仿岩溶碳酸氢钙改良膨胀土试验研究

邱维钊，杨秀娟，陶 然，樊恒辉，赵文赫，刘 昊，刘翼飞

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

1 研究背景

膨胀土中的黏土矿物成分主要是蒙脱石，它对环境变化，特别是湿热变化敏感，其反应是吸水膨胀和失水收缩，产生膨胀压力[1]。含有膨胀土的路堤、地基或边坡通常会发生基础沉陷、建筑物变形开裂、边坡崩塌等工程地质灾害，给人们的生命财产带来巨大的损失[2-3]。为了满足膨胀土地区工程建设的需求，需要对膨胀土进行加固改良。目前处理膨胀土的方法主要是化学改性[4]，常见的改性剂有石灰、水泥等[5-6]。但这些土壤固化材料在生产及工程应用中，容易对生态环境造成污染破坏，而且往往由于搅拌不均匀造成改良效果不好[7-8]。为此，人们又相继研发了离子型土壤固化剂、微生物诱导碳酸钙沉积[9-11]等技术来改良特殊土的工程性质。含钙离子土壤固化技术改良膨胀土的机理都涉及到具有胶结性的碳酸钙晶体生成于土体之中，依靠碳酸钙的胶结作用来达到加固土体的目的，如石灰加固和微生物诱导碳酸钙沉积技术。这些方法均能达到良好的加固效果，但也存在着一定的问题，如传统的含钙离子土壤固化技术发挥作用的碳酸化作用需要的时间较长[12-13]，微生物诱导碳酸钙沉积受环境以及培养液等条件限制较多[14]。本研究从自然界钟乳石和黄土中钙质结核的形成机理出发，提出了一种环境友好型的土体加固技术，即仿岩溶碳酸氢钙加固土体的技术(Calcium Bicarbonate from Pseudo-Karstification，简称CFPK)，进行了自由膨胀率、无荷膨胀率、收缩、直接剪切、酸碱度和碳酸钙含量测定、粒度分析和扫描电镜试验，以期探明CFPK改良膨胀土的效果及作用机理。

2 试验材料与方法

2.1 试验土样

试验用土取自陕西省汉中市洋县汉江二级阶地，取土深度2 m以下，土样触感腻滑，呈灰白色。土样基本物理性质指标见表1。

表1 土样基本物理性质Table 1 Basic physical properties of soil sample

2.2 仿岩溶碳酸氢钙溶液的制备

仿岩溶碳酸氢钙溶液的制备装置包括一个供气设备和一个耐压容器，制备装置示意图见图1。

图1 仿岩溶碳酸氢钙溶液的制备装置示意图Fig.1 Diagram of devices for calcium bicarbonate solution formed by pseudo-karstification

2.3 土样制备

按照液固比(质量比)0∶1、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、8∶1、10∶1、12∶1将膨胀土与仿岩溶碳酸氢钙溶液混合，搅拌均匀后先真空抽气2 h(提供负压条件，促进碳酸氢钙的快速分解，提高工作效率)再自然风干，磨细过筛，装袋备用。部分土样采用纯水进行了对照试验。

2.4 试验方法

自由膨胀率、无荷膨胀率、收缩、直接剪切、酸碱度及碳酸钙含量的测定试验按照《土工试验方法标准》[15](GB/T 50123—2019)进行。其中，直接剪切试验采用快剪试验，酸碱度试验采用电测法，碳酸钙含量的测定采用气量法进行。

阳离子交换量试验按照《土壤分析技术规范》(第2版)[16]进行，土壤交换性盐基的提取采用乙醇洗盐、氯化铵-乙醇溶液交换提取法，交换性阳离子的测定采用日本日立公司生产的型号为ZA3000的原子吸收光谱仪进行。

粒度分析试验采用英国生产的型号为Mastersizer 2000E的激光粒度仪进行。将制备好的土样过2 mm孔径筛，为了避免生成的碳酸钙胶结在测试过程中被破坏，测试过程中均未对土样进行超声分散处理。

扫描电镜试验采用型号为FEI Quanta 600 FEG的场发射扫描电镜，对不同液固比仿岩溶碳酸氢钙溶液处理并风干后的土块进行扫描。

3 试验结果与分析

3.1 自由膨胀率试验

将土样分别过0.5 mm孔径筛和过2 mm孔径筛，并用不同液固比仿岩溶碳酸氢钙溶液对2种粒径的土样进行处理，风干后再按照《土工试验方法标准》[15](GB/T 50123—2019)要求进行试验。试验结果见图2(a)。

《膨胀土地区建筑技术规范》[17](GB 50112—2013)规定，土样自由膨胀率40%≤δef<65%时，膨胀土的膨胀潜势为弱，属于低膨胀土；65%≤δef<90%时，膨胀土膨胀潜势为中，属于中膨胀土；当δef≥90%时，膨胀土膨胀潜势为强，属于高膨胀土。由图2(a)可以看出，未经处理的膨胀土样自由膨胀率为90%，属于强膨胀土； 随着液固比的增加，土样的自由膨胀率呈现先大幅降低后小幅上升，进而趋于稳定的现象；用过0.5 mm筛的膨胀土制备的土样自由膨胀率从90%降低到液固比为6∶1时的57.5%，从高膨胀(≥90%)降低到低膨胀(<60%)，当液固比大于6∶1后自由膨胀率稳定在60%左右；用过2 mm孔径筛膨胀土制备的土样，自由膨胀率从90%降低到液固比为6∶1时的65%，继而在70% ～ 75%之间浮动，从高膨胀(≥90%)降低到中膨胀(60%≤δef<90%)。自由膨胀率试验结果表明，CFPK对膨胀土的膨胀性具有较好的改良效果。这同时也反映出粒径对CFPK的改良效果具有一定的影响，即土样制备时所用的土粒粒径越细，仿岩溶碳酸氢钙溶液对于膨胀性的改良效果越好。

3.2 无荷膨胀率试验

将过2 mm筛的膨胀土用不同液固比的仿岩溶碳酸氢钙溶液处理，风干后过2 mm孔径筛，按干密度1.52 g/cm3(压实度0.98)，含水率24.3%，制备无荷膨胀率试样，试样高20 mm，直径61.8 mm。试验结果见图2(b)。

由图2(b)可以看出：随着液固比的增大，无荷膨胀率整体呈现出降低的趋势，当液固比小于6∶1时，无荷膨胀率降低的幅度比较明显，但当液固比大于6∶1时，无荷膨胀率降低的趋势逐渐变缓；当液固比为6∶1和12∶1时，无荷膨胀率分别由15.0%降低到8.4%和8.0%，分别降低了44%和47%。

3.3 线收缩率试验

线收缩率试验的土样处理及试样制备过程同无荷膨胀率试验的土样处理及试样制备过程。不同液固比仿岩溶碳酸氢钙溶液处理下土样的线收缩率结果如图2(c)所示。

由图2(c)可以看出：随着液固比的增大，线收缩率先大幅下降，后降幅逐渐变缓；当液固比达到6∶1时，线收缩率降低到7.0%以下，线收缩率从8.0%降低到6.5%，降低了19%，随后降幅变缓，线收缩率降至6.4%后便不再发生明显变化。

图2 径仿岩溶碳酸氢钙溶液处理后膨胀土的自由膨胀率、无荷膨胀率、线收缩率Fig.2 Free swelling ratio, unloading expansion rate and linear shrinkage rate of expansive soil treated by CFPK

3.4 抗剪强度试验

按干密度1.55 g/cm3(压实度1.00)，含水率24.3%制备试样。抗剪强度与竖向压力的关系曲线如图3所示，τ(0∶1)=0.09σ+85.5表示素土抗剪强度和竖向压力的拟合关系，τ(4∶1)=0.11σ+88.1表示经过液固比为4∶1的仿岩溶碳酸氢钙溶液处理的土样抗剪强度和竖向压力的拟合关系，以此类推。

图3 抗剪强度与竖向压力关系Fig.3 Relationship between shear strength and vertical pressure

由图3可以看出，仿岩溶碳酸氢钙溶液处理的土样抗剪强度有了一定程度的提高，且在300 kPa和400 kPa竖向压力下的提高幅度高于100 kPa和200 kPa竖向压力下的提高幅度。

由抗剪强度试验所得的黏聚力和内摩擦角结果见表2。由表2可以看出，随着液固比的增大，黏聚力呈现出先升高后降低的趋势，内摩擦角逐渐增大，变化幅度不明显。至液固比为6∶1时，黏聚力最大，为93.1 kPa，相比素土的黏聚力增加了15%。

表2 黏聚力和内摩擦角Table 2 Results of cohesion and internal friction angle

4 改良机理分析

4.1 阳离子交换量试验

土样交换性阳离子分量、总量及交换性钠离子百分比(Exchangeable Sodium Percent,简称ESP)见表3。交换性钠离子百分比ESP的计算如式(1)所示。

表3 土样交换性阳离子含量Table 3 Content of exchangeable cations in soil sample

(1)

式中：CNa+为交换性钠离子含量(cmol/kg)；CEC为阳离子交换量(cmol/kg)。ESP<7%，属非分散土；ESP=7%～10%，属过渡分散土；ESP=10%～15%，属分散土；ESP≥15%，属强分散土，有严重管涌的可能性[18]。

由表3可以看出:随着液固比的增加，交换性阳离子总量和交换性Ca2+含量呈现出先降低后升高的规律，且在液固比为6∶1时达到最低；在液固比为10∶1时，交换性阳离子总量和交换性Ca2+含量又升高到膨胀土的水平；交换性K+、Na+、Mg2+的含量和ESP值则变化不明显。分析原因是因为仿岩溶碳酸氢钙溶液在制备过程中有下列反应存在：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

4.2 碳酸钙含量和酸碱度的变化

液固比对土样碳酸钙含量和酸碱度的影响见表4。

表4 液固比对土样酸碱度和碳酸钙含量的影响Table 4 Effect of liquid-solid ratio on pH value and content of calcium carbonate

由表4可以看出，素土的pH值为8.19，碳酸钙含量为5.46 g/kg，而经过仿岩溶碳酸氢钙溶液处理的土样，随液固比的增大，pH值增大，碳酸钙含量整体呈增加趋势。试验测得0.4 MPa下配制仿岩溶碳酸氢钙溶液时碳酸钙的溶解度为1.41 g/L。由表4结果可以看出，不同液固比仿岩溶碳酸氢钙溶液处理下土样中碳酸钙含量的增加规律比较符合这个数值。值得说明的是，随着pH值的增大，土体的负电荷增大，吸附更多的H+、Ca2+等阳离子，双电层厚度增大，团聚作用减弱，膨胀收缩变形增大。这也是液固比超过6∶1时，改性土膨胀性有所上升的原因之一。

4.3 激光粒度分析试验

在激光粒度分析试验中，为使试验结果具有可比性，在制样时采用纯水做了对照试验，即用纯水代替CFPK作为对照，分析结果见表5。

表5 粒度分析结果Table 5 Analysis result of particle size

由表5可以看出，素土的砂粒含量为42.3%，纯水对照土样的砂粒含量为39.9%，而经仿岩溶碳酸氢钙溶液固液比为6∶1、8∶1、12∶1处理的土样，砂粒含量分别为47.2%、47.6%和51.1%。从粒度分析结果可以看出，经仿岩溶碳酸氢钙溶液处理的土样，黏粒和粉粒含量下降，砂粒含量增多。砂粒含量增多的原因一方面是因为离子交换反应促进了土颗粒的絮凝，进而促进了大颗粒的形成；另一方面是因为碳酸氢钙分解生成了具有胶结性的碳酸钙，把小颗粒胶结成了较大的颗粒。大颗粒的形成一方面减小了土颗粒的比表面积，降低了土颗粒与水接触的机会，另一方面提高了土体的抗剪强度，从而起到了降低胀缩性、提高抗剪强度的作用。

4.4 扫描电镜试验

图4(a)和图4(b)分别为1 000倍放大倍数下，经液固比为6∶1的纯水和6∶1的仿岩溶碳酸氢钙溶液处理的土样下表面扫描结果。图5(a)和图5(b)分别为5 000倍放大倍数下，经液固比为6∶1的纯水和6∶1的仿岩溶碳酸氢钙溶液处理的土样的侧断面扫描结果。膨胀土和仿岩溶碳酸氢钙溶液混合后，在风干过程中，大颗粒最先发生沉降，导致风干后土样的下表面聚集了大量的较大颗粒，这些颗粒间连接松散，孔隙较大，如图4(a)所示；而经碳酸氢钙溶液处理的土样，在碳酸氢钙分解生成的具有胶结作用的碳酸钙的胶结作用下，松散的颗粒发生了团聚，孔隙被填充，结构变得更加致密，如图4(b)所示。图5(a)显示出未经碳酸氢钙溶液处理的土颗粒间排列呈面-面结合的“层流结构”，其基本结构单元为片状和叠片状颗粒[21]，大多呈弯曲和褶皱状，而图5(b)显示经过碳酸氢钙溶液处理的土样，弯曲和褶皱结构消失，内部孔隙明显减少，断面变得更加平滑，结构变得更加致密。

图4 6∶1纯水和CFPK处理的土样下表面微观结构Fig.4 Microstructure of lower surface of soil samples treated with 6∶1 pure water and CFPK

图5 6∶1纯水和CFPK处理的土样侧断面微观结构Fig.5 Microstructure of side of soil samples treated with 6∶1 pure water and CFPK

综上所述，仿岩溶碳酸氢钙溶液改良膨胀土的机理可以解释如下：仿岩溶碳酸氢钙溶液加入土体后首先发生了离子交换反应，一价的H+置换出了二价的Ca2+，由双电层理论可知，离子交换反应减小了双电层的厚度；Ca(HCO3)2分解产生了具有胶结性的CaCO3结晶，将小颗粒胶结成了大颗粒，起到了降低胀缩性、提高抗剪强度的作用。随着液固比的增加，高液固比的碳酸氢钙溶液提供了高浓度的Ca2+，抑制了H+对于Ca2+的交换作用，但其制备的土样膨胀性仍低于膨胀土的膨胀性的原因一方面是高浓度的Ca2+可以起到压缩双电层的作用，另一方面是较高比例的仿岩溶碳酸氢钙溶液可以分解产生更多的碳酸钙结晶，胶结更多的土颗粒。仿岩溶碳酸氢钙溶液在土体中的化学反应方程式如下：

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O ；

(7)

土-Ca2++2H+→土-2H++Ca2+；

(8)

(9)

仿岩溶碳酸氢钙加固土体技术是利用岩溶作用的原理，经过岩溶反应，使单颗粒状的碳酸钙变成具有胶结性的碳酸钙，其反应过程、反应物及生成物没有有毒物质生成，只是碳酸钙的状态发生了改变，因此是一种生态友好型的加固技术。但是，由于碳酸氢钙的溶解度比较低，一方面导致加固效率不高，另一方面二氧化碳和水浪费较多。已有研究表明，二氧化碳压力、温度、溶液中的其他离子以及碳酸酐酶有助于岩溶反应的进行[20-21]。因此，在以后的研究中，需要通过物理化学与生物等措施，提高碳酸氢钙溶解度，循环利用水和二氧化碳，达到高效、生态、经济的目的。

5 结论与展望

(1)仿岩溶碳酸氢钙溶液可以显著地降低膨胀土的胀缩性，并在一定程度上提高土体的抗剪强度。从改良效果及经济性等方面考虑，认为仿岩溶碳酸氢钙溶液与膨胀土的最优配比是6∶1。

(2)仿岩溶碳酸氢钙改良膨胀土的机理是通过离子交换作用，溶液中的H+置换了土颗粒吸附的Ca2+，减小了双电层厚度；通过岩溶作用，新形成的碳酸钙具有沉积胶结和填充作用，颗粒间联结强度和团粒化作用得到增强，从而降低了土体胀缩性。

(3)仿岩溶碳酸氢钙加固土体技术是以液体为媒介发挥作用，参考其他液体改良剂的实际应用，仿岩溶碳酸氢钙溶液可通过渗透和注浆2种方式加入到土体中，对土体进行加固改良。但仿岩溶碳酸氢钙溶液的制备过程中需要较多的水，因含水过高而影响实际工程中对土壤的改良操作，因此后续仍需对仿岩溶碳酸氢钙溶液的制备工艺和工程应用工艺进行深入研究。

(4)碳酸氢钙的溶解度较低，现有条件下配制的仿岩溶碳酸氢钙溶液对土体的加固效率较低，且仿岩溶碳酸氢钙分解产生的二氧化碳气体和水暂时无法做到回收重复利用。如何利用物理、化学与生物技术提高碳酸氢钙的溶解度以及实现二氧化碳和水的循环利用是未来研究的主要方向。

(5)仿岩溶碳酸氢钙改良膨胀土的研究成果尚少，对碳酸氢钙分解产生的碳酸钙的具体形态等微观层面的内容有待进一步研究。