羟基铝改性分散性土的试验研究

2021-06-16杨玉婳姚海林

人民黄河 2021年6期

杨玉婳，唐红，姚海林，刘杰，岳婵

（1.武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉430065；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071）

分散性土在水的作用下极易发生崩解并散落成颗粒状，在我国特殊土塑性图的分布位置中分散性土处于膨胀土和黄土之间［1］，其渗透系数较小，防渗性能良好，但是抗水流冲蚀能力很低，极易造成堤坝管涌、路基失稳等工程危害。因此，对分散性土分布地区土体进行防治与改良是十分必要的。

目前，工程实践中对于分散性土大多采用添加石灰、水泥、粉煤灰等外加剂的方式进行改性。陈劲松等［2］对大坝分散性心墙料掺加不同配合比的水泥和生石灰进行改性，得出在水泥掺量为3%或者生石灰掺量为3%～5%的情况下，基本可以消除土料的分散性，并发现在掺加水泥和生石灰后心墙料能承受更高的水力比降。李华銮等［3］对堤坝的几种比较典型的分散性土进行改性后开展反滤试验，确定当生石灰剂量达到1.5%时，改性效果最佳。严应佳［4］采用粉煤灰对分散性土进行改性，分析了粉煤灰对土的分散性的改性机制，其研究表明粉煤灰对土的分散性、压缩性和抗渗特性有明显的改善作用，并建议实际工程中粉煤灰的掺量应控制在4%～10%之间。赵高文［5］采用AlCl3·6H2O、MgCl2·6H2O、CaCl2和CaO作为分散性土的化学改性材料，研究表明上述改性材料均可不同程度地降低土体的分散性能，并能有效地提高土体的抗冲蚀能力。

综上所述，在分散性土中掺入石灰对土的分散性有一定的抑制效果，但是土体中掺入一定量的石灰后，不仅提高了土体的pH值，而且使得土体容易产生裂缝。因此，有必要寻找一种更合适的添加剂对分散性土进行改良。研究表明，土的絮凝力感胶离子顺序为:Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+，由于钠离子的表面活性远大于铁、铝、钙离子，铝离子为三价离子，其絮凝力感胶效果比二价的钙离子好，且稳定性更优于钙离子，因此可利用铝的氢氧化物或氧化物代替石灰进行改性。羟基铝是一种带正电荷的氢氧化铝水合物，由氯化铝和氢氧化钠的产物水解而来，由于其能被紧密吸附于带正电荷的黏土颗粒表面，经过老化，形成牢固的水合氧化铝层，因此能有效防止土的分散。基于此，笔者以羟基铝改良分散性土为研究对象，采取针孔试验、碎块试验和双比重计试验，结合土样改良前后的物理化学性质，探究不同铝土比的羟基铝溶液对分散性土的改良效果及其改性机制。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

（1）土样。试验采用的土样选自东北某均质土坝桩号K84+600处，土样表面呈黑灰色，天然含水率为32.6%，土样的颗粒构成以黏粒和粉粒为主，按塑性图的分类方法属于高液限黏土（CH），其有机质含量为1.66 g/kg，pH值为9.12，呈强碱性。土中黏土矿物以蒙脱石为主，其成分比例为全土的22.16%，非黏土矿物以石英和钠长石为主。经针孔试验、碎块试验、双比重计试验、交换性钠离子百分比试验及孔隙水可溶性阳离子试验等分散性试验鉴定，其为典型的分散性土。土的基本物理化学性质、矿物成分组成见表1、表2。

表1 土的物理化学性质

表2 土的矿物成分组成

（2）羟基铝溶液。制备完成的羟基铝为溶液，呈无色透明状，主要成分为氢氧化铝及其聚合物，其制备原材料为AlCl3·6H2O、NaOH和蒸馏水（其中AlCl3·6H2O和NaOH均为分析纯），掺入分散性土中时以不同铝土比的羟基铝溶液与土样进行胶结。

1.2 试验方法

（1）分散性鉴别方法。对不同铝土比（铝离子的物质的量/分散性土的质量）的胶结土样分别进行针孔试验、碎块试验和双比重计试验，判断羟基铝溶液的改性效果。针孔和碎块试验均按最优含水率、压实度为0.95制备土样，针孔试验将土样制成直径为38.1 mm、高为38.1 mm的圆柱体，碎块试验将土样制成边长为1 cm的正方体，双比重计试验采用过孔径2 mm筛的风干土样，试验方法均参照《分散性土研究》中介绍的方法［7］和美国材料试验协会提出的分散性土鉴别方法［8-10］。

（2）羟基铝的制备试验和土的胶结试验。本试验根据羟基铝的最优合成条件［11］制备羟基铝溶液:总铝浓度为0.1 mol/L，反应温度为80℃、碱化度（OH-/Al摩尔比）为2.5、碱化率（NaOH溶液滴入速率）为50 mL/min。调节实验室温度为室温，将300 mL浓度为0.6 mol/L的AlCl3溶液加入到玻璃反应釜中，利用恒温水浴锅将反应釜的温度加热到80℃，使用滴定管以一定的速率（50 mL/min）向反应釜中滴加900 mL浓度为0.5 mol/L的NaOH溶液，并以一定的搅拌速率（250 r/min）进行充分搅拌。待NaOH溶液滴入完毕后，通过滴定管向反应釜中加入110 mL蒸馏水，将混合溶液继续搅拌20 min，制备完成后的羟基铝溶液需在室温下老化一周。

在胶结土样之前将分散性土风干、碾细并过孔径2 mm筛，然后将制备好并经养护后的羟基铝溶液以一定的铝土比和分散性土样混合，并充分搅拌10 min，常温下养护7 d。随后除去上清液，并将胶结土样风干、研磨、过筛后备用。

（3）其他试验。土体的相对密度、颗粒分析、阳离子交换量和pH值等试验均是按照《土工试验规程》［12］的要求进行的。

2 试验结果与分析

2.1 改性前后土样物理化学性质对比

改性前后土样的基本物理化学性质见表3。

（1）相对密度。研究表明，土粒相对密度大小范围有限，一般在2.6～2.8之间［13］，而且一般土粒的相对密度变化有限，然而从表3可以看出，改性后土体的相对密度显著降低，已经远远低于一般土体的相对密度。随着羟基铝铝土比的增大，土粒相对密度越来越低，可能是由于羟基铝溶液的加入导致土颗粒之间的连接增强，土粒粒径明显增大，因此相对密度越来越小。

表3 改性前后土样的物理化学性质

（2）颗粒组成。土的颗粒组成属于土的基本参数，从颗粒组成的测试结果来看，改性后土体的粉粒含量显著增大，黏粒含量明显减小。改性后土体中的粗颗粒含量逐渐增大，细颗粒含量逐渐减小，表明土的比表面积减小，亲水性变弱，土颗粒与水分的接触面积减小，土粒的分散程度降低，土粒相互聚集形成相对紧凑的絮凝结构，证明了羟基铝及其聚合物对黏土颗粒具有“团聚”“胶结”作用，从而使黏粒聚凝成团，造成粗粉粒含量增大而黏粒含量减小，比较直观地证明了羟基铝溶液对分散性土颗粒大小改变的效果。

（3）pH值。pH值是表征土壤化学性质的重要指标，也是影响土体分散性的重要因素之一。改性前土体的pH值为9.12，呈强碱性，改性后土体pH值随着铝土比的增大而降低，土体由强碱性变为弱碱性，这说明羟基铝溶液从分散性土的本质因素上改变了分散性土存在的环境。有关研究表明，pH值可作为鉴别分散性土与非分散性土的辅助指标［14］。因此，从pH值的角度来看，羟基铝溶液对于分散性土有很好的改良效果。

（4）阳离子交换量。阳离子交换量（CEC）是土体基本物理化学性质之一，是度量土样对溶液中的阳离子交换吸附性能强弱的指标［6］，可反映土中黏粒含量和黏土矿物成分，在一定程度上反映土的物理化学特性，对于颗粒越破碎或越细小的土体，其表面上矿物成分越丰富，可提供离子交换的机会越多，其阳离子交换量就越大。经羟基铝改性后的分散性土阳离子交换量显著降低，表明改性后分散性土解理的晶面和结合水膜厚度减小，土体的水化作用减弱，亲水性和膨胀性也有所减弱。

2.2 分散性鉴别结果对比

对不同铝土比的羟基铝溶液处理过的胶结土样分别进行针孔、碎块和双比重计试验。分散性鉴别结果见表4。

表4 改性前后土的分散性鉴别结果

（1）针孔试验（见图1）。改性前的土进行针孔试验后，最终针孔孔径约为5 mm，水色很浑浊，呈深灰色，为典型的分散性土；加入羟基铝溶液改性后，当铝土比为0.08 mmol/g时，最终针孔孔径约为3 mm，水色呈稍浅的灰色，为分散性土；铝土比为0.10 mmol/g时，最终测量的针孔孔径约为2 mm，水色比较浑浊，属于分散性土；铝土比为0.20 mmol/g时，最终针孔孔径约为1.5 mm，水色稍浑浊，呈浅灰色，鉴定为过渡性土；铝土比为0.40 mmol/g和0.60 mmol/g时针孔孔径无明显变化，水色清澈不浑浊，杯底伴有少量的土颗粒，经判别为非分散性土。

针孔试验反映了土壤颗粒所能承受水流的冲蚀能力，其试验结果可直接定性鉴别试样的分散性能。从针孔试验的鉴别结果来看，羟基铝溶液对分散性土的改性有明显改善的趋势，证明羟基铝溶液是一种良好的分散性土壤改良剂。

图1 针孔试验土样

（2）碎块试验（见图2）。改性前的土块在碎块试验时没有出现崩解现象，但在土块的周围出现明显的“云雾状”并扩散到整个杯底，而且水色许久不清，这是典型的分散性土的特征；在加入羟基铝溶液处理后，土块在碎块试验时只发生不同程度的崩解，在铝土比为0.08、0.10 mmol/g时，土块部分发生崩解，而在铝土比增大为0.20、0.40、0.60 mmol/g时，土块发生完全崩解，但是自始至终水色没有出现明显的浑浊现象，鉴别结果均为非分散性土。

图2 碎块试验土样

碎块试验基于胶体化学的基本观点，认为某些黏性土在水中产生分散性是由于胶体颗粒的析出，因此采用胶体析出的程度不同作为鉴定标准［7］。土壤胶体在一定条件下可以分散或凝聚在介质中，这种凝聚一般是在阳离子的作用下产生的，不同阳离子的凝聚能力为由碎块试验的结果来看，在羟基铝溶液掺量很低的时候改良即有明显的效果，原因可能是羟基铝溶液的加入，使土壤中铝离子的含量瞬间增大，而铝离子具有很强的絮凝感胶能力，这增大了土壤胶体的凝聚作用。随着羟基铝掺量的增大，铝土比为0.20 mmol/g时土块发生崩解的程度开始变大，这是由于改性后的土样黏粒含量越来越小，粉粒含量越来越大，土样呈粉土化，因此遇水极易发生崩解。

（3）双比重计试验。在进行双比重计试验时，改性前的土体在加入分散剂和不加入分散剂时的黏粒含量分别为47.0%和36.5%，分散度为77.7%，由双比重计试验判别标准鉴定为分散性土（分散度＞50%）。改性后的土体分散度随着羟基铝铝土比的增大逐渐降低，土样由分散性土转为过渡性土再转为非分散性土。在铝土比为0.08 mmol/g时，土体由分散性土转为过渡性土（分散度为30%～50%），在铝土比为0.60 mmol/g时，土体由过渡性土转为非分散性土（分散度＜30%）。

双比重计试验是依据土体加分散剂前、后黏粒含量的比值对分散性土进行分类的，而从前文中羟基铝溶液改性前后土体颗粒分析的结果可以得知，羟基铝溶液对土体颗粒大小的改变有明显的作用。因此，加入羟基铝溶液的土样双比重计试验的结果显而易见，即羟基铝溶液对分散性土的分散程度有明显的抑制作用，表现为土体的分散度随着铝土比的增大而逐渐减小，且在一定程度上定量反映了土的分散度与铝土比之间的相关关系。

由以上分散性鉴别试验的结果可以看出，几种分散性鉴别结果不尽相同，原因是这3种分散性鉴别试验都有各自的适用条件，影响因素也各不相同，以往关于分散性土的研究也存在类似的结果［15］。但对3种鉴别试验分别进行分析并结合土的物理化学性质可知，羟基铝溶液对土的分散性确实有明显的抑制作用，并且随着羟基铝铝土比的增大，这种抑制作用有逐渐增大的趋势。因此，综合3种分散性鉴别试验结果可以得出，土样在羟基铝铝土比为0.2～0.4 mmol/g时完全表现为非分散性土的性质。

2.3 土样分散的原因及羟基铝作用机理分析

（1）土样分散的原因分析。根据土样的物理化学和矿物性质可知，土体有较高的pH值和交换性钠离子含量，当土样的pH值较高时，黏土矿物表面会产生较多的负电荷，若此时土中含有大量的阳离子如Na+，则大量的钠离子会吸附到土颗粒表面，使得土颗粒间双电层变厚，晶体扩散的排斥力大于吸引力，净势能表现为排斥力，土体便会被分散。

（2）羟基铝与分散性土的作用机理分析。随着羟基铝溶液的加入，土粒相对密度明显减小、粒径变大、阳离子交换量变小等结果都表明了羟基铝溶液与土样的胶结、团聚等作用，另外高价阳离子Al3+浓度增大，Na+的浓度降低，且三价离子的扩散双电层厚度比一价离子的小，高价的Al3+进入晶层之间或颗粒间隙后，单个颗粒或相邻颗粒表面的双电层厚度变薄，颗粒间吸引力增大，斥力减弱。此外，羟基铝溶液能有效降低土壤的pH值，使得黏土矿物边缘的两性氧化铝表现为正电性，与带负电荷的土颗粒相互作用，导致颗粒从悬液中絮凝，土样的分散性逐渐降低。