翟志剛 雷勝友 袁文治 李思雨 陳雨菲 柳明宇

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064)

0 引言

鹽溶液改良膨脹土作為一種簡(jiǎn)易便捷綠色環(huán)保的化學(xué)改良方式，對(duì)于膨脹土的治理具有重要意義。在可溶性鹽溶液改良膨脹土可行性描述中，存在研究表明K+、Na+等離子可以顯著降低土體原始及固有黏結(jié)力[1]。關(guān)于K+作用機(jī)理的研究中指出由于所有常見(jiàn)的陽(yáng)離子中K+具有最低的水化能，因而能較為強(qiáng)烈地抑制膨脹土的脹縮性[2]。在K+對(duì)膨脹土膨脹特性的研究方面，有研究曾針對(duì)K+與PVA協(xié)同作用進(jìn)行過(guò)大量試驗(yàn)與深入討論，該方法以K+與聚乙烯醇(PVA)合成劑作為改性材料，可以有效抑制膨脹土的膨脹性，但可能會(huì)造成土體污染等問(wèn)題[3]。在化學(xué)改良后膨脹土相關(guān)指標(biāo)的研究方面，有研究表明膨脹土經(jīng)化學(xué)改性后成為非膨脹土，膨脹土的親水性受到顯著抑制，呈現(xiàn)出更優(yōu)的水穩(wěn)性[4]。

陜西安康膨脹土作為我國(guó)膨脹土典型分布區(qū)域之一，膨脹土呈零星和塊狀面積分布，分布不穩(wěn)定但面積較廣，其粉粒含量少于黏性含量，屬于黏性土，安康膨脹土吸水膨脹、失水收縮的特性表現(xiàn)尤為明顯，嚴(yán)重危害大量工程建設(shè)。

為探究不同濃度的KCl溶液對(duì)安康地區(qū)膨脹土膨脹特性的影響，進(jìn)行了不同濃度的KCl溶液下的自由膨脹率的對(duì)比試驗(yàn)，得出經(jīng)過(guò)不同濃度KCl溶液改良后的安康膨脹土與素膨脹土的膨脹特性變化并通過(guò)比較來(lái)確定其影響程度。以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，綜合分析影響安康膨脹土膨脹特性的四種作用，通過(guò)四種作用的特征確定在不同濃度梯度內(nèi)各種作用的主導(dǎo)地位。通過(guò)綠色環(huán)保的無(wú)機(jī)KCl溶液進(jìn)行改良，有利于針對(duì)不同地區(qū)不同特性的膨脹土問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)門(mén)治理。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用土的基本指標(biāo)

試驗(yàn)所用土取自陜西安康市早陽(yáng)村國(guó)道G316路段，土樣主體為棕黃色黏土，裂隙發(fā)育，并且有白色填充物。選取典型的膨脹土標(biāo)段K10+083～K11+003進(jìn)行了基本物理指標(biāo)試驗(yàn)，表1為安康膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)。參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[5]進(jìn)行了自由膨脹率的試驗(yàn)，在試驗(yàn)中對(duì)水溶液的條件稍作改動(dòng)，下文將詳細(xì)描述，試驗(yàn)表明該膨脹土自由膨脹率為63.8%，由《土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50145-2007)[6]相關(guān)規(guī)定，綜合判定安康膨脹土為中強(qiáng)膨脹土。

表1 陜西康膨脹土的基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

為了探究KCl溶液對(duì)于膨脹土膨脹性的抑制作用并確定K+對(duì)于膨脹性抑制的最優(yōu)濃度，同時(shí)為避免Na+與K+相互干擾，試驗(yàn)未加入用以加速沉淀的NaCl溶液，僅加入選用的3%、6%、9%和12%四種濃度的KCl溶液，以素膨脹土土樣為對(duì)照組進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。3%KCl溶液為KCl晶體的質(zhì)量占溶液總質(zhì)量為3%，6%、9%、12%KCl溶液意義同上。

自由膨脹率試驗(yàn)：自由膨脹率是采用土樣在蒸餾水中穩(wěn)定后的體積增量與原體積增量之比，用以衡量土的膨脹潛勢(shì)的指標(biāo)，用以分析土的膨脹特性[7]。試驗(yàn)過(guò)程中，取代表性風(fēng)干土樣碾碎，使其全部通過(guò)0.5 mm篩，移入烘箱于105～110℃烘至恒量，取出并放置冷卻至室溫后，每次選取10 mL土樣裝入量土杯中，然后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中分別取4種濃度的KCl溶液，每組試驗(yàn)進(jìn)行2組平行試驗(yàn)，取平均值作為最終結(jié)果[5]。

圖1 自由膨脹率試驗(yàn)照片

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 膨脹特性的變化

4種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KCl溶液的改性土樣的自由膨脹率數(shù)據(jù)如表2所示，由此繪制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KCl溶液的改性土與自由膨脹率的關(guān)系圖(見(jiàn)圖2)。由圖2可知：隨著KCl濃度的增加大，土樣的自由膨脹率呈現(xiàn)先降低后升高再降低的波動(dòng)趨勢(shì)，與素膨脹土土樣相比，自由膨脹率已大幅度降低。其中在3%、6%、9%濃度KCl的條件下，膨脹土由中等膨脹土變?yōu)槿跖蛎浲?，并且?2%濃度KCl的條件下土樣自由膨脹率達(dá)到最低值33%，變?yōu)榉桥蛎浲痢?/p>

表2 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

圖2 自由膨脹率隨KCl溶液濃度變化趨勢(shì)

2.2 膨脹特性耦合作用的潛勢(shì)影響關(guān)系式建立

從微觀角度分析，膨脹土的膨脹潛勢(shì)是由晶層擴(kuò)張程度與孔隙間鹽溶液濃度兩個(gè)方面決定的[8-9]。一方面，晶層擴(kuò)張是由黏土顆粒表面的水化膨脹引起的，隨著水分子的不斷滲入，晶層之間的水膜厚度不斷增加，使得晶層擴(kuò)張，在宏觀上表現(xiàn)為膨脹土吸水膨脹。此類(lèi)作用在此簡(jiǎn)記為“作用1(Q1)”。

另一方面，在相同初始含水率的條件下，隨著鹽溶液濃度的增加，黏土顆粒間的電解質(zhì)濃度提高，K+置換黏土顆粒表面的陽(yáng)離子，附著在黏土顆粒表面，使得大量黏土顆粒絮凝團(tuán)聚，從而使得顆?？偙砻娣e降低，吸水能力降低[10]，宏觀上表現(xiàn)為土樣體積減小。此類(lèi)作用在此簡(jiǎn)記為“作用2(Q2)”。

在控制其他變量的條件下，由于所添加的鹽溶液體積一致，可近似地認(rèn)為水分子滲入晶格內(nèi)的程度是一致的，即晶格擴(kuò)張程度相同，因此在宏觀上表現(xiàn)為各種土樣的膨脹潛勢(shì)是大致相同的。并且，隨著鹽溶液濃度的提高，黏土顆粒聚沉明顯、吸水能力變小，宏觀上表現(xiàn)為各種土樣隨著KCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高其膨脹潛勢(shì)逐漸降低。此外，由于晶層擴(kuò)張程度受孔隙間鹽溶液濃度的影響，即兩者之間存在耦合關(guān)系，隨著孔隙間鹽溶液濃度的提高，晶格內(nèi)溶液與孔隙間鹽溶液之間的濃度平衡被打破，使得晶格內(nèi)的水分子遷移至孔隙間溶液，抑制了晶層擴(kuò)張趨勢(shì)，此類(lèi)作用在此簡(jiǎn)記為“作用3(Q3)”；由于自由膨脹條件下土樣總體上無(wú)外荷載約束，在肉眼可見(jiàn)的維度上，隨著溶液的不斷滲入，土粒間距增大，土粒間由原先的球面—球面接觸變?yōu)樗畬印蛎娼佑|，于是就促進(jìn)了土樣的膨脹趨勢(shì)，此類(lèi)作用在此簡(jiǎn)記為“作用4(Q4)”。

根據(jù)上述理論分析，便可較好地解釋本研究得出的圖2的試驗(yàn)現(xiàn)象，即隨著KCl濃度的增加，土樣的自由膨脹率呈現(xiàn)先降低(0～3.5%)后升高(3.5%～7.5%)再降低(7.5%～9%)的波動(dòng)趨勢(shì)的原因是：改良膨脹土的膨脹特性，是由上述“作用1、2、3、4”綜合作用形成的，即膨脹土的膨脹潛勢(shì)關(guān)系式如下：

式中：γ1、γ2、γ3、γ4為各作用產(chǎn)生的膨脹潛勢(shì)相對(duì)于總膨脹潛勢(shì)的分項(xiàng)系數(shù)。

2.3 膨脹潛勢(shì)影響關(guān)系表達(dá)式的耦合作用分析

當(dāng)KCl溶液濃度處于0～3.5%區(qū)間內(nèi)時(shí)，晶層間的水膜厚度不足，由于KCl的加入使得黏土顆粒產(chǎn)生聚沉，此階段Q1較Q2來(lái)說(shuō)不顯著，即γ1＜γ2，Q3、Q4可忽略不計(jì)，綜合作用表現(xiàn)為土樣體積減小。

當(dāng)KCl溶液濃度處于3.5%～7.5%區(qū)間內(nèi)時(shí)，晶層之間的水膜達(dá)到一定厚度，使得晶層擴(kuò)張，同時(shí)鹽溶液的不斷滲入也促進(jìn)了無(wú)約束土粒的間距增大，此階段Q1、Q4較Q2顯著，即γ1＞γ2，綜合作用表現(xiàn)為土樣吸水膨脹。

當(dāng)KCl溶液濃度處于7.5%～12%區(qū)間內(nèi)時(shí)，即KCl濃度增大到一定值后，晶格自身開(kāi)始出現(xiàn)收縮，土樣的膨脹特性得到了極大的抑制[11]，因此圖中自由膨脹率曲線下降較快，此階段Q2、Q3較Q1、Q4顯著，土樣宏觀綜合表現(xiàn)為土樣體積減小。

圖3 作用主導(dǎo)地位分布圖

3 結(jié)論

(1)KCl溶液對(duì)膨脹土的膨脹性有明顯的抑制作用，且不同濃度KCl溶液的抑制作用不同。添加濃度分別為3%、6%、9%的KCl溶液，改良后的膨脹土變?yōu)槿跖蛎浲?；添加KCl的濃度為12%時(shí)，土樣自由膨脹率達(dá)到最低值33%，變?yōu)榉桥蛎浲痢?/p>

(2)提出以晶層擴(kuò)張理論和滲透理論為核心的安康膨脹土的膨脹潛勢(shì)影響關(guān)系式，以及各作用產(chǎn)生的膨脹潛勢(shì)相對(duì)于總膨脹潛勢(shì)的分項(xiàng)系數(shù)。

(3)關(guān)于無(wú)機(jī)鹽改良膨脹土的研究，本次只做了初步探索，關(guān)于相關(guān)影響作用的分項(xiàng)系數(shù)定量分析、作用程度等仍需進(jìn)一步深入研究。