（道路与铁道工程专业论文）蒙脱石的胀缩机理及改性技术研究.pdf

摘要 膨胀土的矿物组成主要由蒙脱石、伊利石、高岭石或蒙脱石伊利石的混层矿 物组成的复合体。伊利石与高岭石的亲水性只有蒙脱石的l l o 和l 6 0 左右，因此 膨胀土的胀缩性主要由蒙脱石含量控制。蒙脱石是由两层硅氧四面体和一层夹于 其间的铝( 镁) 氧八面体构成的2 ：l 型层状硅酸盐矿物，因其层间可插入阳离子，在 c 轴方向的吸水膨胀可达几倍的膨胀率。 本文在总结前人研究成果的基础上，选择用c a ( 0 团2 和c a c l 2 作为改性剂来 改性蒙脱石，通过比较改性前后的膨胀容、阳离子交换量、显微结构以及粒度分 析来探讨c a ”引入方式和用量对蒙脱石的膨胀容和阳离子交换量的影响。在此基 础上，通过分析改性后的蒙脱石在干循环、湿循环以及干湿循环条件下的膨胀高 度、膨胀容和交换性钙量的变化来探讨其稳定性。 通过试验得出，不论是普通蒙脱石还是钠基蒙脱石，经c a 2 + 处理后，二者的 膨胀容均有所下降，但改性普通蒙脱石下降的幅度要大于改性钠基蒙脱石。当掺 入8 c a c l 2 时，蒙脱石膨胀容较小、交换性钙较低、结构紧密。当改性后的蒙脱 石经干循环、湿循环以及干湿循环后，其膨胀高度、交换性钙量以及膨胀容都发 生变化。经过气候变化后其稳定性的大小顺序为干湿循环 湿循环 干循环。 结合交通部西部交通建设科技项目膨胀土地区公路修筑成套技术研究， 选取广西南友路施工路段k 1 3 3 + 7 8 0 处一个特点显著的剖面进行沿深度方向的胀 缩性研究。通过测定不同深度从岩到土的化学成分、粒度组成的变化情况，结合 差热分析等，探讨了此处膨胀土的工程地质特性，为其改性和稳定化提供依据。 关键词：蒙脱石；钙离子改性；膨胀容；阳离子交换量；干湿循环 a b s t r a c t n ei n i n e r a lo fe x p a n s i v es o i li s m o s t i yc o 呷o s e do f 啪n t m o r i l l 鲫i t c i u i t e k a o l i n i t eo ri i l i x x i n gl a y e ro fm o n t m 嘶j l o n i t e i l l i t ec o m p o u n d 1 1 l eh y d r o p h i l i c i t yo f i l l i t e 柚dl 【a o l i n i t ei so n i ya sa b o u t1 1 0a n dl 6 0 柚m a to fm o n t m o r i l l o n i t e s 0n c o n t e mo fm o n t m 嘶l l o n i t em i n l ya 行e c t s 廿l ec a p a b m t yo fs w e i l i n ga n ds 晡n k i n go f e x p a n s i v es o i l m o n t m o r i l l o n i t ei sl n a d eu po ft w ol a y e r so fs i l i c o no x y g e nt e n _ a h e d r o n ， 柚d ei n s e n c d l a y e ro fa l u m j m i u m ( m a g n e s i u m ) o x y g e no c t a l l c d r a l ，f o r m i n ga2 ：1 t y p el a y 删 s i l i c a t cl n i n e r a l h s e n i o no fc a t i o n sb e 附n也e l a y c r s o f m o n t m o f i u 0 l l i t cr c s u h si ns e v c r a ln m e s0 fe x p a n d i 五gm t ea f t c rt h ea _ b s o r p t i o n0 fw a t 盯 i nca x i sd i i 优t i 帆 i nt h i sp 印e r ，c a ( o l i ) 2 柚dc a c l 2a r ec h o o s e da st h em o d i f i e rt oc h a n g et t 屺 m o n t m 鲥l l o n i t c ss w e u i n gc a p a b i l “ya f k rs u m m a r i z i n gt h ef o 咖e rf e s e a r c h e s t h e i n n u e n c e so fc o m p o u n d 柚da l n o u n to fc 一+ o nm es w e l l i n g 卸dc a t i o ne x c h a n g e a b l e c a p a c i t y o fm o n t m o r i l l o n i t cw e r ed i s c u s s e d b yc o m p 撕n gt h ep r o p e r t i e s 、 n l i c m s t r i l c t u r e so fm o n t m o r i l l o n i t ea n d 黟a n u l a r i t y卸a l y s i s b e f o r ea n da f t e f m o d i f i c a t i o n t h es t a b i l i t yo fm o n t m o r i l l o n i t ew a si n v e s t i g a t c db yt l l e 卸a l y s i so ft h c s w e l l i n gh i g h n e s s ，s w e n i n gc 印a c i t y a n de x c h 柚g e a b l ec a l c i u m c 印a c “y a f t c r m o d i 丘c a t i o nb yd r yc i r c u l 砒i o n ，w e tc i f c u l a t i o na n dw e t d r y i n gc i f c u l a t i o n r e s u h ss h o wt l l a tb o mm wm o n t m o r i u o n i t ca n dn a m o n t m o r i l l o n i t eh a v el o w 盯 s w d l i n gc 印a c i t ya f t e rm o d i f i c db yc 矿+ ，b u tm er c d u c i n ge x t e n to fm o d i f i c dm w m o m m o r i u o n i t ci s l a r g c rt h 姐t h a t o fm o d i f i e dn a m o n t m o r i l l o n i t c t h e 脚n 协1 0 r i l l o n i t es h o w ss m a l i e rs w e l l i n gc a p a c i t y l o w c re x c h a n g e a b l ec a l c i u m 锄d c o m p a c tm i c m s t m c t u f ew h e ni tw a sm o d i f i e db y8 c a c l 2 a f t e re x p e r i e n c e db yd r y c i r c u l a t i o n ，w e tc i r c u l a t i o na n dw e t d r y i n gc i r c u l a t i o n ，t h es w d l i n gh i g h n e s s ，s w e l l i n g c a p a c i t ya n de x c h a n g e a b kc a l c i u mc a p a c i t yo fm o d i f i c d 础) n 恤枷l l o n i t cc h a n g e d t h es 协b i u t yo fm o d i 丘e dm o m m o r i l i o n 沁a f t e r t h ec l i m a t i cc h a l l g e ，h a st h e0 r d e ro f w c t d r y i n gc i r c u l a t i o n w e tc i r c u i a t i o n d r yc i r c u l a t i o n b a s c d 伽t h ep r o j e c to ft h ew e s tm m s p o n a t i c o 璐t r u c t i o n ， t l l e s a m p l e so f e x p 姐s i v es o no ft h en 姐- y o uh i g h w a y s1 3 3 7 8l d l o m e t e ri ng u 柚g x ip r o v i n c ew 肿 s e l e c 锄a l o n gt h ed i f 妇舶td e p t l lf o l c h 锄c t e r i z i n gm ec a p a b n n yo fs w e u i n g 卸d s h r i n l d n g b yt h e 强a i y s i s0 fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ，p a r t i c l es i z e 弛dd s c ，t l l e g c o l o g i c a le n g i n e e f i n gc h a r t 耐s t i c so ft h ee x p 勰s i v cs o i lw e r ed i s c u s s e d ，w h i c hi s i m p o r t a n tf b rt h em o d i f i c a t i o n 锄ds t a b i l i z a t i o no fm o n t i n o f i n o n i t c k e y w o r d s ：m o n t n l o r m o n i t e ；c a 2 + m o d 墒c a l i o n ；s w e m n g p 龇i t y ；t i 蛐 虹c h a n g e a b l e p a c i t y ；w e t d r y i n gd r c u l a 娃o n m 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：毒睁日期：碲n 穆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 参蚌 日期：球n 媚 1 1 蒙脱石的基本特性 第一章绪论 蒙脱石( m o n t 加埘h i t e ) 是1 8 4 7 年a a d a 叫r 和d s a l v c t c t 研究法国 m o m m o w i l l o n 所产粘土时，对其含有少量碱和碱土金属的含水铝硅酸盐矿物所取 的名称。1 9 2 6 年和1 9 5 4 年r o s s 等经进一步研究，明确了蒙脱石的矿物性质。以 后又发现蒙脱石是化学成分复杂的一大族矿物，经国际粘土研究协会决定使用 s m e c t i t e 作为族名，我国学者译成蒙皂石族( 亦称蒙脱石族) “。蒙脱石是一种活性 最强的次生粘土矿物，它是在干燥或半干燥的气候中，在碱性介质环境的湿热条 件下形成的，晶层之间连接很弱，晶层内的阳离子可以在某种条件下被其他离子 交换，从而改变蒙脱石的性质。 1 1 1 蒙脱石晶体结构特征 蒙脱石属蒙脱石一皂石族( 简称蒙皂石) 中的二八面体粘土矿物。蒙皂石族矿 物是由两层硅一氧四面体片和一层夹于其间的铝( 镁) 一氧( 羟基) 八面体片构成的 2 ：1 型层状硅酸盐矿物。硅一氧四面体片系由处于同一平面的s i o 四面体的三 个顶点氧与相邻s i 一0 四面体共用而连接成一系列近似六方环网格的硅一氧片； 铝( 镁) 一氧( 羟基) 八面体片是以铝( 镁) 为中心原子，并与彼此顶点相对的四面体片 的四个顶点氧处于同一平面的两个羟基构成六配位的a l ( m g ) 一o ( o h ) 八面体，这 些八面体彼此借o 、( o h ) 与相邻八面体中心原子配位相连组成铝( 镁) 一氧( 羟基) 八面体片( 图1 1 、1 2 、1 3 ) 。四面体片中的硅可被铝随机置换，但取代量不超过 1 5 ；八面体片中的铝( 镁) 可被同价或低价阳离子( f e ”、f e 2 + 、z n 2 + 、m n 2 + 、l i + 等) 类质同象置换。不同的取代离子、取代位置、取代量构成了该族中一系列亚族 矿物【i - 。 蒙脱石的理想结构式为： ( s i 8 ) ( a 1 3 小i g o 酯) 0 2 0 ( 0 i i ) 4 j ， ( 1 2 c a ，n a ) o 膳 式中( 1 2 c a ，n a ) 表示用来补偿异价离子置换引起的正电荷亏损的层间可交 换阳离子。按照上式计算其s i 0 2 的重量百分值为5 9 5 8 ，分子数为9 9 3 ；a 1 2 0 3 的 质量百分数值为2 2 9 6 ，分子数为2 2 5 。s i 0 2 a 1 2 0 3 分子比值为4 4 1 。 粘土矿物的单元层间叫“层间域”或“层间”。一个结构单元层加一个层间域组 成一个“单位构造”，其高度称单位构造高度或层问高度。蒙脱石的层间高度是可 变的，自然界产出的蒙脱石由于层间吸附的水合阳离子的种类、比例、以及水分 子的数量等的随机性，因此，其层间高度是有差异的，一般在1 2 1 6 a 之间。 交换性弼离子n h t o 图1 1 蒙脱石构造示意图 s i o 四面体组成六方环的平面投影 s i - o 四面体立体图 图1 2 硅氧四面体 s i - o 四面体立体圈 。氧硅 o 氧( 氢氧)铝( 镁) 图1 3 铝( 镁) 氧t 氢氧) 八面体片立体图 2 1 1 2 蒙脱石分类 当前天然产出的蒙脱石( 膨润土) 的分类，一般采用三种分类方案：即按蒙脱 石交换性阳离子的种类及其比例划分属性；按蒙脱石层电荷高低划分属型；按蒙 脱石与其它二八面体粘土矿物构成特殊的层问结构的层间矿物分类。 1 按蒙脱石属性分类 蒙脱石的可交换性阳离子种类、数量和比例，它是评价膨润土质量指标之一， 又是划分属性的依据。 ，e 肘+ e 矿、 ( 1 ) 用蒙脱石晶层间交换性阳离子的碱性系数与i 耐来划分。 钠基膨润土：碱性系数耋1 ； 钙基膨润土：减小系数 0 3 e c a 2 + c e c 0 3 e c a 2 + c e c 0 4 5 c 镁钙基：e m g ”c e c 0 4 5 e c a 2 + c e c o 2 5 d 钙镁基：e c a 2 + c e c 0 4 5e m 9 2 + c e c 0 2 5 ( 3 ) 美国一般根据交换性钠、钙离子比值划分。 钠基膨润土：e n a + e c a 2 + 耋l ； 钙基膨润土：e n a + e c a 2 + 7 时，蒙脱石端面的负电荷增加，阳离子交换容量变大； p h c 7 时，蒙脱石端面正电荷增加，阳离子交换容量也就会相应地变小。 4 流变性川 在蒙脱石晶片的边缘上，四面体和八面体的顶点氧原子无法共用，是以 a l o h ，s i 0 h ，m g o h 的形式存在的，当其分散在水中时，晶片边缘上的o h 间形成一种氢键，使蒙脱石有三维结构，也就是相互交联形成连续网格状结构。 但氢键的键能很弱，当受到应力作用时易破坏，这时液体的流动性粘度和没有加 膨润土一样。静止时，氢键恢复，粘稠度增大。这就是流变性关键所在。这一性 能也使膨润土具备了优异的粘接性与触变性，如图1 4 所示。 日卿 冒衄 干粉 剪切 - _ l _ - 。峥 润湿 剪切应力作静止时晶片分散状态 图1 4 膨润土在水中的分敢过程 5 膨胀性埘 蒙脱石遇水膨胀会引起晶层底面间距( c 0 ) 的增大。在自然界较稳定存在的蒙 脱石中。当单位化学式有2 h 2 0 时，c 俨1 2 4 a ；当含有4 h 2 0 时，c o - 1 5 4a ；当 蒙脱石处于较高水化阶段时，c o = 1 8 4 2 1 4a 。吸附有机分子( c o ) 最大可达4 。8 n m 左右。 引起蒙脱石膨胀的动力是交换性阳离子( 包括极化有机分子) 和晶层底面的水 化能。抑制膨胀的力来自单位晶层间的范德华力和由交换性阳离子引起的静电引 力。交换性阳离子的性质影响着对蒙脱石的膨胀性能。在开始形成塑性体和流体 的过渡阶段，该阶段的吸水量主要取决于二价阳离子的水化能力，所以，二价交 换性阳离子的蒙脱石的吸水速度快，吸水量较大，这种现象在低湿度的条件下尤 为明显。但是进入分散阶段后情况就大不一样了，这时吸水量的大小主要取决于 蒙脱石晶胞的解离程度，解离程度高的蒙脱石，吸水量就大，解离程度低的，吸 水量就小。含水二价交换性阳离子的蒙脱石晶胞的解离程度较含一价交换阳离子 的蒙脱石晶胞解离度低，吸水量就少，最终吸水率也就低。由于钠基膨润土的分 散程度通常要比钙基膨润土高，所以钠基膨润土的吸水率通常较高，膨胀倍数也 较大。 1 1 4 膨胀土的胀缩变形机理 膨胀土由于含有强亲水性矿物蒙脱石、蒙脱石一伊利石混层矿物、伊利石、 多水高岭石等，这类矿物具有较强的与水结合的能力，吸水膨胀，失水收缩，并 具有膨胀一收缩一再膨胀的往复胀缩特性，蒙脱石的含量直接决定膨胀土的膨胀 性能的大小。根据现有研究资料，蒙脱石含量超过8 就对膨胀土的胀缩性产生 很大的影响。而且粘土矿物的组成、含量、排列结构是膨胀土产生膨胀的首要物 质基础，极性分子或电解质液体的渗入是膨胀土产生膨胀的外部作用条件。现有 研究结果表明膨胀土的胀缩机理主要有【q ： 1 晶格扩张膨胀理论 粘土矿物学研究表明，在粘土矿物的原子晶格构造中有一种晶层构造型式是 由弱键和连接晶片的晶格构造，晶层与晶层之间的彼此结合不是很牢固。在粘土 与水体系相互作用时，由于粘土矿物化学成分内部的同晶置换或断键破损等而使 粘粒表面带负电荷，并使吸附离子平衡，极性水分子在电场作用下很容易渗入晶 层成为水化阳离子，并使水膜增厚，引起晶格扩张导致岩土的膨胀，这种晶格构 6 造称为膨胀晶格构造。具有膨胀晶格构造的矿物都有膨胀性，如蒙脱石的晶体构 造是由两层s i o 四面体夹一层a l o 八面体组成的三层结构相叠的晶格构造， 均以氧为公共原子相连接的弱键相结合，具有膨胀晶格构造和晶格内部离子交换 的特性，使粘粒表面带有负电荷。因此，其晶层可吸入大量极性水分子，使晶层 间距加大而产生体积膨胀。研究表明，当单位晶层没有极性分子时，晶面间距大 约只有9 6 a ，随着极性水分子的贯入，晶层间的水膜加厚，晶层间距随着增大。 如钙、镁蒙脱石被水饱和后，晶面间距可增大至4 0a ，如任其在水中继续膨胀， 其晶层间距可达1 3 0a 。 2 扩散双电层膨胀理论 根据胶体化学原理，粘土矿物颗粒由于晶格置换产生负电荷，在颗粒周围形 成静电场，在静电引力作用下，颗粒表面必然吸附带有相反电荷的交换性阳离子 来平衡。这些交换性阳离子是以水化离子形式存在的，带有负电荷的粘粒吸附水 化阳离子，形成扩散形式的离子分子，组成双电层。在双电层中的离子对水分子具 有吸附能力，被吸附的水分子在电场引力作用下，按一定排列被约束积聚在粘粒 周围，形成表面结合水即水化膜，由于结合水化膜的加厚而将岩土颗粒楔开，使 固体颗粒间的距离增大，导致岩土体积膨胀。 粘土矿物中结合水膜的厚度主要取决于双电层中扩散层厚度，蒙脱石颗粒表 面双电层中扩散层厚度较大，结合水膜较厚，水膜楔开颗粒的间距也较大，所以， 蒙脱石的胀缩量比其它粘土矿物大的多，产生强烈胀缩现象。 1 2 对蒙脱石改性的研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 膨胀土的矿物组成主要由蒙脱石、伊利石、高岭石或蒙脱石伊利石的混层矿 物组成的复合体。不同的粘土矿物具有不同的吸附水分子的能力，亦即不同的粘 土矿物具有不同的亲水性，伊利石与高岭石的亲水性只有蒙脱石的l l o 和l 6 0 左 右。当钠蒙脱石在一定条件下充分吸水后，晶层的距离可以增大l o 倍以上，因此 膨胀土的胀缩性主要由蒙脱石含量控制的。 膨胀土已引起了全世界范围的广泛关注，其中加拿大、澳大利亚、南非、以 色列、印度、中国及美国等国尤为突出。j o h n s 和h o l t z 曾统计报道嘲，在美国由于 膨胀土问题造成的损失至少达2 3 亿美元，据说九十年代初已增至7 0 亿美元，比洪 水、飓风和地震造成损失总和的2 倍还多。膨胀土在我国的分布范围很广，遍及2 0 多个省区。据不完全统计，在膨胀土地区修建的各类工业与民用建筑物因胀缩变 形而损坏或破坏的有l o o o 万平米，其中广西就占十分之一。全国通过膨胀土地区 的铁路线约占铁路总长度的1 5 2 5 ，因膨胀土而带来的各种病害非常严重，每 年直接的整修费就在亿元以上。仅襄渝铁路施工决算统计，由于膨胀土在施工期 间造成的破坏，就使路基的造价每公里增加了9 1 “万元。据估计全国由于膨胀土 7 而带来的直接损失达数亿元之多。 膨胀土问题，直到二十世纪三十年代后期才为工程师们所认识。在此之前， 许多轻型结构的建筑物发生了不同程度的开裂，当时都把损坏的原因归咎于施工 质量不良及基础某一角的下沉，而没有意识到膨胀土的作用【1 0 】。1 9 3 8 年美国开垦 局【l l - 在奥勒冈州欧维希的一座钢制虹吸管基础工程中首次认识了膨胀土的问题。 从那时起，工程技术人员才领悟到结构物的损坏，除了由于沉降造成的以为，有 时还有其它原因。1 9 4 0 年以后，因为日益广泛地采用地上板结构，由膨胀土造成 的结构物损坏迸一步增多了。1 9 6 5 年第一届国际膨胀土研究会议在美国得克萨斯 州举行，为工程地质学开辟了一个崭新的研究领域。1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国、美 国、罗马尼亚、前苏联和日本都相继在正式的土工规范和铁路规范等文件中增列 了有关膨胀土的条文内容，充分反映了各国对膨胀土问题的重视及对其所采取的 科学态度【1 2 】。 5 0 年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都粘性土膨胀危害问题。 7 0 年代中期，我国开展了大规模的膨胀土普查工作，建立了科学研究试验基地， 开展了卓有成效的研究，取得了一定科研成果和工程经验。8 0 年代，我国制定了 膨胀土地区建筑技术规范。1 9 9 4 年在武汉召开了“中加非饱和土学术研讨会”，这 标志着我国非饱和土理论研究已达一个新的高度。 我国对膨胀土的工程问题给予了极大的重视。自七十年代初期开始，有组织 地在全国范围内开展了大规模的膨胀土研究工作。在全国十余个省区进行了膨胀 土普查，并在此基础上选择了若干试验研究基地，建立了长期观测网。在处理工 程问题的实践经验、试验技术和基础理论等方面都积累了丰富的资料，取得了一 批成果。八十年代后期铁道部重点课题“裂土的工程性质及其在铁路工程中的应用 技术条件的研究”的研究成果获得国家科技进步二等奖，从一个方面代表了我国现 在的研究水平。原国家建委系统先后两次组织了全国膨胀土地基设计专题研究学 术讨论会；铁路系统连续三次组织召开了全国膨胀土( 裂土) 工程研究学术会议。 此外，全国土力学及基础工程学会、铁道学会和工程地质学会等在全国性的学术 会议中也设膨胀土专题讨论。 由于膨胀土对工程的巨大危害，膨胀土工程地质问题已经引起了广泛的重视。 世界各国的工程技术人员对膨胀土进行了广泛而深入的研究。研究范围涉及地质 成因、分布规律、矿物组成、微观结构、强度性质、判别分类、影响因素、工程 危害以及防护措施、改良手段等诸多方面。自六十年代以来，国内外还召开了多 次膨胀土的专题学术会议，推动了对膨胀土的研究。国际岩石力学协会( i s r m ) 在 1 9 8 0 年还专门成立了膨胀岩专业委员会，以便更有效指导研究工作。目前，虽然 对膨胀土的微观胀缩机理已有了基本了解，但由于影响膨胀的内外因素的复杂性 和多样性，如何准确的预测和防止因膨胀变形引起的灾害，如何有效的改良膨胀 土以减小胀缩变形，仍未获得很好的解决【i ，i 。当前，膨胀岩土问题仍是工程建设 中的重大难题之一。 8 1 2 2 膨胀土改良的方法 国内外针对膨胀土的主要不良工程性质，结合公路实际对其作了大量的研究 工作。山区公路等级、各自国家的经济实力的不同以及各自工程的特点，科研工 作者提出了不少改良膨胀土的方法和措施，用以减少膨胀土的胀缩性，提高膨胀 土的强度，使之成为可用的填料。我国不少省区公路部门为了解决膨胀土地区公 路修筑路基稳定问题也进行了专项研究。总结现有国内外的研究资料，膨胀土路 堤的处治措施主要有：换土法、预湿法、压实控制法、全封闭法、化学处理法( 改 良处理法) 、土工格网加固法等【1 】。 从改良膨胀士的胀缩性质和强度性质着手，许多科研机构进行了掺石灰、石 膏、砂子、粉煤灰及水泥的试验研究；一些科研人员还迸一步探讨了用化学添加 剂( 如碳酸钠等) 改善石灰稳定膨胀士的效果等。国内外研究者对石灰稳定膨胀土 的效果给予了充分肯定，并在实际工程中得到证实吣m 。2 0 0 2 年高新等在膨胀土 中掺加适量的粉煤灰，能改变膨胀土原有的土颗粒级配，使土体的渗透能力增强， 提高了土体的保水能力，使土的含水量变化不大，达到了土质改变的目的。但是 粉煤灰只能明显地提高土的抗剪强度，对膨胀土的胀缩性无明显改良效果。国内 外大量试验表明：掺石灰的效果最好，由于石灰是一种较廉价的建筑材料，用于 改良膨胀土较其它材料经济，故这种办法较常用，也是公路路基设计规范所 提倡的方法。二 而在石灰改良膨胀土的试验研究方面，1 9 8 7 年k e n n c d y 等、1 9 9 2 年b a s m 等得 出了水泥掺加膨胀土的原理类似于石灰改性膨胀土，但总的来说，对被试验土而 言，在降低膨胀方面石灰要比水泥更有效【l i i 。河北工业大学的刘春原咿，等( 1 9 9 9 年) 针对高液限粘土稳定性差的性质，添加石灰，研究其混合土料的强度变化规律。 采用室内试验分析比较、技术经济指标筛选和试验路段检验的综合分析方法，研 究结果认为，在高液限粘土中掺入4 的石灰所形成的石灰稳定土，达到了实际工 程要求，并取得良好的经济效果。同济大学的徐勇【刈等( 2 0 0 1 年) 通过重型击实试验 和无侧限抗压强度试验，研究了不同石灰掺入量及不同养护时间对石灰土的最大 干密度、最优含水率及无侧限抗压强度的影响，确定了作为公路路基填料的石灰 的最佳石灰配比及养护时间，且石灰土的强度随着石灰的掺入量的增加而增大， 但并不是石灰掺量越多越好。根据试验结果，石灰掺入量为5 时，灰土的强度最 高，这为现场施工提供了依据。中铁1 9 局的孔宪斌剀( 2 0 0 1 年) 研究了通过掺石灰试 验解决用高液限粘土作为路堤填料的问题。试验结果表明，掺灰后的高液限粘土 的土体强度及稳定性大大提高，路基质量得到了保证，为高液限粘土的使用提供 了技术保证。尽管高液限粘土掺灰施工工艺较为繁琐，费用也较大，但用作路堤 填料在保证路基质量、移挖作填时减少取弃土场费用、节约耕地、保护环境方面、 以及远运土进行方案比较确定经济的场合下降低工程造价有其不可替代的优势。 北方交大的王云鹏、许兆义【2 2 i 结合实际工程，根据路基路床的工作特点和自然因 素，就所选试验段内路基填土改良问题，采用水泥、石灰分别进行室内和现场试 9 验，得出了试验结果和填土改良设计方案，并有结论：改良土强度随掺灰比增大 而增大，掺灰比达到6 后，强度趋于稳定值；改良土强度受含水率影响较大，饱 和强度衰减系数较素土有很大提高，在低掺灰比条件下，改良土饱和强度衰减系 数与塑性指数呈线形关系。河海大学的余湘娟( 1 9 9 9 年) 对掺石灰处理膨胀士的掺 灰率、无侧限抗压强度、试样饱和对其力学性质的影响以及膨胀力等问题进行了 试验研究。根据试验结果比较，提出了现场土料的掺灰率应在路拌后尽快测试， 否则即使龄期不超过7 d ，也需用相应龄期的e d t a 耗量标准曲线确定的建议；膨胀 力试验改用应变控制三轴仪的加荷装置控制试样注水后不发生膨胀变形测膨胀力 比按土工试验方法标准增加压力操作简便，测试精度也较高。江苏省高速公 路建设指挥部的向文俊、牛宏斌，河海大学王保田等【卅( 2 0 0 4 年) 对宁淮高速公路改 良膨胀土压实特性进行了研究，得到改良土的击实特性与试样制备过程中含水率 的变化过程关系密切，只有试样的含水率变化过程与实际施工工艺一致的湿法击 实试验结果才能用来评判土的现场压实质量。而采用干发击实试验获得的最大干 密度控制现场压实度，将出现压实良好的填土其检测的压实度反而会偏低的现象。 河海大学田正宏嗍( 2 0 0 4 年) 则对高速公路石灰改良膨胀土的路基施工工艺以及干、 湿法击实试验进行了对比分析，得到改良土的性质主要取决于改良土的掺灰率、 掺灰的均匀性和用湿法标准击实试验获得的最大干密度和最优含水率作为质量控 制标准更合理等结论。 在以前的大多数研究中( b y e r ，1 9 8 0 ；n g l l y e n 等，1 9 8 7 ；c a r d o s o 等，1 9 9 2 ) ， 人们一直试图用土的稠度指数、强度或p h 值等“间接方法”来评价石灰对膨胀土的 影响，通过比较石灰改性膨胀土前后的力学性能指标来寻求石灰的最佳掺量，很 少从材料化学的角度进行研究【拍】。石灰改性膨胀土主要是通过c a 2 + 与土中的其它 低价离子进行交换，从而降低其土的膨胀性。近年来，a i a w a j i 采用不同浓度的 c a ( n 0 3 ) 2 和n a n 0 3 来比较改性膨胀土的胀缩性能m ，而有关c a ( o h ) 2 和c a c l 2 对蒙脱 石膨胀容的影响还缺乏可比的试验数据渊。 1 2 3 钙改良膨胀土的机理 化学改良方法从理论上讲可以根本解决膨胀土的胀缩性，但目前仍处于试验 阶段，需通过实践检验才能推广。本次实验我们采用c a ( 0 团2 、c a c l 2 作为改性剂 来改性膨胀容较大的蒙脱石。掺入材料与膨胀土产生了复杂的化学反应，改善土 的性质，改变土的胀缩性能，提高土体强度，增加路基稳定性。 石灰是一种无机的胶结材料，既能在空气中硬化，也能在水中硬化。石灰的性 质取决于活性c a o 和m g o 的含量，其含量越高，活性越大。交结能力越强。氯化钙 是一种立方结晶的颗粒或熔块，易溶于水( 放出大量热) ，在水中解离成c a 2 + 和 c l 协划。它们改良膨胀土的过程既有物理作用，又有化学反应，两方面共同作用促使 土体性质发生根本改变。 ( 1 ) 离子交换作用：在土壤中水的作用下，生石灰迅速消解，产生氢氧化钙和少 1 0 量氢氧化镁，进一步离解出二价钙、镁和氢氧根离子，二价钙镁离子很容易置换膨 胀土颗粒所吸附的低价k + 、n a + 等离子，二价钙、镁离子结合水膜较薄，能使膨胀 土的分散性、坍塌性j 亲水性和膨胀性降低，塑性指数下降并易稳定成型，形成早 期强度。 ( 2 ) 碳酸化作用：氢氧化钙和氢氧化镁在土中还会不断和空气中的二氧化碳反 应生成碳酸钙和碳酸镁坚硬的固体颗粒，具有较高的强度和水稳定性，由于碳酸钙 对土体的胶结作用使得土体加固，形成石灰稳定土。经过相当长化学作用，更体现 出石灰土的后期强度。 ( 3 ) 凝胶反应( 又称火山灰作用) ：在进行离子交换反应的后期，随龄期增长，膨 胀土中的硅胶、铝胶将与石灰进一步反应形成含水硅酸钙、铝酸钙，这两种凝胶能 够在水环境下发生硬化，在膨胀土的粘粒外围形成稳定的保护膜，具有很强的粘结 力，形成网状结构，使灰土强度增长，并保持长期的稳定。同时保护膜还能起到隔离 水分的作用，使膨胀土获得水稳定性。 ( 4 ) 结晶作用：石灰掺入膨胀土中后，溶解度很小，除了离子交换和碳酸化作用 外，绝大部分以氢氧化钙结晶水的形式析出，进一步提高了膨胀土的强度和水稳定 性。 1 2 4 钙改良膨胀土的稳定性机理 膨胀土在天然含水率状态下常处于较坚硬状态，对气候和水文因素有较强的 敏感性，易被工程技术人员忽视，对工程建筑物存在着严重危害，这种危害作用 常常具有多次反复性和长期潜在的危险性。伦敦粘土挖方边坡中产生的滑坡，有 许多是在施工开挖后历时1 6 年甚至8 1 年之久才发生的，弗灵脱一克思膨胀土中 开挖的渠道，投入运用后2 1 0 年产生了边坡滑动的。国内著名的成昆铁路狮子 山路堑滑坡，也是在施工后1 6 年才发生滑动的。所以，工程界长期以来，存在着 一种土体强度随时间而衰减的观点。认为膨胀土强度随时间衰减是膨胀土在自然 气候因素作用下，由于含水量的变化引起土体往复干湿循环，导致土体长期往复 胀缩变形而使膨胀土体结构发生变化，强度降低p ”3 l 。 干湿循环作用造成膨胀土体强度降低是广西宁明膨胀土堑坡失稳的主要因素 之一。广西地处低纬度气候区属于亚热带湿热气候区，年蒸发量大于降水量，而 且旱季和雨季分明，干湿交替显著，在这种气候条件下，最适合于膨胀土的发生、 发育和保存。由于对刚开挖的膨胀土路堑边坡，没有及时采取防护和加固措施， 使堑坡土体直接受到大气风化作用。已有的监测数据表明，大气影响层深度在3 5 m 之间，此范围内的土体由于受到干湿循环的影响，导致膨胀土反复膨胀和收缩， 形成膨胀土体松散，大量次生裂隙生成与原生裂隙的进一步扩大使得土体中裂隙 极为发育。裂隙的发展与土体的松散为膨胀土的进一步风化创造了条件，为雨水 的入渗打开了方便之门，雨水侵入与水分蒸发的反复导致了边坡土体中应力状态、 变形情况、渗透性能及抗剪强度发生变化，使得土体内的裂隙扩展，这造成了土 体强度的衰减和变形的累积，并逐渐向不利于边坡稳定的方向发展，最后造成滑 坡。干湿循环作用也成为了膨胀土堑坡的滑塌具有浅层性和季节性的主要原因之 一。我国的长江中下游地区，梅雨季节气候湿润，雨水集中，地下水位普遍升 高：秋冬季节，降雨量少，地下水位降低。气候特征存在比较明显的干湿循环。 干湿循环引起石灰稳定土反复胀缩变形，从而导致填土中裂缝的产生和强度的降 低，影响石灰稳定土的使用寿命。近年来，在江苏省境内修建的高速公路中，出 现了膨胀土或其石灰稳定土路堤过早破坏的现象。 在雨季和旱季的交替中，膨胀土年复一年地进行干湿循环、胀缩交替、蠕变 不断，产生大量的裂隙，加剧了膨胀土结构的破坏。尔后，膨胀土在自然气候因 素作用下，随着时间的推移，由于昼夜温差，季节温差与干湿循环、多年气候的 变化等，土体长期产生往复胀缩变形结果，使强度降低。而处于干旱、半干旱地 区的膨胀土除了具有一般非饱和土的共性以外，最大的特点就是抗剪强度在干湿 循环过程中随体积的变化而始终发生变化。湿胀干缩变形较大是膨胀土的典型特 征。在大气营力( 主要是降雨、蒸发和温度) 作用下，膨胀土反复胀缩，产生的内 应力导致新裂隙产生和原生裂隙扩展，最终形成错综复杂的裂隙网络t 蚓。裂隙破 坏了膨胀土体的完整性，使其强度降低，造成膨胀土边坡发生溜坍和滑坡等病害。 正是由于裂隙的演化，使施工初期稳定的膨胀土边坡，随气候变化逐渐发生失稳 滑动p l ，q 。 但由于膨胀土干湿循环对其强度影响这一问题的复杂性，使得有关干湿循环 对膨胀土强度的影响这方面的研究结果迄今还很少看到。而且先前的研究大多集 中在膨胀土的一次胀缩对其强度和变形特性的影响上，并不符合工程实际情况。 因此如何合理地模拟干湿循环对膨胀土抗剪强度的影响，从定性定量研究方向发 展，是一个值得进一步研究的问题。 基于上述情况以及实际工程的需要，本文将模拟改性后的蒙脱石在湿循环、 干湿循环以及干循环环境中的稳定性。 1 3 论文的主要研究内容 膨胀土的主要成分是蒙脱石，蒙脱石是一种层状结构矿物，因其层间可插入 阳离子并吸水膨胀在c 轴方向可达几倍的膨胀率，是路基膨胀土中的主要组成矿 物，对道路路基具有很大的危害性。在道路的路基施工上，遇到主要是含钠基蒙 脱石的膨胀土，实验数据显示钠基蒙脱石吸水率、膨胀率以及阳离子交换量较大， 从而容易损坏路基。 基于以上分析，本文在前人研究工作的基础上，采用室内试验的方法，主要 进行如下两方面的工作： 1 对蒙脱石的理化性能进行较系统的表征：包括化学成分分析、阳离子交换 容量测试、烧失量、膨胀容的测定、显微结构观察和粒度分析等，以探讨蒙脱石 的胀缩机理。在此基础上通过阳离子交换和固结技术等，开展蒙脱石的稳定化技 1 2 术研究。研究成果将对路基膨胀土的改性和稳定化处理具有指导意义。 2 结合南友路膨胀土实例，分析k 1 3 3 + 7 8 0 处膨胀土剖面的化学成分和粒度特 点，结合t g 及d s c 分析，了解膨胀土的形成和发展过程，为研究其胀缩特性以 及改性方法都具有重要的现实意义。 第二章实验研究 2 1 试验材料及设备 2 1 1 试验材料 试验用普通蒙脱石、钠基蒙脱石为天然矿物，其化学成分见表2 1 ，其它试剂 见表2 2 。 表2 1 蒙脱石的化学组成( w t ) 蒙脱石种类s i 0 2a 1 2 0 3 c a o m g of e 2 0 3t i 0 2k 2 0n a 2 0 l o i合计 普通蒙脱石 6 6 0 01 8 8 41 2 83 6 51 0 5o 1 51 1 02 7 65 7 21 0 0 5 5 钠基蒙脱石6 1 9 91 8 2 00 7 94 0 62 7 2o 0 6o 6 54 4 76 2 09 9 1 5 表2 2 主要化学试剂 试剂名称英文名称浓度生产厂家 氢氧化钠s o d i 眦h y d r o x i d e a r 天津科密欧化学试剂开发中心 无水乙醇e t h a n o la b s o i u t ea r 天津市泰兴试剂厂 硫酸 v i 仃i o la r 株洲开发区石英玻璃有限公司 氢氧化钙 c a l c i u mh y d f o x i d ea r 天津市泰兴试剂厂 氯化钙c a l c i u mc h l o r i d ea r 天津市泰兴试剂厂 盐酸 h y d r o c h l 嘶ca c i d a r 株洲开发区石英玻璃有限公司 乙二胺四乙酸 e t h y l e n c d i a m i n e 忙仃一 a r 长沙市有机试剂厂 二钠 a a c e 蛄c 氟化铵 a m m o n i u mn u o r i i ea r 汕头市西陇化工厂 三乙醇铵 t r i e t h 粕o l a m i n ea r 天津市光复精细化工研究所 硫脲 t h i o u 陀aa r 国药集团化学试剂有限公司 高纯熔剂 f l u x 新产品开发公司 1 4 续表2 2 ： a m m o n i 岫 钼酸铵 a r 天津科密欧化学试剂开发中心 p a m m o l y b d a t c h c 础唧e t h y l e n 咖自m - 六次甲基四胺 a r 成都金山化学试剂有限公司 m i n e 抗坏血酸 l a s c o f b i c i da r 汕头市西陇化工厂 1 1 0 一菲哆琳 i 1 0 p h e m n t l l i i n ea r 上海灵锦精细化工有限公司 偶氮氯膦一i c h l o f o p h o s p h o n a z o i a r 国药集团化学试剂有限公司 为论文表述方便，对本文中使用的蒙脱石和c a ( o h ) 2 、c a c l 2 用以下缩写符号表示： p m ：普通蒙脱石 n m ：钠基蒙脱石 c o h ：c a ( o h ) 2 c c l ：c a c l 2 2 1 2 试验用仪器设备 本试验所使用的主要仪器及设备如表2 3 所示。 表2 3 试验用仪器与设备 试验仪器名称型号生产厂家 火焰光度计 6 4 0 0 a 山东高密彩虹分析仪器有限公司 硅酸盐成分快速分析仪 g k f 湘潭仪器仪表厂 视频显微镜 ， k v 3 0 0 0 美国科视达公司 激光粒度分析仪 l z 6 0 l 珠海欧美克 箱型电阻炉 s x 2 4 1 0 长沙市远东电炉厂 精密p h 计 p h s 一3 c 上海精密科学仪器有限公司 低速自动平衡离心机 t d 4 长沙平凡仪器仪表有限公司 电子天平 b s l 2 4 s ， 北京赛多利斯仪器系统有限公司 续表2 3 ： 超声波清洗仪b u g 一2 5 0 6必能信超声( 上海) 有限公司 电热恒温鼓风干燥箱 d h g 9 0 7 0 a 上海精宏试验设备有限公司 综合热分析仪 s t a 4 0 9 p c ，4 忸 德国n e t z s c h 公司 2 2 蒙脱石的基本物理和化学性质分析 2 2 1 化学成分分析 1 s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o 、m 9 0 、t i 0 2 、鼬0 3 含量的测定 硅酸盐成分快速分析仪主要是利用分光光度法来测定各成