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(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連　116024)

引言

砒砂巖是一種泥質(zhì)砂巖，在我國西北地區(qū)分布廣泛[1-3]。砒砂巖在干燥的情況下具有一定的強度，因其膠結(jié)物質(zhì)較少，且含有一定的蒙脫石等黏土礦物，遇水后膠結(jié)能力減弱，蒙脫石等黏土礦物膨脹，使砒砂巖潰散成沙[4-5]。砒砂巖地區(qū)的水土流失十分嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)高達20 000 t/(km2·a)[6]，每年汛期隨著降水大量的粗泥沙沖入到黃河中，其產(chǎn)沙量占到黃土高原地區(qū)輸入黃河中下游泥沙量的30%左右[7]，造成黃河中下游河道淤積，影響下游地區(qū)的防汛安全。為了改善砒砂巖地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，防止水土流失，保持土壤肥力至關(guān)重要。因此，需要抑制砒砂巖遇水膨脹潰散的特性。

砒砂巖遇水潰散的特性主要是由于其中含有的蒙脫石遇水后膨脹引起的[8]。無機鹽類黏土穩(wěn)定劑對砒砂巖的膨脹抑制效果不錯，但是其抑制效果不持久、穩(wěn)定性差，經(jīng)過雨水沖刷后，對砒砂巖的抑制效果會降低[9]。且其使用量大，容易使土地鹽堿化，對生態(tài)環(huán)境有害。張偉鋒等[10]對HEC固化劑加固黃土的力學(xué)性能進行了研究。單志杰等[11]、蘇濤等[12]對EN-1固化劑提高黃土和砒砂巖的穩(wěn)定性進行了研究，但這些材料在耐久性、植物親和性或綜合效果上尚有不足。

采用聚合物類黏土穩(wěn)定劑對砒砂巖的膨脹抑制效果很好，其具有用量少、持久性好等優(yōu)點[13]，可以長期有效地抑制砒砂巖膨脹，防止土地的鹽堿化，有利于生態(tài)環(huán)境的盡快修復(fù)。此外，聚合物類黏土穩(wěn)定劑還具有對生態(tài)環(huán)境無害、水溶性優(yōu)異、天然有機高分子來源廣、價格低、合成步驟簡單等優(yōu)點[14]。

1　試驗

1.1　主要試劑與儀器

(1)試劑：陽離子黏土穩(wěn)定劑(LYPO)、二甲基二烯丙基氯化銨/丙烯酰胺共聚物(LYPW)，分別配制成不同濃度的溶液用于抑制砒砂巖膨脹；紅色砒砂巖、白色砒砂巖，均采自內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)二老虎溝；焦磷酸鈉，分析純；亞甲基藍，含量≮98.5%，用于對所提純的蒙脫石進行吸藍量測試。

(2)儀器：布魯克公司SRS3400型X射線熒光光譜儀，峰的角度偏差≯±0.01°，用于測量樣品的化學(xué)組成；帕納科公司Empyrean型X射線衍射儀，掃描范圍2θ為4°～80°，掃描速率為2(°)/min，步長0.02°，分析樣品礦物組成；梅特勒公司TGA/DSC 1 STAR System型同步熱分析儀；布魯克公司EQUINOX55型傅里葉變換紅外光譜儀；馬爾文公司Nano ZS90型納米粒度及Zeta電位分析儀。

1.2　砒砂巖中蒙脫石的基本參數(shù)測試

1.2.1砒砂巖中蒙脫石的提純

砒砂巖原巖分為紅色砒砂巖和白色砒砂巖，均采自二老虎溝，提取砒砂巖中蒙脫石得到紅色蒙脫石和白色蒙脫石，對其進行基本參數(shù)測試。將砒砂巖人工破碎，過0.16 mm方孔篩。過篩后的砒砂巖粉末分散在蒸餾水中，充分?jǐn)嚢韬箪o置24 h，重復(fù)三次。將懸濁液過80 μm水篩。過篩之后的液體進行超聲分散，靜置30 min，離心機提純。離心分離出的固體置于真空干燥箱在100 ℃下烘干，得到蒙脫石樣品。

1.2.2吸藍量的測試

依照GB/T 20973—2007《膨潤土》中吸藍量的測試方法，對提純的蒙脫石進行吸藍量測試，用以鑒別和評定蒙脫石礦物的含量。試驗分兩組進行，兩組測試結(jié)果取平均值為所提純蒙脫石的吸藍量。吸藍量計算公式為：

MBI=319.85VC×1 000m×100

(1)

式中：MBI——吸藍量，g/100 g；C——亞甲基藍溶液濃度，mol/L；V——亞甲基藍溶液滴定量，ml；m——試樣質(zhì)量，g；319.85——無水亞甲基藍相對分子質(zhì)量，g/mol；100——1 g樣品吸藍量換算成100 g樣品吸藍量的換算系數(shù)。用吸藍量換算樣品中蒙脫石含量的經(jīng)驗公式為：

M(%)=0.442MBI×100

(2)

式中：M——樣品中蒙脫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；MBI——吸藍量，g/100 g；0.442——換算系數(shù)。1.2.3膨脹指數(shù)的測試

依照GB/T 20973—2007《膨潤土》中膨脹指數(shù)的測試方法，將2.00 g±0.01 g蒙脫石加入到裝好蒸餾水的量筒中，記錄靜置24 h后蒙脫石膨脹所占的體積。

1.2.4蒙脫石的化學(xué)組成

取提純出的蒙脫石樣品，將樣品用研缽研磨后過45 μm篩。使用X射線衍射儀對蒙脫石進行X射線衍射特征分析。掃描范圍4°～80°(2θ)，掃描步長0.02°，掃描速率2(°)/min。使用X射線熒光光譜儀對蒙脫石的化學(xué)成分進行分析。

1.3　砒砂巖膨脹抑制效果

取砒砂巖原巖粉碎后過80 μm篩，在105 ℃下烘干2 h。配制好質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1%的LYPO溶液和LYPW溶液，稱取3 g樣品裝入盛有蒸餾水或所配制溶液的燒杯中，混合均勻后采用超聲分散5 min，倒入50 ml量筒中，并用相同的溶液多次沖洗燒杯，將殘留物全部收集到量筒中，量筒口封上保鮮膜，靜置。觀察并記錄1 d、3 d、7 d和14 d的沉淀物界面的量筒刻度值。

1.4　紅外光譜測試

將砒砂巖中經(jīng)水洗提純出的蒙脫石樣品置于真空干燥箱中，在105 ℃下烘干至恒重，使用研缽將烘干的蒙脫石樣品研磨成粉末，稱取3 g樣品裝入盛有蒸餾水或不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陽離子黏土穩(wěn)定劑LYPO溶液或陽離子高分子絮凝劑LYPW溶液的燒杯中，燒杯口用保鮮膜封上，在室溫下靜置24 h。使用抽濾機將沉淀物與溶液進行分離，然后置于真空干燥箱中在40 ℃下干燥，將樣品用研缽研磨后過80 μm篩。使用傅里葉變換紅外光譜儀對樣品進行紅外光譜測試。

1.5　Zeta電位測試

取砒砂巖原巖粉碎后過80 μm篩，取3 g樣品裝入盛有LYPO溶液或LYPW溶液的燒杯中，超聲分散5 min，室溫下靜置24 h后在60 ℃±5 ℃下烘干，稱取0.05 g±0.001 g砒砂巖試樣，分散在100 ml蒸餾水中，超聲分散10 min后裝入試管中，使用納米粒度及Zeta電位分析儀進行Zeta電位測試。

1.6　熱重測試

取砒砂巖原巖粉碎后過80 μm篩，取3 g樣品裝入盛有LYPO溶液或LYPW溶液的燒杯中，超聲分散5 min，室溫下靜置24 h后在60 ℃±5 ℃下烘干，將樣品用研缽研磨后過45 μm篩。使用同步熱分析儀來表征樣品的質(zhì)量損失與溫度之間的關(guān)系。掃描溫度范圍為20～1 000 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2　結(jié)果與討論

2.1　砒砂巖中蒙脫石的基本參數(shù)

2.1.1吸藍量

表1和表2分別為紅色蒙脫石和白色蒙脫石的吸藍量測試結(jié)果。

表1　紅色蒙脫石吸藍量試驗結(jié)果

表2　白色蒙脫石吸藍量試驗結(jié)果

根據(jù)(1)式計算得到紅色蒙脫石的吸藍量平均值為32.42 g/100 g；白色蒙脫石的吸藍量平均值為38.00 g/100 g。這一指標(biāo)高于經(jīng)提純后膨潤土的吸藍量22.12～30.84 g/100 g[15]。根據(jù)(2)式得到紅色蒙脫石樣品中蒙脫石含量為73.35%；白色蒙脫石樣品中蒙脫石含量為85.97%。而膨潤土經(jīng)過離心提純后蒙脫石含量在68%～74%之間[16]。說明砒砂巖中的蒙脫石含量相對較高，這也證明砒砂巖遇水潰散這一特性是因為蒙脫石遇水后膨脹引起的。

2.1.2膨脹指數(shù)

膨脹指數(shù)是評價蒙脫石屬性的指標(biāo)之一。根據(jù)GB/T 20973—2007《膨潤土》中的試驗步驟，測得紅色蒙脫石的膨脹指數(shù)為3.25 ml/g，白色蒙脫石的膨脹指數(shù)為3.55 ml/g。根據(jù)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》的劃分標(biāo)準(zhǔn)和文獻[17]對巖石的膨脹性分類，砒砂巖屬于中等膨脹巖。

2.2　蒙脫石的氧化物組成

圖1為砒砂巖的XRD圖。由圖1可以看出，在5°～7°(2θ)和9°～10°(2θ)的兩個衍射峰歸屬于蒙脫石，石英的最強峰出現(xiàn)在27°(2θ)處，長石的最強峰出現(xiàn)在28°(2θ)處。砒砂巖原巖的礦物成分主要為石英、長石和碳酸鹽類礦物以及蒙脫石等物質(zhì)。其中石英、長石的衍射峰強度很大，而蒙脫石的衍射峰強度較低。

圖1　砒砂巖原巖的XRD圖

圖2(a)和圖2(b)分別為紅色砒砂巖和白色砒砂巖中分離提純的蒙脫石的XRD圖。由圖2可以看出，在7°～8°(2θ)處蒙脫石出現(xiàn)最強峰，在26°～27°(2θ)附近出現(xiàn)強度很低的石英衍射峰。對于經(jīng)過提純的蒙脫石樣品，石英、長石和碳酸鹽的衍射峰基本消失，而蒙脫石的衍射峰強度增高。

對從砒砂巖中提純的紅色蒙脫石和白色蒙脫石進行XRF測試，測試結(jié)果見表3。

圖2　蒙脫石的XRD圖

表3　蒙脫石的化學(xué)成分 %

將從砒砂巖中提純的兩種蒙脫石的化學(xué)組成與Weaver C E等[18]統(tǒng)計的101個蒙脫石礦物的化學(xué)組成相比較，總體差別不大。兩種蒙脫石Fe2O3含量的差別較大，紅色蒙脫石中Fe2O3含量較高，F(xiàn)e2O3含量不同是兩種蒙脫石顏色差異較大的主要原因。兩種蒙脫石中SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO以及Na2O的含量均在普通蒙脫石化學(xué)成分的含量變化范圍內(nèi)，而提純出的紅色和白色蒙脫石中CaO和K2O的含量略高于普通蒙脫石。

2.3　紅外光譜測試

圖3為LYPO和LYPW的紅外光譜圖。圖3(a)中，3 300 cm-1處的特征峰表示的是N-H的伸縮振動吸收峰，在2 900 cm-1處和2 850 cm-1處的特征峰表示的是與N+相連接的甲基(-CH3)和亞甲基(-CH2)的伸縮振動吸收峰，該伸縮振動吸收峰表明在陽離子黏土穩(wěn)定劑LYPO的分子結(jié)構(gòu)中有N+基團，其水溶液中可以電離出有機陽離子基團。在1 635 cm-1處的特征峰表示的是酰胺基團中的羰基(C=O)的伸縮振動吸收峰，在1 430 cm-1到1 600 cm-1的范圍內(nèi)有兩個特征峰，分別位于1 540 cm-1處和1 450 cm-1處，這兩處的特征峰表示的是含C-C、C-N鏈節(jié)的六元環(huán)伸縮振動吸收峰，該伸縮振動吸收峰表明在陽離子黏土穩(wěn)定劑LYPO的分子結(jié)構(gòu)中有六元氮的雜環(huán)存在。

圖3　兩種陽離子穩(wěn)定劑的紅外光譜圖

圖3(b)中，在3 300 cm-1處的特征吸收峰表示的是N-H的伸縮振動吸收峰，在2 915 cm-1處和2 850 cm-1處的特征吸收峰表示的是與N+相連接的甲基(-CH3)和亞甲基(-CH2)的伸縮振動吸收峰，該伸縮振動吸收峰表明在陽離子高分子絮凝劑LYPW的分子結(jié)構(gòu)中有N+基團存在，因此高分子聚合物在水溶液中可以電離出有機陽離子。在1 640 cm-1處的特征吸收峰表示的是酰胺基團中的羰基(C=O)的伸縮振動吸收峰，在1 430 cm-1到1 600 cm-1的范圍內(nèi)有兩個特征吸收峰，分別位于1 530 cm-1處和1 450 cm-1處，這兩處的特征峰表示的是含C-C、C-N鏈節(jié)的六元環(huán)伸縮振動吸收峰，該伸縮振動吸收峰表明在陽離子高分子絮凝劑LYPW的分子結(jié)構(gòu)中有六元氮的雜環(huán)存在。

通過陽離子黏土穩(wěn)定劑LYPO的紅外光譜圖和陽離子高分子絮凝劑LYPW紅外光譜圖的所有特征吸收峰，可以確定陽離子黏土穩(wěn)定劑LYPO和陽離子高分子絮凝劑LYPW均為季銨鹽類高分子聚合物。

2.4　砒砂巖膨脹的抑制效果

表4為砒砂巖在不同濃度的LYPO溶液中，1 d、3 d、7 d和14 d的膨脹體積。

表4　砒砂巖在不同濃度LYPO溶液中的膨脹體積　ml/g

砒砂巖在低濃度的LYPO溶液中的膨脹體積隨著時間的增長會略微下降，7 d后膨脹體積不再減小。而LYPO溶液濃度升高到0.6%后，砒砂巖在LYPO溶液中的膨脹體積幾乎不再隨時間的增長而變化。當(dāng)LYPO溶液濃度達到0.8%時，膨脹體積達到最小值1.63 ml/g。繼續(xù)提高LYPO溶液的濃度，砒砂巖的膨脹體積略微升高。因此，LYPO溶液抑制砒砂巖膨脹的最佳濃度為0.8%。

膨脹率指物質(zhì)因某種原因膨脹之后的體積與正常情況下的體積之比。未經(jīng)處理的砒砂巖在清水中的膨脹體積為3.37 ml/g，以未經(jīng)處理的砒砂巖膨脹體積為100%計，分別計算經(jīng)不同濃度LYPO溶液處理后的砒砂巖的膨脹率(見表5)。

表5　經(jīng)LYPO溶液處理的砒砂巖的膨脹率

由表5可以看出，在濃度0.1%的LYPO溶液中，砒砂巖的膨脹體積大于未經(jīng)處理的砒砂巖在水中的膨脹體積，說明LYPO溶液濃度過低時，不僅不能抑制砒砂巖膨脹，反而會促進其膨脹。當(dāng)LYPO溶液濃度高于0.2%時，LYPO溶液開始起到抑制砒砂巖膨脹的效果。當(dāng)LYPO溶液濃度達到0.8%時的抑制效果最好，膨脹率達到48.37%。

表6為砒砂巖在不同濃度的LYPW溶液中，1 d、3 d、7 d和14 d的膨脹體積。

砒砂巖在低濃度的LYPW溶液中的膨脹體積隨著時間的增長會略微下降，3 d后膨脹體積不再隨時間的增長而降低。砒砂巖的膨脹體積隨著LYPW

表6　砒砂巖在不同濃度LYPW溶液中的膨脹體積　ml/g

溶液濃度的升高而降低，當(dāng)LYPW溶液濃度達到0.8%時，膨脹體積達到最小值。繼續(xù)提高LYPW溶液的濃度，砒砂巖的膨脹體積不再減小。因此，LYPW溶液抑制砒砂巖膨脹的最佳濃度為0.8%。

未經(jīng)處理的砒砂巖在清水中的膨脹體積為3.37 ml/g。以未經(jīng)處理的砒砂巖膨脹體積為100%計，分別計算經(jīng)不同濃度LYPW溶液處理后的砒砂巖的膨脹率(見表7)。

表7　經(jīng)LYPW溶液處理的砒砂巖的膨脹率

在濃度0.1%的LYPW溶液中，砒砂巖的膨脹體積大于未經(jīng)處理的砒砂巖在水中的膨脹體積，說明LYPW溶液濃度過低時，不僅不能抑制砒砂巖膨脹，反而會促進其膨脹。當(dāng)LYPW溶液濃度高于0.2%時，LYPW溶液開始起到抑制砒砂巖膨脹的效果。當(dāng)LYPW溶液濃度達到0.8%時的抑制效果最好，膨脹率達到49.55%。

因此，兩種黏土穩(wěn)定劑對砒砂巖膨脹的抑制效果均比較理想，在溶液濃度為0.8%時，兩者對砒砂巖的膨脹抑制率均高于50%。

2.5　砒砂巖膨脹抑制機理分析

2.5.1Zeta電位測試

黏土穩(wěn)定劑LYPO與LYPW電離出的有機陽離子與蒙脫石晶層間的陽離子進行離子交換，改變了蒙脫石晶層表面分布離子的種類與數(shù)量，這將顯著改變蒙脫石晶層表面的電荷分布狀態(tài)，蒙脫石層間的電勢分布也將發(fā)生變化，即Zeta電位的變化。圖4為Zeta電位與溶液濃度的關(guān)系。

由圖4可以看出，不同濃度的LYPO和LYPW溶液處理后的蒙脫石的Zeta電位均在-16 mV～-14 mV之間，隨著溶液濃度的升高，蒙脫石的Zeta電位的絕對值并沒有顯著減小。未經(jīng)處理的砒砂巖中蒙脫石的Zeta電位為-24.5 mV，處理后的蒙脫石相對于未經(jīng)處理的蒙脫石的Zeta電位絕對值明

顯下降，說明LYPO溶液和LYPW溶液中電離出的有機陽離子進入到蒙脫石晶層間，置換出層間表面電荷密度小的離子。表面電荷密度大的有機陽離子與晶層間的吸引力更強，在晶層表面吸附的離子更多，離子堆積更加緊湊，由于中和了晶層表面的負(fù)電荷，相應(yīng)地Zeta電位的絕對值就會降低。

隨著LYPO和LYPW溶液濃度的升高，砒砂巖膨脹的抑制效果越來越好，但是蒙脫石的Zeta電位絕對值并沒有顯著減小。說明溶液中電離出的有機陽離子進入到蒙脫石晶層間，但有機陽離子并未隨溶液濃度的升高而增加。因此，LYPO和LYPW兩種黏土穩(wěn)定劑對砒砂巖膨脹的抑制作用主要是由于長的聚合物分子鏈與蒙脫石顆粒通過靜電引力、氫鍵以及分子間作用力吸附，在蒙脫石的顆粒表面形成了一層有機聚合物保護膜，一方面中和了蒙脫石表面上的正電荷，使蒙脫石晶層間的斥力減小，另一方面將蒙脫石顆粒與水分子隔開，從而抑制了蒙脫石的水化膨脹。

對于無機鹽類黏土穩(wěn)定劑，在抑制蒙脫石膨脹時只是單一的陽離子交換，沒有在蒙脫石晶層外形成一層保護膜，而且穩(wěn)定劑只有在高濃度下才有明顯的抑制效果。在耐沖洗試驗中，隨著水洗浸漬時間的延長，無機鹽類黏土穩(wěn)定劑抑制膨脹的效果顯著降低[19]。同樣，一般的高分子黏土穩(wěn)定劑也只是單一地在蒙脫石表面形成一層保護層，在相同濃度條件下，抑制膨脹的效果差于聚季銨鹽類黏土穩(wěn)定劑。

2.5.2熱重測試

圖5和圖6分別為未處理砒砂巖和濃度為0.8%的陽離子黏土穩(wěn)定劑LYPO溶液、0.8%的陽離子高分子絮凝劑LYPW溶液處理后的砒砂巖的TG和DTG曲線。

由圖5可見，未處理的砒砂巖在118 ℃、185 ℃和667 ℃各有一個吸熱谷，其中118 ℃附近的吸熱谷為脫水的吸熱谷，667 ℃附近為脫羥基的吸熱谷。在50～220 ℃溫度區(qū)間，未處理的砒砂巖質(zhì)量損失為10.7%；在50～1 000 ℃溫度區(qū)間，未處理的砒砂巖質(zhì)量損失為14.3%。

圖6　兩種溶液處理的砒砂巖TG/DTG曲線

由圖6可見，經(jīng)過濃度為0.8%的陽離子黏土穩(wěn)定劑LYPO處理后的砒砂巖，在450 ℃附近出現(xiàn)一個新的吸熱谷，其余吸熱谷與未處理砒砂巖的位置相近。隨著溶液濃度的增加，處理后的砒砂巖在50～220 ℃溫度區(qū)間質(zhì)量損失減少。經(jīng)濃度為0.8%的LYPO溶液處理后的砒砂巖在50～220 ℃溫度區(qū)間的質(zhì)量損失為7.22%，經(jīng)濃度為0.8%的陽離子高分子絮凝劑LYPW溶液處理后的砒砂巖在50～220 ℃溫度區(qū)間的質(zhì)量損失為8.07%。

由此可見，經(jīng)過陽離子黏土穩(wěn)定劑LYPO和陽離子高分子絮凝劑LYPW處理后的砒砂巖，自由水和結(jié)合水的含量均較未處理的砒砂巖要少，從而證明兩種穩(wěn)定劑對砒砂巖的水化膨脹起到抑制作用。

但是，LYPO溶液是多種共聚物的共混，因此很難判斷具體是哪種物質(zhì)起到抑制作用。同時，LYPO溶液較為黏稠，在試驗和實際使用過程中會帶來諸多不便。而LYPW溶液為二甲基二烯丙基氯化銨/丙烯酰胺共聚物，對溶質(zhì)成分容易把控，有利于分析抑制膨脹的影響因素。

3　結(jié)論

3.1采用不同濃度的LYPO和LYPW溶液處理砒砂巖，對砒砂巖均有很好的抑制膨脹效果。但是，LYPO溶液是多種共聚物的共混，因此很難判斷具體是哪種物質(zhì)起到抑制作用。同時，LYPO溶液較為黏稠，在試驗和實際使用過程中會帶來諸多不便。而LYPW溶液為二甲基二烯丙基氯化銨/丙烯酰胺共聚物，對溶質(zhì)成分容易把控，有利于分析抑制膨脹的影響因素。

3.2Zeta電位測試的結(jié)果表明，這兩種穩(wěn)定劑對砒砂巖的抑制膨脹作用主要是通過聚合物分子鏈與砒砂巖顆粒的相互吸附作用，在顆粒表面形成一層有機聚合物保護膜，阻隔水與砒砂巖中的蒙脫石接觸，從而抑制砒砂巖膨脹。但是，目前對于聚合物分子在砒砂巖表面的吸附機理和規(guī)律并沒有深入研究，可作為下一步的研究重點。

3.3通過熱重測試的結(jié)果可以看出，經(jīng)過LYPO溶液和LYPW溶液處理后的砒砂巖，隨著溶液濃度的升高，120 ℃附近的脫水吸熱谷強度均減小，50～220 ℃溫度區(qū)間的質(zhì)量損失減小。砒砂巖中自由水和結(jié)合水的含量減少，說明隨著LYPO溶液和LYPW溶液濃度的升高，抑制砒砂巖膨脹的效果越好。

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