兰州新区灰土次生盐渍化机理

冯炳超，高 萍，袁 宁，田小朋，岳冠宇

（甘肃省建筑科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

2012 年以来，兰州中川机场［1］、兰石厂、兰州新区舟曲中学等场地，竣工不久后室内及室外地坪、散水出现了较严重的膨胀鼓起现象，最大膨胀量超过了 20 cm。膨胀造成了很大的经济损失，如舟曲中学治理室外膨胀的费用约 3 600 万元，兰州新区某道路灰土路基膨胀造成的损失超过了 3 000 万元，类似的工程病害在兰州新区越来越多。

为了查明兰州新区地基土盐渍化及膨胀的机理，课题组于 2016 年对兰州新区的灰土膨胀病害进行了调查，2017 年 2 月开始了试验研究，于2019 年 2 月～ 2020 年10 月对兰州新区灰土膨胀病害的机理和预防进行了研究。通过掺试剂对土壤离子的交换作用进行了试验验证，试验结果验证了离子交换作用是灰土次生盐渍化的主要原因。

1 膨胀病害及盐渍化调查

1.1 兰州新区原状地基土易溶盐状况调查

根据 2010～2019 年间兰州新区众多的工程勘察积累和总结，发现兰州新区地基土大部分为非盐渍土和弱盐渍土，局部夹薄层中盐渍土。兰州新区原状粉土、粉质黏土层土中硫酸根离子含量较高，很多场地地基土中硫酸根离子含量在 1 000 mg/kg 以上，局部有 2 000 mg/kg以上的夹层。硫酸根离子及易溶盐总量明显高于兰州其它地区。pH 值为 7.1～9.3，也高于兰州其它地区。按易溶盐含量划分，兰州新区地基土为非盐渍土或弱盐渍土，仅局部夹中盐渍土薄层。但兰州新区的原状土未发现膨胀病害发生。根据统计发现，兰州新区地基土易溶盐含量差异大，分布不均，各地主要易溶盐离子量统计如表 1 所示。

表1 兰州新区场地土易溶盐指标统计表

1.2 兰州新区灰土膨胀病害及盐渍化调查

1.2.1 中川机场

中川机场 T2 航站楼于 2013 年 7 月完成地坪施工，2013 年 12 月发生了室内地面膨胀病害，病害发生后甲方组织施工单位分别于 2014 年 1～8 月、10～11 月、12 月进行了 3 次返工治理。这 3 次返工时仍使用了灰土垫层并严格分层压实，返工后很快再次发生病害，严重影响了机场的正常运营。该场地原状土和膨胀灰土的检测情况如下所述。

1）兰州机场 T2 航站楼地基土易溶盐含量偏高，地基中存在盐渍土夹层，且各处盐渍土埋深不同。场地原状土中存在弱盐渍土，未发现原状土膨胀鼓起现象。

2）取样检测发现膨胀灰土全盐渍化了，所有灰土已成为盐渍土，膨胀持续时间长，膨胀量很大。灰土中的易溶盐成分主要为硫酸钠和硫酸镁，为硫酸盐盐渍土，硫酸钠起膨胀的主要作用。灰土盐渍化的程度随时间在变化，其易溶盐含量和成分都随时间有变化，尤其是 SO42-变化剧烈，说明盐类在持续发生位置迁移并持续发生反应。石灰和土拌合碾压后土中出现了高含量的硫酸盐，检测时不能确定是石灰自身带来的盐还是石灰与土发生反应生成的盐。

1.2.2 舟曲中学

兰州新区舟曲中学为舟曲泥石流灾后易地重建项目，项目位于兰州新区中川街南侧，于 2012 年 9 月建成投入使用。使用后陆续发现建筑周边散水、室外地面、操场等逐渐大面积膨胀，最大膨胀量达 28 cm。据现场实地调查，发生膨胀的地段地面下全施工了灰土垫层。素土回填区及原状土均未发现膨胀病害。对膨胀的灰土和场地内原状土取样进行了易溶盐试验和对比，对比结论如下所述。

1）膨胀灰土中 OH-、CO32-、SO42-、Ca2+、K++Na+离子和易溶盐总量显著大于场地原土，可见石灰的掺入导致土壤易溶盐含量显著增大；灰土 pH 值升高至 11～12，石灰的掺入导致土壤碱性增强，膨胀灰土全部盐渍化；膨胀灰土中 Cl-、Mg2+含量变化微小，表明石灰的掺入对 Cl-、Mg2+含量影响不大。

2）舟曲中学原土未发生膨胀病害，建筑物地基未发生膨胀病害。

1.2.3 兰州新区兰石厂

兰州新区兰石厂于 2012 年开工，2013 年建成投入使用，2014 年陆续发现部分散水、个别厂房室内地坪及一处室内设备基础发生了较大的膨胀鼓起病害，最大膨胀量超过了 20 cm。根据实地调查发现，发生膨胀的地段地基均为灰土垫层。素土垫层、砂石垫层和场地内的原土地段均未发现膨胀病害。发生膨胀病害的地段全施工了灰土垫层，说明兰州新区兰石厂的原土和石灰掺合后才产生膨胀，原土自身不产生膨胀病害。部分厂房室内地坪发生了较严重的膨胀，厂房内有一个采用了灰土垫层的设备基础发生了膨胀病害，导致基础明显上升，厂房内也发生了明显膨胀，说明蒸发、降雨、冻胀等气候因素不是灰土膨胀的主要影响因素或决定因素。设备基础发生膨胀说明膨胀具有一定的膨胀力。

1.2.4 兰州新区某道路路基膨胀病害

2018 年，兰州新区某道路竣工后不久，发现一段道路出现了波浪形膨胀鼓起病害，据实地查看出现病害的地段其路基采用了灰土碾压垫层，采用素土碾压处理的路基未发生膨胀病害。

1.2.5 兰州新区灰土膨胀病害共同特点总结

1）兰州新区原土为非盐渍土或弱盐渍土，地基土含盐量偏高，局部夹薄层中盐渍土，地基土含盐量不均匀，兰州新区的原土尚未发现膨胀病害。

2）目前发现的膨胀病害均发生在灰土垫层地基、灰土路基、或采用灰土垫层的设备基础中。

3）兰石厂、兰州中川机场 T2 航站楼室内地坪发生了膨胀，说明气候不是引发膨胀的主要因素和决定性因素。对膨胀灰土取样检测其全部盐渍化，灰土中含盐量大幅增长。

4）GB 50046－2008《工业建筑防腐蚀设计规范》4.7.2 条规定土中含有氢离子或硫酸根离子介质时不应采用灰土垫层、石灰桩、灰土挤密桩等。但几乎所有的土均含有硫酸根离子，且大部分土采用灰土后并不发生膨胀，规范对地基土含多少硫酸根离子便不能采用灰土垫层并未作说明，因此尚无法依据规范条文确定是否可选用灰土垫层。目前设计单位一般是对中腐蚀（SO42-＞4 500 mg/L）以上的地基土不采用灰土垫层，微腐蚀条件下仍采用灰土垫层，但根据工程实践发现，兰州新区微腐蚀条件下的灰土不能排除膨胀病害发生的可能。

2 室内试验及次生盐渍化原理分析

根据大量实地调查发现兰州新区的膨胀病害均发生在灰土层中［2］，故首先进行了土掺石灰等后再分析掺和样品的易溶盐试验。

2.1 原土掺石灰试验

通过原土掺入石灰后和原土进行易溶盐试验对比发现［3］，土掺入石灰后样品中的 SO42-和 CO32-及 Na++K+、Ca2+等易溶盐离子含量均大幅增加，具体如表 2 所示。

表2 原土与原土掺石灰后易溶盐含量对比表

通过实验数据看出原土中 SO42-、Ca2+、Na++K+和易溶盐总量较小，而加入石灰后土样中 SO42-、Ca2+、Na++K+和易溶盐总量都显著增大。掺灰 30 d 时 SO42-、Ca2+、Na++K+和易溶盐总量达到峰值。掺灰 60 d 时 SO42-、Na++K+和易溶盐总量比 30 d 时有降低，对比情况如图 1、图 2 所示。

图1 原土和原土掺石灰后阴离子对比图

图2 原土和原土掺石灰后阳离子对比图

2.2 原土掺氢氧化钙、氢氧化镁试验

为了查明土与石灰掺和后，掺和土样品中 SO42-等易溶盐离子量大幅增加的原因是因石灰中的 Ca（OH）2引起的还是因石灰中的杂质（含硫化物）引起的，进行了土掺纯 Ca（OH）2后的易溶盐试验。

熟石灰的有效成分为约 80 %～90 % 的 Ca（OH）2和约 5 % 的 Mg（OH）2，并含有 10 %～20 % 的矿物杂质（杂质中硫化物一般为 SO3，JC/T 479－2013《建筑生石灰》标准 5.1 条规定石灰中 SO3含量≤2 %，见图 3）。由于石灰的成分复杂，所以掺石灰后进行易溶盐分析尚不能判断引起掺和样品中易溶盐大幅增加的原因是石灰中 Ca（OH）2和 Mg（OH）2引起的，还是因石灰中杂质或硫化物引起的。为了查明这个问题，设计了 2 组样品（样品取自兰州新区舟曲中学，1 组土样掺 Ca（OH）2，2 组土样掺 Ca（OH）2与 Mg（OH）2的混合物，3 组土样掺石灰）掺纯度为＞99.9 % 的化学纯试验，并与 3 组掺石灰的土样品进行对比。

图3 石灰和氢氧化钙成分对比示意图

掺和后均进行易溶盐分析，通过对比发现，掺纯Ca（OH）2后易溶盐离子与掺石灰后易溶盐离子的含量增幅均很大，且易溶盐的增幅几乎在同一数量级上，多数离子数量非常接近（见图 4）。因此，也说明灰土样品中易溶盐离子大幅增加的原因是由于石灰中的 Ca（OH）2引起的，易溶盐大幅增加是由于 Ca（OH）2和土体发生的作用；这间接说明了石灰中杂质及 SO3不是造成掺和样品中易溶盐大幅增加的原因。

图4 加入不同试剂土样易溶盐含量对比

通过离子数量对比发现，掺入纯 Ca（OH）2和掺入石灰（成分为 Ca（OH）2+杂质+少量 S）后土中 SO42-、易溶盐总量等几乎在同一个数量级上，离子数量相差很小，这说明兰州新区灰土次生盐渍化是石灰中主要成分 Ca（OH）2引起的，不是石灰中的杂质或石灰中 SO3引起的，也不是因为石灰的质量问题或石灰等级问题引起的次生盐渍化。

2.3 原土掺硫酸钙试验

为什么掺 Ca（OH）2后掺和样品的易溶盐含量会大幅增加呢？Ca（OH）2和土发生了什么作用？这还需通过试验来说明。从化学反应原理中发现，Ca（OH）2进入土壤后，会和土壤中 SO42-生成 CaSO4，其也可能引起膨胀。在实验室进行土掺 CaSO4后易溶盐试验。土掺入 CaSO4后，掺和样品中易溶性的 SO42-、Ca2+及易溶盐总量大幅增加，Na++K+也有一定增长（见图 5）。

图5 舟曲中学素土同加 CaSO4 后土样易溶盐对比

CaSO4在农业上常用于碱性盐渍土的治理改良剂，其改良原理是 Ca2+可交换土壤胶体中吸附性的 Na+、K+，Na++K+被 Ca2+置换到土壤溶液中会导致土壤碱性增强，进而土胶体中被吸附的吸附态的 SO42-会被解吸到土壤溶液中成为易溶性 SO42-，农业上在通过灌溉流动水洗去土壤中的易溶性 SO42-离子。

2.4 掺石灰或 Ca（OH）2 后掺和样品易溶盐大幅增加的机理

2.4.1 土壤胶体离子交换原理

根据土壤的三相组成原理，土壤固体中的胶体颗粒是土壤中最活跃的固体成分。胶体是指粒径为 1～100 纳米的颗粒，胶体具有吸附性和离子交换作用。吸附性是指带电胶体土颗粒能吸附土中离子。离子交换作用是指胶体土颗粒上吸附的离子能与土壤中其它同电荷的离子发生离子交换作用，达到动态平衡。这种以物理吸附为基础，又和化学反应相似的特征称吸附或离子交换作用（见图 6）。土壤胶体所能吸附的各种阳离子总量称为阳离子交换量（CEC，又称土壤交换性盐基），即土壤吸附的碱金属和碱土金属离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）的总和。

图6 土壤胶体离子交换示意图

离子交换的过程也叫作离子吸附与离子的解吸。离子的吸附指离子从土壤溶液中转移到土壤胶体颗粒上；离子的解吸为吸附在胶体上的离子转移到土壤溶液中。离子的吸附和解吸的过程是可逆的、动态平衡的。当吸附到胶体表面上的离子与溶液达成平衡后，如果再掺入石灰或其它试剂，导致平衡改变，土胶体吸附的离子会解吸到土壤中，这种解吸作用直至建立新的平衡。

兰州新区发生灰土膨胀的场地，地基土壤胶体中吸附着大量的碱金属离子，这些离子平时被土胶体颗粒吸附而不溶于水，易溶盐试验无法测到吸附态的盐离子。当掺入石灰、Ca（OH）2、CaSO4等后发生了离子交换作用，即掺入物导致土壤胶体颗粒解吸出易溶盐离子。具体交换作用是Ca2+从土壤胶体中交换出大量的 Na+离子到土壤溶液中，一个 Ca2+可交换两个 Na+得到交换性钠（见图 7）。故掺入石灰、Ca（OH）2后 Na+、K+含量的增加是由于石灰或掺入物中的 Ca2+、Mg2+将土壤胶体中的 Na+、K+置换了出来。

图7 土壤阳离子交换示意

2.4.2 阳离子对土壤胶体的凝聚力

吸附性阳离子饱和的土壤，呈中性或碱性，称为岩基饱和土壤；阳离子饱和度小的土壤呈酸性。饱和度越高，离子与胶体的结合能越低，被代换到土壤溶液中的机会越高。通过盐基试验发现，兰州新区土壤离子的阳离子饱和度较高（见 2.4.3 节）；掺入石灰或掺入氢氧化钙后其中的 Ca2+、Mg2+导致土壤盐基饱和，离子与胶体的结合能降低，故掺入石灰后土壤吸附的离子被代换到土壤溶液中的机会就快速提高。

2.4.3 土壤盐基试验对比

为了查明兰州新区膨胀场地舟曲中学吸附态阳离子的含量，取灰土膨胀场地舟曲和灰土不膨胀场地彭家坪的土样进行了阳离子含量对比试验。根据中国农业科学院土壤实验室对样品中阳离子含量的测定发现（见表 3），兰州新区灰土膨胀场地（新区舟曲中学）地基土中 Na+的含量远高于非膨胀场地（彭家坪）地基土中 Na+含量，即膨胀场地的阳离子饱和度较高。兰州市彭家坪在实际工程中尚未发现过灰土膨胀案例，而兰州新区舟曲中学发生了严重的灰土膨胀病害。从盐基试验对比可知，舟曲中学地基土中 Na+含量远高于彭家坪的地基土，Na+含量高时，加入石灰后由于钙离子交换出更多的可溶性 Na+，可溶性 Na+被置换出来后，Na+增加了土壤的碱度，造成地基土碱化，土壤 pH 值大幅升高。

表3 阳离子含量试验结果

土壤碱度，主要来源于土壤中交换性钠水解所产生的 OH-以及强碱盐 Na2CO3、NaHCO3的水解，此外土壤胶体上交换性钠离子的相对数量也决定着土壤碱度，土壤碱比度如式（1）所示。

2.4.4 阴离子交换性能

土壤阴离子交换量（AEC）指土壤胶体能吸附的各种阴离子的总量，以每千克土壤中所有阴离子物质的量（mol/kg）表示。

1）易被土壤吸收、吸附的阴离子。

易被土壤吸收的阴离子有磷酸根（H2PO4-、HPO42-、PO43-）、硅酸根（HSiO3-、SiO32-）及某些有机酸阴离子（如草酸根、柠檬酸根等）。通常这些酸根离子是与阳离子反应生成不溶性化合物而沉淀在土粒表面，并不是离子交换吸附作用。

2）很少或根本不被吸附的阴离子。

有些离子不被土壤吸收，很容易随水流失，如氯离子（Cl-）、硝酸根离子（NO3-）、亚硝酸根离子（NO2-）等，这些离子在土壤中和阳离子结合都是易溶盐类，而且不被带负电土壤胶体所吸附，甚至出现负吸附，极易随水流失。

3）介于上述两者之间的阴离子。

如SO42-、CO32-、HCO3-及某些有机酸阴离子，土壤胶体可吸附，但吸附这些离子的能力很弱，故容易发生离子交换作用。

4）影响土壤对阴离子吸附的因素。

阴离子的价数越大，吸附力越强。土壤对一些常见阴离子的吸附力的大小顺序为：NO3-＜Cl-＜SO42-＜CH3COO-＜H2BO3-＜HCO3-＜PO43-＜OH-。OH-是个例外，虽为一价离子，但土壤对它的吸附力很强。这是因为 OH-离子半径小，并能同土壤中带正电荷胶粒的双电层中的铁、铝离子结合，生成解离度很小的化合物。故石灰掺入土壤后，生成了 OH-，OH-很容易将胶体吸附的硫酸根离子交换出来。土壤胶体中组成成分中铁、铝氧化物增多，土壤吸收阴离子的能力也逐渐增大。

土壤 pH 值变化会引起胶体电荷改变。碱性增强，增大负电荷量；而酸性增强，则正电荷增多。因此在酸性条件下，土壤胶体吸附阴离子的能力增大；在碱性条件下，吸附力则减弱。掺入石灰后，阳离子交换作用使土壤碱性增强，从而使土壤胶体吸附阴离子的能力变弱，即土壤胶体吸附硫酸根离子的能力变弱，胶体吸附的 SO42-被大量解吸了出来。因此掺入石灰、Ca（OH）2等后 SO42-大幅增加。另外，土体 pH 值的高低影响着离子的交换能力，pH 值越高土体中 SO42-离子越容易交换。

土中掺入石灰后，由于 pH 值增高，增加了 SO42-的交换能力，导致原来被土壤胶体吸附的 SO42-离子被解吸了出来。SO42-含量升高和 Na+含量增加导致土壤溶液中硫酸钠的含量增加，这是造成地基土膨胀的主要原因之一（Na2SO4吸水后体积膨胀 3.1 倍）。

2.4.5 土壤中矿物对离子交换的影响

新区的膨胀病害土主要为黄土，黄土的矿物成分约有 60 多种，其中以石英（约 50 %）、长石（约 20 %）、碳酸盐类（约占 10 %）和黏土矿物（包括伊利石、高岭石、绿泥石、蒙脱石等）。蒙脱石由于具有巨大的内表面、较大的表面能和负电荷，其吸附的离子主要是在晶层间，因此土壤中蒙脱石对阳离子的吸附力强，离子交换性差，加入石灰等后从蒙脱石中交换出的离子数量少（见图 8）。

图8 蒙脱石吸附的离子示意图

而高岭石负电性弱，吸附的离子主要在晶层外表，外层吸附的离子多（见图 9），故容易被交换。而兰州新区的黄土均含有蒙脱石和高岭石，土壤中高岭石吸附的离子交换性强，易被交换，不同地点的次生盐渍化程度不同，不能排除其与土壤中矿物含量（尤其是高岭石）的影响。

图9 高岭石吸附的离子示意图

3 兰州新区灰土次生盐渍化的原因

1）兰州新区的地基土含盐量偏高，原土主要为非盐渍土和弱盐渍土，局部夹薄层中盐渍土，含盐量不均匀，原土尚未发现膨胀病害。兰州新区目前发现膨胀病害的均为采用了灰土垫层的散水和地坪、采用了灰土垫层的路基及个别以灰土为地基的设备基础，即新区的黄土状土和石灰掺和后，在上覆压力小的散水、地面、路基上出现了膨胀病害。另发现一例厂房内设备基础下灰土垫层地基发生了膨胀病害。

2）兰州新区地基土中含有较多的吸附性离子，当土中掺入石灰或 Ca（OH）2等后，地基土固体颗粒中胶体颗粒吸附的 SO42-、Na+等很容易被交换至土壤溶液中，交换作用使灰土成为次生盐渍土。而土壤胶体吸附的 SO42-、Na+在不掺试剂或石灰时其吸附力较强，而易溶盐试验时，是先按土水 1∶5 搅拌后制作浸出液，然后检测浸出液中的易溶盐，故通过易溶盐试验不能检测出土中吸附态的离子。

3）通过掺石灰和掺纯 Ca（OH）2后样品中 SO42-、Na+及易溶盐总量的对比发现，兰州新区灰土次生盐渍化的原因是石灰中主要成分 Ca（OH）2引起的离子交换作用，不是因为石灰中杂质或 SO3的影响，石灰中杂质及硫元素不是引起灰土盐渍化的原因；兰州新区石灰的质量或石灰等级也不是引起盐渍化的原因，故外购石灰或提高石灰等级并不能避免灰土的盐渍化。

4）石灰和土掺和后，石灰中主要成分 Ca（OH）2与 Ma（OH）2中 Ca2+和 Mg2+对土壤胶体中 Na+的交换作用及硫酸根离子被交换出来是兰州新区灰土盐渍化的主因，是灰土中易溶盐迅速增加的主要内因。

5）浸水、蒸发、毛细水上升、冻胀等引起的盐分迁移是辅助外因，室内灰土地坪、灰土基础也发生了膨胀病害，说明辅助外因不起决定性作用。

6）石灰中的 Ca（OH）2还能使土中胶体颗粒分散，导致更多的吸附性 Na+被 Ca2+置换了出来，掺入导致置换出更多易溶盐离子，Na+增加引起土体碱性增强，形成次生盐渍土。

7）土壤中的矿物成分对离子的吸附与解吸作用不同，土壤中矿物含量差异及吸附的离子含量对离子交换作用有较大影响。

4 结语

本研究查明了兰州新区灰土盐渍化的原因是由于石灰中 Ca（OH）2引起的离子交换作用，石灰中杂质及硫及石灰等级不是引起灰土盐渍化的原因，Ca（OH）2中 Ca2+对土壤胶体中 Na+的交换作用是兰州新区灰土盐渍化的主因，Na+增加引起土体碱性增强，是灰土易溶盐迅速增加的主要内因。浸水、蒸发、毛细水上升、冻胀等引起的盐分迁移是辅助外因，外因作用不起决定性作用。后续研究宜结合农业上土壤的研究成果，进行 CEC 对比试验，查明不同地域的土质吸附的阴阳离子总量的差异，并指明离子总量与灰土膨胀病害的关系。Q