趙飛燕 桂書潤(rùn) 徐 欣

（華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

分散性土指的是在含鹽量比較低的水中或者是純水中離子之間的斥力大于引力，致使土顆粒間分散的黏性土［1］。20世紀(jì)30年代，一位農(nóng)學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了分散性土的存在，但是對(duì)分散性土的真正研究是在20世紀(jì)50年代的美國(guó)和澳大利亞［2］，這時(shí)候巖土工程界意識(shí)到了研究分散性土對(duì)工程的重要性。1981年，華東水利學(xué)院的錢家歡教授整理了美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的研究，在巖土工程學(xué)報(bào)發(fā)表了國(guó)內(nèi)首次對(duì)分散性土的刊文報(bào)告［3］。自此，分散性土的研究發(fā)展進(jìn)入國(guó)內(nèi)發(fā)展視野。

關(guān)于分散性土的分散機(jī)理，各國(guó)學(xué)者都有研究，就目前的研究而言，可以大致認(rèn)為，分散性土產(chǎn)生分散的主要原因是土中的鈉離子使土顆粒的雙電層厚度增大，導(dǎo)致斥力大于吸引力，其次是分散性土的高pH值使顆粒的有效負(fù)電荷增大，吸附更多的陽(yáng)離子，雙電層厚度增加，顆粒趨于分散［4］。目前國(guó)內(nèi)外常用的分散性土的鑒別方法主要有雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)和孔隙水可溶性陽(yáng)離子試驗(yàn)等［1］，分散性土判別方法各有其特點(diǎn)和局限性，國(guó)內(nèi)外各種實(shí)際的工程案例顯示，試驗(yàn)結(jié)果受取樣、制樣、試驗(yàn)方法等多種因素的影響，單種鑒定方法無法百分百判定是否為分散性土，需要多種判別試驗(yàn)同時(shí)做，根據(jù)其多種試驗(yàn)結(jié)果綜合判定。

本研究主要從工程危害、分散機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)等方面對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)分散性土的改良方法研究進(jìn)展進(jìn)行整理闡述，探討改良研究方向，為其他學(xué)者提供理論依據(jù)。

1 分散性土的工程危害

分散性土在世界七大洲均有遍布，中國(guó)地域遼闊，大多分布在山東、黑龍江、江蘇、新疆、廣西等地，多分布于干旱和半干旱地區(qū)。

1949年美國(guó)俄克拉荷馬州一座大壩使用的防滲土料具有分散性，導(dǎo)致堤防、大壩變形、塌陷，且俄克拉荷馬州有11座防洪大壩因使用具有分散性的防滲土料而發(fā)生破壞［5］。20世紀(jì)70年代，在河南洛陽(yáng)的小浪底水庫(kù)也同樣遇到了具有分散性的防滲土料，20世紀(jì)70年代末的中部引嫩工程，1990年的河南陸渾大壩，1998年的山西上馬水庫(kù)，2007年的浙江天子崗水庫(kù)等防滲土料均具有分散性［1］。

由此可知，研究分散性土的改良方法對(duì)滿足工程建設(shè)需求具有重要的指導(dǎo)作用。

2 早期改良研究

國(guó)外專家McElroy C H.早在1987年就提出使用化學(xué)改性劑處理分散性土的分散性［6］，李興國(guó)等［7］、Shah等［8］、樊恒輝等［9］對(duì)使用化學(xué)改性劑做了大量的工作，提出了采用氧化鈣、火山凝灰?guī)r、粉煤灰、水泥、氯石灰、十六水硫酸鋁、硫酸高鐵等進(jìn)行處理。在分散性土中按照一定規(guī)范操作加入氧化鈣后，氧化鈣會(huì)與土體顆粒或自身發(fā)生一連串的物理化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)能夠增加土體顆粒之間的吸引力，并且克服分散性土的分散作用［10］。胡國(guó)成等［11］通過礦物組成變化研究表明：氧化鐵可在土顆粒中表現(xiàn)出較強(qiáng)的膠結(jié)能力，與一些黏土礦物蒙脫石、高嶺石結(jié)合形成非常穩(wěn)定的大顆粒團(tuán)聚體，這些團(tuán)聚體即使用NaOH-超聲波也很難分散。除此之外，Hou等［12］認(rèn)為聚合鋁化合物可增強(qiáng)與分散性土之間的相互作用。楊玉婳等［13］通過高價(jià)離子置換、膠結(jié)等，降低土壤堿度，羥鋁溶液能有效提高土的分散性，可作為良好的土壤分散性改良劑。Ouhadi等［14］指出交換鈉離子含量和土體的酸堿度是造成分散性土體分散的主要原因。在分散性土中加入1.5%的明礬溶液可以降低分散性土體的pH值。

在目前工程中使用石灰、粉煤灰、礦渣、石膏等分散性土改良劑進(jìn)行改性，土體和地下水pH值將會(huì)增加，對(duì)大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)地下水的消耗和生產(chǎn)將會(huì)產(chǎn)生很大的影響，飲用水pH值會(huì)超出正常飲用標(biāo)準(zhǔn)［5］。因此，研究安全降低pH值、減少土體和地下水污染、經(jīng)濟(jì)上更合理的改性劑是當(dāng)前的目標(biāo)。

3 新型改良研究

3.1 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)

環(huán)境友好型土體穩(wěn)定方法近年來受到廣泛關(guān)注。許多研究人員已經(jīng)探索了由土體中自然過程啟發(fā)或誘導(dǎo)的方法取代化學(xué)改良技術(shù)的可行性研究。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀是生物媒介傳導(dǎo)的土體處理技術(shù)之一。利用微生物礦化碳酸鈣（Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation，MICP）可沉積具有膠結(jié)功能的碳酸鈣，填滿孔隙和水泥土顆粒，提高土體強(qiáng)度，降低滲透性，具有良好的土體改良效果［15］。

MICP技術(shù)的礦化原理是利用微生物在新陳代謝過程中生成的脲酶，脲酶催化尿素發(fā)生尿素水解反應(yīng)，水解為銨根離子和碳酸根離子。碳酸根離子與游離在細(xì)胞外的鈣離子結(jié)合，形成具有凝固作用的碳酸鈣結(jié)晶來固化土體［16］。微生物活動(dòng)期間pH值的降低、雙電層厚度的減少以及交換性鈉離子的穩(wěn)定，被認(rèn)為是導(dǎo)致土體侵蝕潛力降低的主要機(jī)制。此外，微生物誘導(dǎo)的沉淀導(dǎo)致進(jìn)一步的黏結(jié)，這降低了土體樣品的可蝕性［17］。

MICP是一種以微生物為天然資源進(jìn)行土體改良的環(huán)境友好型的土體改良技術(shù)。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人為操作的MICP工藝可以在短時(shí)間內(nèi)礦化成大量的碳酸鈣［15］，在巖土工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 電滲透處理技術(shù)

電滲透被認(rèn)為是現(xiàn)代處理問題土體最有效的技術(shù)之一［18］。

由于水對(duì)土體的穩(wěn)定性具有重要的影響，電滲透現(xiàn)象就是指當(dāng)直流電作用于飽和土的多孔介質(zhì)時(shí)，孔隙水向負(fù)極（陰極）移動(dòng)。電滲透早期固結(jié)、排水，后期降低分散性和膨脹潛力。直流電作用下，吸附極性水分子的陽(yáng)離子往陰極移動(dòng)，完成從陽(yáng)極到陰極的運(yùn)動(dòng)過程［19］。而對(duì)土的分散起主要作用的是孔隙水溶液中的鈉離子含量，鈉離子的作用增加了黏土顆粒周圍雙電層的厚度，從而降低了顆粒之間的吸引力［19］，有利于顆粒從土中析出。隨著孔隙水的運(yùn)動(dòng)，鈉離子也從陽(yáng)極遷移到相應(yīng)的陰極，然后被排走，可顯著降低分散性土的分散性。

3.3 木質(zhì)素磺酸鹽固化土體技術(shù)

木質(zhì)素是一種存在于大部分木質(zhì)化植物的細(xì)胞中的有機(jī)聚合物，具有較高的生物活性，是一種有前景的土體固化穩(wěn)定劑［20］。

木質(zhì)素磺酸鹽是木質(zhì)素的衍生物之一。木質(zhì)素磺酸鹽作為分散性土改良劑的機(jī)理為：木質(zhì)素磺酸鹽先水解出高價(jià)陽(yáng)離子并與分散性土中低價(jià)陽(yáng)離子置換，土顆粒表面雙電層厚度減小，土層間距減?。?1］；其次，土顆粒表面帶有一定量的負(fù)電荷，由靜電引力作用，土顆粒表面吸引了大量的帶有正電荷的有機(jī)分子，從而產(chǎn)生大量粒子物質(zhì)并填滿了空隙；最后，顆粒通過摩擦和物理節(jié)點(diǎn)連接起來，產(chǎn)生較為牢固的土體結(jié)構(gòu)［22］，從而降低分散性土的分散度。

營(yíng)改增的抵稅率有效降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，為企業(yè)發(fā)展提供了保障。同時(shí)，其也為企業(yè)財(cái)務(wù)管理帶來了挑戰(zhàn)，如何防控財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和加強(qiáng)營(yíng)改增的積極效應(yīng)將在下文中有所提及。

木質(zhì)素通常是紙張和木材加工工業(yè)的副產(chǎn)品，每年大概能產(chǎn)生500億kg的木質(zhì)素副產(chǎn)品，再生速度快，且絕大多數(shù)的木質(zhì)素副產(chǎn)品都會(huì)以垃圾的形式進(jìn)行焚燒或者是排入河里，不僅浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境。木質(zhì)素磺酸鹽主要來源于亞硫酸鹽制法造紙硫化過程中產(chǎn)生的化工產(chǎn)品，在加固土體、抑制揚(yáng)塵和提高土體抗侵蝕性能等方面應(yīng)用良好［22］。積極開展木質(zhì)素的再利用，有助于推動(dòng)生物能源副產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.4 黃原膠加固技術(shù)

天然生物聚合物是一種環(huán)境友好的土體處理添加劑，與傳統(tǒng)的外加劑相比，這些生物聚合物更便宜，可自制，生物可降解，且對(duì)環(huán)境可持續(xù)［23］。在獨(dú)特的生物聚合物組合中，多糖在土體改良中的應(yīng)用效果較好，易在自然界中發(fā)現(xiàn)，廣泛用于食品增稠劑和凝膠形成劑［24］。

黃原膠是一種多糖，通常用作黏度增稠劑，加水后可在顆粒之間形成氫綁定［25］。少量黃原膠（XG）可顯著提高土體的抗侵蝕能力，甚至促進(jìn)植被的生長(zhǎng)。由于生物聚合物有助于土體和多孔巖石的生物堵塞，降低其滲透性，所以它可以用來減少巖土侵蝕。生物聚合物也可以用作灌漿材料，以減少有機(jī)污染物，控制重金屬的遷移，堵塞土基結(jié)構(gòu)中的管道，如堤防和堤壩［26］。

黃原膠（XG）作為一種生物聚合物，在巖土工程中得到了成功的應(yīng)用。黃原膠（XG）的添加可提高土體的強(qiáng)度和抗侵蝕能力，1%的XG是穩(wěn)定這類土體的最佳添加比例［27］。在水中加入一定量的黃原膠（XG）時(shí)，兩者結(jié)合就會(huì)形成一定濃度的高分子溶液，黏度增大，保持成一種彈性半固體狀態(tài)，填補(bǔ)土顆粒之間的空隙，增加了土顆粒與土顆粒的接觸面積，增加了黏土顆粒之間的黏性［28］，使土體的分散性降低。由于黏土粒子帶電，所以黃原膠單體就能夠利用黃原膠大分子中自帶的羧酸（—COOH）和羥基（—OH）基團(tuán)與黏土顆粒表面的陽(yáng)離子之間發(fā)生的橋接反應(yīng)和氫鍵作用直接結(jié)合到黏土顆粒上，從而增強(qiáng)了土粒之間的聯(lián)結(jié)力，也增強(qiáng)了土體在受力時(shí)抵抗外力作用而變形的能力［28］。

分散性土體是典型的土體，在水的存在下，它們表現(xiàn)出高度的侵蝕行為。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果表明，黃原膠生物聚合物的加入顯著提高了分散性土體的長(zhǎng)期強(qiáng)度和耐久性。通過黃原膠（XG）生物聚合物穩(wěn)定分散性土體是一種可持續(xù)的、高效的、長(zhǎng)期的替代傳統(tǒng)技術(shù)［27］。

3.5 納米黏土穩(wěn)定土體顆粒技術(shù)

納米黏土是層狀礦物硅酸鹽的納米顆粒。近年來，納米黏土作為一種環(huán)境友好的穩(wěn)定劑被廣泛研究，以彌補(bǔ)膠體顆粒通過介質(zhì)的遷移［29］。由于納米黏土體積小、陽(yáng)離子交換量高、反應(yīng)快速、完全，是一種很有前途的改良分散性土體穩(wěn)定的替代品［30］。

ZnO、Al2O3、MgO、ZrO2、Ti O2、CoO、NiO等納米顆粒具有很高的比表面積、高表面能和高陽(yáng)離子交換容量，由于納米顆粒的尺寸非常小，納米顆粒的表面力如范德華力和靜電力，可以穩(wěn)定分散的黏性土土體，將分散的土體顆粒結(jié)合、絮凝成更大的集合，防止其擴(kuò)張和遷移，從而減少膨脹和分散［31］。研究表明，納米黏土的加入降低了土的液限、塑性極限、塑性指數(shù)和線性收縮率。干密度和最佳含水率隨納米黏土摻量的增加而增加。此外，納米黏土的加入增加了土體的抗壓強(qiáng)度。水存在時(shí)，土體顆粒與納米黏土之間的相互作用導(dǎo)致土顆粒之間的黏附力增加，分散性降低。

由于納米黏土的豐富性、低成本和環(huán)境友好性，它是一種有效且有前景的處理問題分散性土體的穩(wěn)定劑。

4 結(jié)語(yǔ)

分散性土易給工程帶來危害，傳統(tǒng)的改性劑在使用過程中對(duì)水域、土體或者是農(nóng)作物造成破壞，在生產(chǎn)過程中會(huì)消耗大量能源，大多已無法滿足環(huán)保要求，如何對(duì)分散性土進(jìn)行環(huán)保、有效的改性，是目前面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問題，具有重要的工程價(jià)值。

新型改良方法在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究從工程危害、分散機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)等方面對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)分散性土的改良方法研究進(jìn)展進(jìn)行整理闡述，探討改良研究方向，主要有以下5種改良方法。①利用微生物礦化碳酸鈣沉積出具有膠結(jié)功能的碳酸鈣，填補(bǔ)土內(nèi)孔隙、固結(jié)土顆粒，提升了土體抵抗分散的能力，很好地抑制了土體的分散性。②利用電滲透技術(shù)，隨著孔隙水的運(yùn)動(dòng)，陽(yáng)離子也從陽(yáng)極移動(dòng)到相應(yīng)的陰極。分散性土體的主要陽(yáng)離子鈉離子也會(huì)由于陽(yáng)離子交換從陽(yáng)極移動(dòng)到相應(yīng)的陰極，然后被排出，降低分散性土的分散度。但是陰極周圍的土體最后仍然是分散的，反映了電滲透法單獨(dú)應(yīng)用的不利之處。③木質(zhì)素磺酸鹽/木質(zhì)素磺酸鈣可以降低分散性土的分散性和崩解性，提高土體的力學(xué)強(qiáng)度、壓縮變形特性和抗侵蝕性。④采用天然黃原膠對(duì)分散性土進(jìn)行加固，黃原膠基質(zhì)填充了黏土顆粒之間的空隙，覆蓋在黏土顆粒表面，增強(qiáng)顆粒間的相互作用力，降低分散性土的分散性。⑤納米黏土對(duì)分散性土的作用在于可以穩(wěn)定分散的黏性土土體，將分散的土體顆粒結(jié)合、絮凝成更大的集合，防止其擴(kuò)張和遷移，從而減少膨脹和分散。