi-wei3，ZHAO Chun-ji1,2，LIU Jun3

(1.Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian

116024, China; 2.Department of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian

116024, China; 3.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics & Engineering of MWR,

Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430015, China)

Abstract:Previous research results on the mechanism of expansive soil stabilized by lime are summarized. It is clear that cation exchange is the first reaction when lime is added into expansive soil, followed by flocculation and agglomeration. These reactions change the soil’s properties quickly. Pozzolanic reaction of lime and soil is a long-term process, which helps increase the strength of expansive clay. Carbonation and crystallization also contributes to the strength increase of expansive soil. Diffusion and cementation are the causes of interior changes in the soil. Microstructure and mineralogy changes are the internal causes of stabilization of expansive soils. Moreover, analysis on the quantitative cation exchange, quantitative microstructure change, and soil suction change of expansive soil during lime treatment would be new research focus. These investigations will further reveal the fundamental mechanism of expansive soil stabilized by lime. The review also indicates that the possible environmental pollution caused by lime stabilization can be ignored.

Key words: expansive clay stabilized by lime; stabilization mechanism; microstructure; mineral composition; pozzolanic reaction

2015,32(04):71-76