KCl溶液对安康膨胀土膨胀性影响的多因素耦合分析

翟志刚 雷胜友 袁文治 李思雨 陈雨菲 柳明宇

(长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

盐溶液改良膨胀土作为一种简易便捷绿色环保的化学改良方式，对于膨胀土的治理具有重要意义。在可溶性盐溶液改良膨胀土可行性描述中，存在研究表明K+、Na+等离子可以显著降低土体原始及固有黏结力[1]。关于K+作用机理的研究中指出由于所有常见的阳离子中K+具有最低的水化能，因而能较为强烈地抑制膨胀土的胀缩性[2]。在K+对膨胀土膨胀特性的研究方面，有研究曾针对K+与PVA协同作用进行过大量试验与深入讨论，该方法以K+与聚乙烯醇(PVA)合成剂作为改性材料，可以有效抑制膨胀土的膨胀性，但可能会造成土体污染等问题[3]。在化学改良后膨胀土相关指标的研究方面，有研究表明膨胀土经化学改性后成为非膨胀土，膨胀土的亲水性受到显著抑制，呈现出更优的水稳性[4]。

陕西安康膨胀土作为我国膨胀土典型分布区域之一，膨胀土呈零星和块状面积分布，分布不稳定但面积较广，其粉粒含量少于黏性含量，属于黏性土，安康膨胀土吸水膨胀、失水收缩的特性表现尤为明显，严重危害大量工程建设。

为探究不同浓度的KCl溶液对安康地区膨胀土膨胀特性的影响，进行了不同浓度的KCl溶液下的自由膨胀率的对比试验，得出经过不同浓度KCl溶液改良后的安康膨胀土与素膨胀土的膨胀特性变化并通过比较来确定其影响程度。以试验结果为基础，综合分析影响安康膨胀土膨胀特性的四种作用，通过四种作用的特征确定在不同浓度梯度内各种作用的主导地位。通过绿色环保的无机KCl溶液进行改良，有利于针对不同地区不同特性的膨胀土问题进行专门治理。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验用土的基本指标

试验所用土取自陕西安康市早阳村国道G316路段，土样主体为棕黄色黏土，裂隙发育，并且有白色填充物。选取典型的膨胀土标段K10+083～K11+003进行了基本物理指标试验，表1为安康膨胀土的基本物理性质指标。参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[5]进行了自由膨胀率的试验，在试验中对水溶液的条件稍作改动，下文将详细描述，试验表明该膨胀土自由膨胀率为63.8%，由《土的工程分类标准》(GB/T50145-2007)[6]相关规定，综合判定安康膨胀土为中强膨胀土。

表1 陕西康膨胀土的基本物理指标

1.2 试验方法

为了探究KCl溶液对于膨胀土膨胀性的抑制作用并确定K+对于膨胀性抑制的最优浓度，同时为避免Na+与K+相互干扰，试验未加入用以加速沉淀的NaCl溶液，仅加入选用的3%、6%、9%和12%四种浓度的KCl溶液，以素膨胀土土样为对照组进行自由膨胀率试验并对相关试验结果进行综合分析。3%KCl溶液为KCl晶体的质量占溶液总质量为3%，6%、9%、12%KCl溶液意义同上。

自由膨胀率试验：自由膨胀率是采用土样在蒸馏水中稳定后的体积增量与原体积增量之比，用以衡量土的膨胀潜势的指标，用以分析土的膨胀特性[7]。试验过程中，取代表性风干土样碾碎，使其全部通过0.5 mm筛，移入烘箱于105～110℃烘至恒量，取出并放置冷却至室温后，每次选取10 mL土样装入量土杯中，然后进行试验。试验中分别取4种浓度的KCl溶液，每组试验进行2组平行试验，取平均值作为最终结果[5]。

图1 自由膨胀率试验照片

2 试验结果及分析

2.1 膨胀特性的变化

4种不同质量分数的KCl溶液的改性土样的自由膨胀率数据如表2所示，由此绘制不同质量分数的KCl溶液的改性土与自由膨胀率的关系图(见图2)。由图2可知：随着KCl浓度的增加大，土样的自由膨胀率呈现先降低后升高再降低的波动趋势，与素膨胀土土样相比，自由膨胀率已大幅度降低。其中在3%、6%、9%浓度KCl的条件下，膨胀土由中等膨胀土变为弱膨胀土，并且在12%浓度KCl的条件下土样自由膨胀率达到最低值33%，变为非膨胀土。

表2 自由膨胀率试验结果

图2 自由膨胀率随KCl溶液浓度变化趋势

2.2 膨胀特性耦合作用的潜势影响关系式建立

从微观角度分析，膨胀土的膨胀潜势是由晶层扩张程度与孔隙间盐溶液浓度两个方面决定的[8-9]。一方面，晶层扩张是由黏土颗粒表面的水化膨胀引起的，随着水分子的不断渗入，晶层之间的水膜厚度不断增加，使得晶层扩张，在宏观上表现为膨胀土吸水膨胀。此类作用在此简记为“作用1(Q1)”。

另一方面，在相同初始含水率的条件下，随着盐溶液浓度的增加，黏土颗粒间的电解质浓度提高，K+置换黏土颗粒表面的阳离子，附着在黏土颗粒表面，使得大量黏土颗粒絮凝团聚，从而使得颗粒总表面积降低，吸水能力降低[10]，宏观上表现为土样体积减小。此类作用在此简记为“作用2(Q2)”。

在控制其他变量的条件下，由于所添加的盐溶液体积一致，可近似地认为水分子渗入晶格内的程度是一致的，即晶格扩张程度相同，因此在宏观上表现为各种土样的膨胀潜势是大致相同的。并且，随着盐溶液浓度的提高，黏土颗粒聚沉明显、吸水能力变小，宏观上表现为各种土样随着KCl溶液质量分数的提高其膨胀潜势逐渐降低。此外，由于晶层扩张程度受孔隙间盐溶液浓度的影响，即两者之间存在耦合关系，随着孔隙间盐溶液浓度的提高，晶格内溶液与孔隙间盐溶液之间的浓度平衡被打破，使得晶格内的水分子迁移至孔隙间溶液，抑制了晶层扩张趋势，此类作用在此简记为“作用3(Q3)”；由于自由膨胀条件下土样总体上无外荷载约束，在肉眼可见的维度上，随着溶液的不断渗入，土粒间距增大，土粒间由原先的球面—球面接触变为水层—球面接触，于是就促进了土样的膨胀趋势，此类作用在此简记为“作用4(Q4)”。

根据上述理论分析，便可较好地解释本研究得出的图2的试验现象，即随着KCl浓度的增加，土样的自由膨胀率呈现先降低(0～3.5%)后升高(3.5%～7.5%)再降低(7.5%～9%)的波动趋势的原因是：改良膨胀土的膨胀特性，是由上述“作用1、2、3、4”综合作用形成的，即膨胀土的膨胀潜势关系式如下：

式中：γ1、γ2、γ3、γ4为各作用产生的膨胀潜势相对于总膨胀潜势的分项系数。

2.3 膨胀潜势影响关系表达式的耦合作用分析

当KCl溶液浓度处于0～3.5%区间内时，晶层间的水膜厚度不足，由于KCl的加入使得黏土颗粒产生聚沉，此阶段Q1较Q2来说不显著，即γ1＜γ2，Q3、Q4可忽略不计，综合作用表现为土样体积减小。

当KCl溶液浓度处于3.5%～7.5%区间内时，晶层之间的水膜达到一定厚度，使得晶层扩张，同时盐溶液的不断渗入也促进了无约束土粒的间距增大，此阶段Q1、Q4较Q2显著，即γ1＞γ2，综合作用表现为土样吸水膨胀。

当KCl溶液浓度处于7.5%～12%区间内时，即KCl浓度增大到一定值后，晶格自身开始出现收缩，土样的膨胀特性得到了极大的抑制[11]，因此图中自由膨胀率曲线下降较快，此阶段Q2、Q3较Q1、Q4显著，土样宏观综合表现为土样体积减小。

图3 作用主导地位分布图

3 结论

(1)KCl溶液对膨胀土的膨胀性有明显的抑制作用，且不同浓度KCl溶液的抑制作用不同。添加浓度分别为3%、6%、9%的KCl溶液，改良后的膨胀土变为弱膨胀土；添加KCl的浓度为12%时，土样自由膨胀率达到最低值33%，变为非膨胀土。

(2)提出以晶层扩张理论和渗透理论为核心的安康膨胀土的膨胀潜势影响关系式，以及各作用产生的膨胀潜势相对于总膨胀潜势的分项系数。

(3)关于无机盐改良膨胀土的研究，本次只做了初步探索，关于相关影响作用的分项系数定量分析、作用程度等仍需进一步深入研究。