EN-1离子土壤固化剂对滑坡滑带土扰动样的改性机理研究

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(中国地质大学(武汉) a.工程学院;b.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，武汉 430074)

1 研究背景

滑带土是滑坡的重要组成部分，与滑坡的变形和稳定性有着密切的关系。对于因滑动带土质不良而引起的滑动，除了采取工程措施外，广泛使用的其它土体改良方法主要有电渗排水、焙烧、灌浆等，也可以采用排水工程来减少水的负面作用[1-2]。电渗排水法一般只能处理小型饱和土质滑坡，且耗电量大，不经济。焙烧法一般仅适用于治理非饱和的小型滑坡。化学灌浆在滑坡治理中较常用[3-4]，而对于饱和黏性土滑带而言，由于渗透系数低，如何将浆材灌入滑带是一大难题。

离子土壤固化剂最早是由美国科学家雷诺研发，是一种由多个强离子组合而成的水溶性化学物质。它是通过电化原理改变黏土颗粒双电层结构，能永久地将土壤的亲水性变为疏水性，同时使土易于压实，形成强度较高、结构稳定的整体板块[5]。徐海清[6]采用高压注浆的方法将离子土壤固化剂注入清江水布垭水电站大岩淌滑坡的滑带土，并对加固前后滑带土的物理力学性质进行了试验研究。试验结果表明：离子土壤固化剂能减小黏性土颗粒结合水膜厚度，从而提高滑带抗剪强度。采用离子土壤固化剂改良黏性土的物理化学性质，为治理滑坡提供了一种新思路。项伟等[7]研究表明，离子土壤固化剂能降低滑带土的塑性指数，提高其抗剪强度，但并未对塑性指数降低的原因进行详细分析。另外，由于专利的保密性，市面上销售的离子土壤固化剂的有效成分尚不清楚。许多学者通过ISS改性前后土样的物质成分变化研究了其作用机理，但未从ISS的有效作用成分这个角度进行深入分析[8-11]。

本文采用EN-1离子土壤固化剂(ISS)处理黄土坡滑坡滑带土扰动样，并对处理前后的土样进行了阿太堡试验、交换性阳离子及比表面积试验，解释了塑性指数降低的原因。另外，采用红外光谱法和原子吸收法分析了ISS的主要成分，并在此基础上探讨了ISS改性滑带土的机理，为滑坡的治理研究提供一种新的思路。

2 试验概况

2.1 试验用土

黄土坡滑坡位于三峡库区巴东县，可分为临江1号崩滑堆积体、2号崩滑堆积体、变电站滑坡和园艺场滑坡4个主要部分以及近期发生的小滑坡，总面积约为135×104m2，总体积约为6 934×104m3。本文试验用土取自黄土坡滑坡II号崩滑体TP4平硐。土样主要为粉质黏土夹碎石，呈黄褐、灰褐及灰白色。依照《土工试验规程》(SL237—1999)[12]进行一系列试验，土样的基本物理性质指标见表1，级配累积曲线见图1。由表1和图1可知，所采土样粉粒含量大于60%，黏粒含量大于27%，且具有弱膨胀性，为粉质黏土。

表1 土样的基本性质

图1 土样的粒径级配累积曲线

2.2 试验试剂及仪器

EN-1土壤固化剂是一种离子型固化剂，由美国C.S.S技术公司生产，是一种高浓缩的酸性有机溶液。浓缩状态下无挥发性、有强烈刺激性酸味，为不易燃、有腐蚀性、溶于水的酱黑色液体，一经稀释，则是无毒、无公害、无污染、不破坏生态环境的高分子复合材料。硫酸含量大于1%，单位体积含硫量为1 mg/cm3，沸点为282 ℃，相对密度为1.7，pH值小于1。

WFX-110型原子吸收光谱仪(北京瑞丽分析仪器公司)由光源、原子化系统、分光系统和检测系统组成。本试验中采用的光源为：钾、钙、钠、镁空心阴极灯；其他可用到的仪器有F-Sorb 3400全自动比表面积测试仪及傅里叶变换红外光谱仪Equinox 55(德国Bruker公司)。

2.3 试样的制备处理

先将试验土样自然风干，碾碎后过0.5 mm筛，加入不同体积配比(0，1∶50，1∶100，1∶150，1∶200，1∶300)的ISS水溶液，与离子土壤固化剂混合后土样的含水率控制在28%(液限)左右，拌合均匀，并采用电动搅拌机连续搅拌24 h，密闭保湿一周后，自然风干，并按不同试验要求备样。

3 试验结果与讨论

3.1 ISS对土的塑性指数的影响

塑性指数是反映土颗粒与水相互作用的灵敏指标之一，在一定程度上反映了土的亲水性能。它与土的颗粒组成、黏土矿物成分、阳离子交换性能、土的比表面积等有着十分密切的关系，塑性指数越高，结合水膜越厚[13]。土的可塑性反映土粒间的连结程度，故和土的力学性质直接相关。大量研究表明，黏性土的许多力学参数均与塑性指数有密切关系[14-15]。因而，可以将塑性指数作为评价滑带土工程性质的一项重要指标。按照规程[12]将2.3节中制备的土样进行不同水(体积比)ISS配比的液塑限试验，结果见表2。

表2 不同ISS配比下土的塑性指数

由表2可知，经ISS溶液处理后土的液限、塑限和塑性指数都有不同程度的降低。当ISS溶液配比为1∶150(体积比)时，滑带土的液限及塑性指数降至最低，液限为23.80%，塑性指数为6.48。与素土相比，降幅分别为14.70%和35.59%。

试验结果表明，不同配比浓度的ISS溶液对土样塑性指数的影响程度不同，ISS溶液配比浓度过高或过低时，土样的塑性指数降低程度均不如中间配比浓度ISS作用效果明显。由此可知，ISS的掺入浓度不是越大越好，而是存在一个最优的配比浓度。

3.2 ISS对土的可交换性阳离子的影响

将经ISS处理前后的土样用蒸馏水洗盐3～5遍，直至上部离心液与素土离心液电导率相接近。洗盐的目的是除去ISS已经交换出来的盐基以及未参与作用的ISS溶液带入的多余可溶盐。将洗盐后的土样在低温40 ℃环境下烘干24 h，过0.15 mm筛，采用BaCl2缓冲法并参照规程[12]测定土样的阳离子交换量(CEC)，并采用原子吸收法测定交换性阳离子的成分及含量，结果见表3。

由表3可知，经ISS处理后土样的CEC值和盐基总量明显降低，CEC值和盐基总量最低可降至9.25 cmol/kg和6.24 cmol/kg，较未处理的素土降幅分别为39.58%和38.94%。交换性阳离子以交换性Ca2+为主，随着ISS浓度的增大，可交换性阳离子Na+，K+，Mg2+，Ca2+的浓度的变化趋势为先减小后增大，对应的盐基总量也是先减小后增大。当ISS溶液的配比为1∶150时，阳离子交换容量和盐基总量同时达到最小值。阳离子交换量与盐基总量减少，表明土的水化能力变弱，亲水性能降低。土的塑性指数与其阳离子交换性能、比表面积等密切相关。结合表2结果可知，经ISS溶液处理后，土的塑性指数与其阳离子交换性能呈正相关关系，且ISS溶液的最优配比为1∶150。

表3 经ISS处理前后土的CEC及可交换阳离子成分含量

3.3 ISS对土的比表面积的影响

岩土材料的工程性质与颗粒的表面特性有关，而比表面积的大小与颗粒尺寸、形状和黏土矿物的吸附性能等密切相关[16]。将自然风干土样过0.01 mm筛备用。比表面积试验(B.E.T)时，将过筛土样放至F-Sorb 3400全自动比表面积仪中，样品前处理为抽真空48 h，加热温度为90 ℃。在较低温条件下进行加热、抽真空是为了保证土样中水分不发生沸腾汽化而影响土样孔结构。前处理完成后，测试其比表面积，结果见表4。

表4 经ISS处理前后土的比表面积

由表4可知，素土的比表面积为24.830 9 m2/g，经配比为1∶150的ISS溶液处理后土的比表面积降至14.350 1 m2/g，降幅达42.21%。经ISS溶液处理后，土粒的比表面积减小，反映了随土颗粒直径增大，比表面能降低，亲水性也就减弱。这与3.2节中结果相呼应，即经ISS溶液处理后，土的塑性指数与其阳离子交换性能及比表面积均呈正相关关系。结合塑性指数及阳离子交换性能的变化，表4进一步证明了ISS溶液的最优配比为1∶150。

4 改性机理分析

EN-1离子土壤固化剂加入土中后，与土颗粒及黏土矿物发生一系列复杂的物理化学作用，从而显著降低了土颗粒的亲水性。为了探明ISS的主要作用成分及其与土颗粒或黏土矿物发生的反应，采用红外光谱技术和原子吸收法对ISS原液进行了分析，并探讨了作用机理。

图2为ISS的红外光谱图，其中3 670.92 cm-1为游离的羟基峰，2 980.31 cm-1及2 901.95 cm-1为C-H强特征峰，1 400.81 cm-1为不对称羰基峰，1 248.95～1 054.18 cm-1为R-SO3(R为长链烃基)对应的特征峰。由此可知，ISS中存在亲水基为磺酸基的烃基化合物，属于一种阴离子表面活性剂，可能为ISS中的主要作用活性成分。表5为ISS中交换性阳离子的含量。由表5可知，ISS中的交换性阳离子总量为285 g/mL，而生活用自来水的硬度(以Ca2+为标准)为450 g/mL，ISS中交换性阳离子含量远低于自来水中阳离子的含量，证明了与土样发生离子交换的不是ISS中的交换性阳离子。根据ISS的物理化学性质可知，ISS的pH值小于1，所以与土样发生离子交换的可能是H+。

图2 ISS的红外图谱

表5ISS中交换性阳离子含量

Table5ContentsofexchangeablecationsofISS

阳离子浓度/(g·mL-1)阳离子浓度/(g·mL-1)Mg2+10.0Na+147.5Ca2+70.0K+57.5

结合试验结果，可初步分析ISS改性土体工程性质的作用机理：

(1) ISS中含阴离子表面活性剂，当ISS加入土体后，能降低滑带土颗粒表面结合水的表面张力，并对土颗粒表面进行润湿，使表面活性剂长链可以很容易在土粒表面铺展开，有利于离子交换作用的迅速进行，置换出土体中固有的阳离子，或者占据土颗粒表面的离子空位，从而改善土颗粒表面电荷性质。

(2) ISS的pH值小于1，溶于水后能解离出大量H+，形成强电荷的水溶液。另外，H+的交换顺序优先于其他交换性阳离子，使ISS溶液能较快地通过离子交换、离子配对、形成氢键等作用在土颗粒表面发生吸附。当吸附完成后，表面活性成分中的极性基团磺酸基朝向土颗粒，而主链的疏水基团烃基一致朝外，吸附在土颗粒表面的结合水被“疏水尾”挤出，并在土粒表面形成一层包裹膜，有效地阻止了外来水的浸入，增强了土体的水稳定性，这个过程是不可逆的。

(3) 当ISS溶液与土颗粒表面作用时，ISS中含烃基长链利用相邻链节上带有的正电荷或羟基，将相邻的土颗粒通过分子链联结起来，最终使整个土体形成牢固的空间网状结构，极大地改善了土体的工程性质。

根据上述机理分析，阳离子交换量、可交换阳离子含量、比表面积及塑性指数的变换规律都能得到较好的解释。

5 结 论

EN-1土壤固化剂能够降低土样的阳离子交换容量、交换性阳离子量、比表面积及塑性指数。经配比为1∶150的ISS溶液处理后，上述指标与素土降幅较大：① CEC值和盐基总量分别为9.25 cmol/kg和6.24 cmol/kg，降幅分别为39.58%和38.94%；②比表面积为14.350 1 m2/g，降幅达42.21%；③ 液限为23.80%，塑限为17.32%，塑性指数为6.48，降幅分别为14.70%，2.91%和35.59%。研究表明，用ISS溶液改性土体工程性质，掺量不是越多越好，而是存在最优配比值。

EN-1土壤固化剂主要通过表面润湿、离子吸附、联结包裹等机制来加固土体，不可逆地排出土颗粒表面的结合水，并形成整体网状结构，从而提高土体的稳定性。新型土工材料ISS用以改良以滑带土为控制型滑坡的治理提供了新思路，具体实施方法有待进一步研究。

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