石灰加固膨胀土机理研究综述和展望

石灰加固膨胀土机理研究综述和展望

赵红华1a,1b，龚壁卫2，赵春吉1a,1b，刘军2

(1.大连理工大学 a.工业装备与结构分析国家重点实验室;b.工程力学系，辽宁 大连116024；

2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉430015)

摘要：对石灰加固膨胀土机理的研究现状进行了综述，明确了石灰加固膨胀土性质变化的过程：离子交换是石灰加入土中最先发生的反应，之后发生絮凝和结团、结块，使膨胀土的性质快速发生变化。现有机理研究成果表明：硬凝反应是一个长期的过程，能提高土体的强度；碳酸化和结晶作用也有助于提高土体的强度；扩散和胶结是使土体内部产生变化的原因；微观结构和矿物组成的变化是石灰改性膨胀土的内因。提出了进一步从土中离子含量的定量变化、土的微观结构的定量分析、以及石灰加固膨胀土中吸力的变化等方面开展石灰加固膨胀土机理研究的新思路；并阐述了石灰加固膨胀土可能带来的环境污染基本上可以忽略。研究工作将有助于进一步揭示石灰改性膨胀土的机理。

关键词：石灰加固膨胀土；加固机理；微观结构；矿物组成；硬凝反应

中图分类号：TU443文献标志码：A

收稿日期：2013-11-29；修回日期：2014-01-24

基金项目：国家自然科学

作者简介：蒋昱州(1982-)，男，广西全州人，高级工程师，博士，主要从事岩石力学与工程方面的研究工作，(电话)027-82829737(电子信箱)jiangyuzhou5586@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.014

1研究背景

膨胀土是一种典型的非饱和土，也是世界上分布最为广泛的问题土之一，在世界范围内如美国、巴西、南非、澳大利亚、印度、阿拉伯等地区都有广泛的分布[1-3]。

膨胀土在我国也有较广泛的分布，如湖北、河南、河北、安徽、贵州等10多个省(自治区)均分布有膨胀土[4]。近20 a来，我国大力开展基础工程设施建设，如高速公路建设、南水北调工程，就遇到了膨胀土这一难题[5-6]。

膨胀土对环境湿度的变化十分敏感，是一种具有显著多裂隙性、胀缩性和强度衰减性的高塑性黏土，它的主要矿物成分由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石组成[7]。随含水量的变化，膨胀土存在发生胀缩变形的特性，对建于膨胀土之上的结构和建筑物造成的破坏是一个长期和反复的过程，这种危害是潜在的[7]。膨胀土的主要工程特性表现为：①周围环境湿润时发生膨胀，周围环境干燥时发生收缩；②地层多裂缝；③超固结；④吸水易发生崩解；⑤裸露后容易风化；⑥抗剪强度随土体状态的变化逐渐衰减[8]。

目前，存在多种关于膨胀土胀缩变形的理论，主要有2类理论得到大家的普遍认可。一类是基于黏土矿物学的晶格扩张理论[9-10]；另一类是基于现代胶体化学的双电子层理论[10-11]。另外关于膨胀土的胀缩还存在微观结构理论和物理力学理论等[10]。

晶格扩张理论认为：主要黏土矿物(蒙脱石、伊利石、高岭石)都是由硅氧四面体和铝氢氧八面体2种基本结构单元组成，各晶层间由弱键连接，这种结合并不牢固，外界水分子很容易渗入晶格层间，形成水膜夹层，使晶层与晶层之间的距离加大，从而引起晶格扩张，最终使得土体发生显著膨胀。另外，由蒙脱石组成的膨胀土含有大量的交换性阳离子(Na+， Ca2+)，晶层底面具有很高的水化能，当土中含水量增大时，离子交换作用加剧，晶层间水膜变厚，晶胞距离随之而加大，引起剧烈的晶格膨胀，直到膨胀得到充分发展[9-10]。

双电子层理论认为,在黏土矿物颗粒表面，由于同晶置换作用产生负电荷(Mg2+置换Al3+)，在颗粒周围形成静电场。由于静电引力，黏土颗粒表面吸附相反电荷的离子(交换性阳离子)，阳离子在水中以水化离子的形式存在。带有负电荷的黏土矿物颗粒吸附水化的阳离子，随距矿物颗粒表面的距离增加，吸附能力下降，形成扩散形式的离子分布，从而形成双电子层。随着含水量的增加，结合水膜变厚，使黏土矿物颗粒间的距离增大，结果导致土的体积膨胀；失水时，土中结合水膜变薄或消失，黏土矿物颗粒间的距离减小，土体表现为体积收缩。对膨胀性黏土而言，蒙脱石的含量较高。带负电的蒙脱石颗粒吸附水化阳离子的能力比较大，其表面双电子层中扩散层的厚度也较大，结合水化膜也比较厚，从而黏土矿物颗粒间的距离加大，所以膨胀土的膨胀变形比其它土的膨胀变形表现更加强烈[11]。

2膨胀土的石灰加固研究现状

膨胀土的改良处理是大家广泛关注的问题之一。石灰加固膨胀土是最早使用，也是最为广泛采用的改良膨胀土的方法之一[12]。石灰改良膨胀土广泛应用于道路工程中的公路路基加固、机场跑道地基加固、铁路工程中路基改良(加固)和膨胀土边坡的稳定加固[13-17]。另外，还有研究者采用石灰加固土作为桩基础支撑荷载传递平台[18-19]。

石灰作为一种加固剂，可以以不同的形式生产。最典型的加固应用是水化石灰(熟石灰、消石灰)Ca(OH)2、生石灰(CaO)、白云石质生石灰(CaO·MgO)。由于组成成分和溶解性不同，它们提供的Ca(OH)2的量也不一样。生石灰一般以5.08～7.62 cm块状或粉碎块体(85%～90%粒径小于0.15 mm)的形式存在;生石灰水化时消耗大量的水是一个放热反应;熟石灰通常以粉末或者以粉浆的形式存在。不管以哪种形式，加入土系统中的熟石灰不再消耗额外的水分[20]。

石灰在土中的溶解率主要取决于颗粒的尺寸，因为较高的表面积、更细的颗粒会更快地溶解到溶液中去。较小浓度的钙离子能够把中性水的pH值从7提高到11。对于石灰-土的加固系统来说，保持一个高的pH值环境是很重要的，因为胶结材料只能通过长期的硬凝反应,而不是通过水化中产生的胶结混合物(发生在水泥中)来实现[20]。很多研究人员对石灰加固膨胀土的机理开展了大量的研究工作[13，20-43]。目前人们对于石灰加固膨胀土的机理有了一些统一的认识，主要为：离子交换作用，絮凝和结团、结块，硬凝反应，碳酸化作用，结晶作用，扩散性胶结，微观结构变化和矿物成分变化。

2.1　离子交换作用

离子交换是石灰与土接触时最早发生的反应。当石灰加入土中时，在土中水分的作用下，生石灰与水反应生成Ca(OH)2，进一步离解生成OH-和Ca2+。膨胀土孔隙水溶液中的Ca2+浓度大幅度增加，可以置换出蒙脱石等黏土矿物中吸附的主要水合Na+，其交换机理如图1所示，此反应式为

Na+—Al2[Si4O10](OH)2·nH2O+Ca2+→

Ca2+—Al2[Si4O10](OH)2·nH2O+Na+。

(1)

图1　离子交换 [20] Fig.1　Cation exchange [20]

由于Ca2+结合水膜的厚度要远大于Na+结合水膜的厚度，从而降低了黏土颗粒的水膜层厚度。另外，Ca2+带有的较多正电荷平衡了黏土矿物颗粒表面的负电荷，使得膨胀土的分散性、亲水性和膨胀性降低，塑性指数下降并易稳定成型，这是早期的强度增长的主要原因。这一机理在研究的早期已经被学者们[20- 27]认识到。尽管目前人们对于离子交换的定性认识已经比较深刻，但在相关文献中尚未有定量研究，如石灰加入土中，定量分析孔隙水中Ca2+含量的变化及黏土矿物吸附Ca2+含量变化将更加有助于清晰认识石灰改性膨胀土的机理。

2.2　絮凝和结团、结块

随着离子交换反应的进行，孔隙溶液中的电解质含量升高，环境中的pH值变大，双电子层的厚度减小，导致絮凝反应的发生[20-29]。絮凝指的是黏土颗粒从一个扁平的、平行的结构变成一个更加随机的边与面相接触的结构形式[11]。当絮凝的黏土颗粒开始在黏土颗粒的边-表面的交接面(界面)形成微弱的联结时会发生结团或者结块，因为在黏土颗粒界面有胶结性材料沉积发生。结团或者结块使得黏土颗粒从很细的状态形成更大的粒团，进一步改善了黏土的纹理。随着离子交换的进行，絮凝和结团、结块发生得相对较快，最显著的变化发生在混合后的几个小时内[20]。这种絮凝和结团、结块使石灰改性膨胀土早期的强度增长较快[29]。

2.3　硬凝反应

硬凝反应是石灰加固膨胀土过程中另外一个重要的过程，适用于石灰和水泥与土的系统。石灰在土中提高了所在系统的pH值，黏土颗粒中的氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)溶解在孔隙水溶液中。石灰溶于水中产生的钙离子和从黏土晶格中溶解的氧化硅和氧化铝结合形成胶结材料(水合硅酸盐：C—S—H和水合铝酸盐：C—A—H)[20-29]。另外S. Diamond等[30]认为Ca(OH)2直接与附近相邻的黏土表面反应，硬凝产物作为析出物形成。这2种凝胶能在水环境下硬化，在膨胀土的黏粒外围形成稳定的保护膜，具有很强的黏结力，形成网状结构，使石灰(水泥)加固土强度增长并保持长期稳定。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，这也有助于结团、结块的过程。基本的硬凝反应为

Ca(OH)2+SiO2→ C—S—H ；

(2)

Ca(OH)2+Al2O3→ C—A—H 。

(3)

硬凝反应发生得很慢，历时几个月甚至几年，能进一步强化改性的土并且进一步减少塑性和改善颗粒的级配[20-21]。加固剂必须在较长的时间内能够保持较高的pH环境，硬凝胶结对改善系统的强度和耐久性方面有影响作用[24-26]。M. Al-Mukhtar等[28]研究了温度对于石灰加固膨胀土的影响，发现在较高的养护温度条件下，石灰-黏土的活动性会得到提高，当温度从20 ℃增加到50 ℃，硬凝反应的速度会增加6倍。

2.4　碳酸化作用

Ca(OH)2和黏土矿物中释放出来的Mg2+在高pH环境下形成的Mg(OH)2在土中不断与空气中的CO2反应，生成具有较高强度的CaCO3和MgCO3等坚硬固体颗粒。由于CaCO3对土体的胶结作用使得土体加固，形成石灰稳定土，此作用过程相当长，对形成石灰改性膨胀土的后期强度具有重要作用[29，31- 32]。

2.5　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Ca(OH)2·nH2O结晶水的形式结晶，进一步提高了膨胀土的强度和水稳定性[20，26-27，29]。

2.6　扩散性胶结

扩散性胶结指的是石灰或者钙离子迁移到黏土块体中去。P. T. Stocker[33-34]认为0.5%的Ca(OH)2足够产生一层反应物，且当浸湿时能去除掉膨胀。假设硬凝反应开始发生在黏土颗粒的边缘，初始反应后，反应速度很快被抑制住了，因为初始层阻止了内部反应的进一步发生，导致钙离子浓度在孔隙液体中增加，提高了黏土内部和外部的化学势，致使钙离子向深层扩散。钙离子-黏土的反应易产生均匀的反应沉积物，从而产生均匀的胶结或者扩散胶结。反应产物沿着边缘的吸附作用和反应速度的抑制作用是扩散胶结的途径。

2.7　微观结构变化

膨胀土的胀缩变形与其微观结构相关，微观结构是决定和影响土的宏观工程力学性质极其重要的因素。如蒙脱石聚集体在扫描电镜(SEM)图像中呈现出弯曲而起皱的薄片状外貌，比表面积较大，这使得膨胀土和水的接触面积大，容易吸水膨胀。另外膨胀土中普遍发育有微孔隙和微裂隙，水分容易从这些缝隙中进入土体，从而引起土的体积膨胀。因此许多学者[21-22，28，35-41]开展了石灰改性膨胀土的微观结构变化和特征的研究工作。

图2　掺4%石灰膨润土试样的SEM图 [35] Fig.2　SEM of bentonite treated with 4% of lime [35]

张小平等[35]采用扫描电镜(SEM)分析了石灰改良土的团聚体骨架结构。如图2所示，团聚颗粒为圆形或椭圆形，团聚体之间的联结为胶结，石灰与细小颗粒的土直接拌合，形成均质混合体，有利于石灰与土的结合，微结构为链状结构，阻止土体膨胀的发生。同时采用表面吸附仪研究了石灰改性后膨胀土的比表面积、黏土矿物结构层间距、微孔体积和孔径的变化，揭示了膨胀土加石灰处理后胀缩性减小是由于黏粒微孔孔径的增大、比表面积减小、黏粒的活动性及亲水性下降和黏粒间链接力增大所致[36]。M. Al-Mukhtar等[28]采用SEM研究了石灰改性黏土颗粒形貌的变化，并发现Ca2+浓度在颗粒的边界最高。微观结构的变化会影响土的持水能力，从而改变了膨胀土吸水膨胀的性能。俞缙等[41]初步研究了吸水性和孔隙结构的关系。另外M. Mavroulidou等[42-43]初步开展了石灰改性膨胀土的土水曲线特征的研究。这些初步的工作尚未能完全描述石灰改性膨胀土的土水特征，仍需要开展相关的研究工作。另外，微观结构的分析，多停留在定性的角度，定量分析比较少，且微观结构的定量分析和宏观工程力学行为之间的联系比较少，需要进一步开展相关的工作。

2.8　土中矿物成分的变化

戴绍斌等[44-45]采用X射线分析和差热分析等手段对石灰改性膨胀土后的矿物成分变化进行了定性和定量的研究工作。从X射线分析图谱上能观察到X射线衍射模式的显著变化。加固土中碳酸钙的含量显著增加，而蒙脱石的含量则有所减少。

3石灰加固膨胀土对环境的影响

随着现在人们对于环保认识的提高，石灰加固膨胀土是否会对环境带来污染成为研究人员和工程师及决策者共同关注的问题。通常石灰的掺量很少，占土体质量的4% ～6%。石灰加入到土中，通过合适的混合和击实减少了直接暴露在环境中的石灰量。经过石灰与土的反应，只有很少量的石灰可能随雨水或者地表水流走。随着硬凝反应的进行，石灰被消耗掉，pH值由此反应控制。硬凝反应形成的硅铝酸钙凝胶的溶解度比石灰要低很多，击实的石灰加固土通常具有很低的渗透性(10-7cm/s)，这些综合作用使得石灰加固土对环境的污染影响很小。当有少量石灰被雨水或者地表水携带时，通过大量雨水的稀释作用，并与CO2相结合形成CaCO3，通过离子交换与周围的黏土和有机质发生作用，可以避免由于暴雨和渗析带来的污染问题[46]。目前文献中关于石灰对环境污染的报道非常少见。

4研究方向及展望

石灰加固膨胀土目前仍然在我国的基本建设工程中得到广泛的应用，其加固机理的研究也日益深化。石灰改变膨胀土的胀缩性与土的微观结构、物理-化学性质的变化，土的矿物组成的变化等密切相关，故可以从这些方面着手，进一步深化对石灰加固膨胀土机理的认识。

4.1　土中离子含量变化的研究

土的胀缩特性与土孔隙水中和土结构中离子含量的种类和数量密切相关。对石灰加固膨胀土进一步开展加固前后土中离子含量变化的定量研究，并与膨胀势的变化联系起来，以揭示土孔隙水和结构中离子变化对膨胀势的影响具有重要的价值和意义。

4.2　土的微观结构变化定量研究及其与宏观力学特性的关系

目前研究者采用SEM的方法对石灰加固膨胀土前后微观结构的变化进行了一些工作。但是定量地建立起微观结构变化的特征指标，把微观结构的这种变化与膨胀土宏观力学特性的变化联系起来则是值得开展的工作，也是宏-细观力学在石灰加固膨胀土方面的具体应用。

4.3　石灰加固膨胀土中吸力的变化

膨胀土的膨胀势与土中吸力密切相关，土中吸力表明了土有较高的持水能力，通常高膨胀性的土具有较高的吸力。因此，从石灰加固膨胀土中吸力的变化方面研究石灰加固膨胀土的改性机理是一个可采取的途径。

5结语

本文简单回顾了关于膨胀土膨胀的有关理论，重点总结论述了石灰加固膨胀土的机理及其研究现状，并对进一步开展石灰改性膨胀土机理的研究提出了一些观点和看法，指出应当在土的物理-化学性质、土的微观结构以及土中吸力的变化方面深入开展研究，揭示石灰加固膨胀土的机理。并从石灰加固机理的角度阐明了如果能进行合理的施工控制，石灰加固膨胀土不会产生环境污染问题。

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(编辑：黄玲)

A Review and Prospect on the Mechanism ofExpansive Soil Stabilized by Lime

ZHAO Hong-hua1,2，GONG Bi-wei3，ZHAO Chun-ji1,2，LIU Jun3

(1.Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian

116024, China; 2.Department of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian

116024, China; 3.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics & Engineering of MWR,

Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430015, China)

Abstract:Previous research results on the mechanism of expansive soil stabilized by lime are summarized. It is clear that cation exchange is the first reaction when lime is added into expansive soil, followed by flocculation and agglomeration. These reactions change the soil’s properties quickly. Pozzolanic reaction of lime and soil is a long-term process, which helps increase the strength of expansive clay. Carbonation and crystallization also contributes to the strength increase of expansive soil. Diffusion and cementation are the causes of interior changes in the soil. Microstructure and mineralogy changes are the internal causes of stabilization of expansive soils. Moreover, analysis on the quantitative cation exchange, quantitative microstructure change, and soil suction change of expansive soil during lime treatment would be new research focus. These investigations will further reveal the fundamental mechanism of expansive soil stabilized by lime. The review also indicates that the possible environmental pollution caused by lime stabilization can be ignored.

Key words: expansive clay stabilized by lime; stabilization mechanism; microstructure; mineral composition; pozzolanic reaction

2015,32(04):71-76