羥基鋁改性分散性土的試驗(yàn)研究

楊玉婳，唐 紅，姚海林，劉 杰，岳 嬋

（1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢430065；2.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢430071）

分散性土在水的作用下極易發(fā)生崩解并散落成顆粒狀，在我國(guó)特殊土塑性圖的分布位置中分散性土處于膨脹土和黃土之間［1］，其滲透系數(shù)較小，防滲性能良好，但是抗水流沖蝕能力很低，極易造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)等工程危害。因此，對(duì)分散性土分布地區(qū)土體進(jìn)行防治與改良是十分必要的。

目前，工程實(shí)踐中對(duì)于分散性土大多采用添加石灰、水泥、粉煤灰等外加劑的方式進(jìn)行改性。陳勁松等［2］對(duì)大壩分散性心墻料摻加不同配合比的水泥和生石灰進(jìn)行改性，得出在水泥摻量為3%或者生石灰摻量為3%～5%的情況下，基本可以消除土料的分散性，并發(fā)現(xiàn)在摻加水泥和生石灰后心墻料能承受更高的水力比降。李華鑾等［3］對(duì)堤壩的幾種比較典型的分散性土進(jìn)行改性后開(kāi)展反濾試驗(yàn)，確定當(dāng)生石灰劑量達(dá)到1.5%時(shí)，改性效果最佳。嚴(yán)應(yīng)佳［4］采用粉煤灰對(duì)分散性土進(jìn)行改性，分析了粉煤灰對(duì)土的分散性的改性機(jī)制，其研究表明粉煤灰對(duì)土的分散性、壓縮性和抗?jié)B特性有明顯的改善作用，并建議實(shí)際工程中粉煤灰的摻量應(yīng)控制在4%～10%之間。趙高文［5］采用AlCl3·6H2O、MgCl2·6H2O、CaCl2和CaO作為分散性土的化學(xué)改性材料，研究表明上述改性材料均可不同程度地降低土體的分散性能，并能有效地提高土體的抗沖蝕能力。

綜上所述，在分散性土中摻入石灰對(duì)土的分散性有一定的抑制效果，但是土體中摻入一定量的石灰后，不僅提高了土體的pH值，而且使得土體容易產(chǎn)生裂縫。因此，有必要尋找一種更合適的添加劑對(duì)分散性土進(jìn)行改良。研究表明，土的絮凝力感膠離子順序?yàn)?Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+，由于鈉離子的表面活性遠(yuǎn)大于鐵、鋁、鈣離子，鋁離子為三價(jià)離子，其絮凝力感膠效果比二價(jià)的鈣離子好，且穩(wěn)定性更優(yōu)于鈣離子，因此可利用鋁的氫氧化物或氧化物代替石灰進(jìn)行改性。羥基鋁是一種帶正電荷的氫氧化鋁水合物，由氯化鋁和氫氧化鈉的產(chǎn)物水解而來(lái)，由于其能被緊密吸附于帶正電荷的黏土顆粒表面，經(jīng)過(guò)老化，形成牢固的水合氧化鋁層，因此能有效防止土的分散。基于此，筆者以羥基鋁改良分散性土為研究對(duì)象，采取針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)，結(jié)合土樣改良前后的物理化學(xué)性質(zhì)，探究不同鋁土比的羥基鋁溶液對(duì)分散性土的改良效果及其改性機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）土樣。試驗(yàn)采用的土樣選自東北某均質(zhì)土壩樁號(hào)K84+600處，土樣表面呈黑灰色，天然含水率為32.6%，土樣的顆粒構(gòu)成以黏粒和粉粒為主，按塑性圖的分類方法屬于高液限黏土（CH），其有機(jī)質(zhì)含量為1.66 g/kg，pH值為9.12，呈強(qiáng)堿性。土中黏土礦物以蒙脫石為主，其成分比例為全土的22.16%，非黏土礦物以石英和鈉長(zhǎng)石為主。經(jīng)針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)及孔隙水可溶性陽(yáng)離子試驗(yàn)等分散性試驗(yàn)鑒定，其為典型的分散性土。土的基本物理化學(xué)性質(zhì)、礦物成分組成見(jiàn)表1、表2。

表1 土的物理化學(xué)性質(zhì)

表2 土的礦物成分組成

（2）羥基鋁溶液。制備完成的羥基鋁為溶液，呈無(wú)色透明狀，主要成分為氫氧化鋁及其聚合物，其制備原材料為AlCl3·6H2O、NaOH和蒸餾水（其中AlCl3·6H2O和NaOH均為分析純），摻入分散性土中時(shí)以不同鋁土比的羥基鋁溶液與土樣進(jìn)行膠結(jié)。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）分散性鑒別方法。對(duì)不同鋁土比（鋁離子的物質(zhì)的量/分散性土的質(zhì)量）的膠結(jié)土樣分別進(jìn)行針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)，判斷羥基鋁溶液的改性效果。針孔和碎塊試驗(yàn)均按最優(yōu)含水率、壓實(shí)度為0.95制備土樣，針孔試驗(yàn)將土樣制成直徑為38.1 mm、高為38.1 mm的圓柱體，碎塊試驗(yàn)將土樣制成邊長(zhǎng)為1 cm的正方體，雙比重計(jì)試驗(yàn)采用過(guò)孔徑2 mm篩的風(fēng)干土樣，試驗(yàn)方法均參照《分散性土研究》中介紹的方法［7］和美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)提出的分散性土鑒別方法［8-10］。

（2）羥基鋁的制備試驗(yàn)和土的膠結(jié)試驗(yàn)。本試驗(yàn)根據(jù)羥基鋁的最優(yōu)合成條件［11］制備羥基鋁溶液:總鋁濃度為0.1 mol/L，反應(yīng)溫度為80℃、堿化度（OH-/Al摩爾比）為2.5、堿化率（NaOH溶液滴入速率）為50 mL/min。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫度為室溫，將300 mL濃度為0.6 mol/L的AlCl3溶液加入到玻璃反應(yīng)釜中，利用恒溫水浴鍋將反應(yīng)釜的溫度加熱到80℃，使用滴定管以一定的速率（50 mL/min）向反應(yīng)釜中滴加900 mL濃度為0.5 mol/L的NaOH溶液，并以一定的攪拌速率（250 r/min）進(jìn)行充分?jǐn)嚢?。待NaOH溶液滴入完畢后，通過(guò)滴定管向反應(yīng)釜中加入110 mL蒸餾水，將混合溶液繼續(xù)攪拌20 min，制備完成后的羥基鋁溶液需在室溫下老化一周。

在膠結(jié)土樣之前將分散性土風(fēng)干、碾細(xì)并過(guò)孔徑2 mm篩，然后將制備好并經(jīng)養(yǎng)護(hù)后的羥基鋁溶液以一定的鋁土比和分散性土樣混合，并充分?jǐn)嚢?0 min，常溫下養(yǎng)護(hù)7 d。隨后除去上清液，并將膠結(jié)土樣風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后備用。

（3）其他試驗(yàn)。土體的相對(duì)密度、顆粒分析、陽(yáng)離子交換量和pH值等試驗(yàn)均是按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》［12］的要求進(jìn)行的。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改性前后土樣物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)比

改性前后土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表3。

（1）相對(duì)密度。研究表明，土粒相對(duì)密度大小范圍有限，一般在2.6～2.8之間［13］，而且一般土粒的相對(duì)密度變化有限，然而從表3可以看出，改性后土體的相對(duì)密度顯著降低，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般土體的相對(duì)密度。隨著羥基鋁鋁土比的增大，土粒相對(duì)密度越來(lái)越低，可能是由于羥基鋁溶液的加入導(dǎo)致土顆粒之間的連接增強(qiáng)，土粒粒徑明顯增大，因此相對(duì)密度越來(lái)越小。

表3 改性前后土樣的物理化學(xué)性質(zhì)

（2）顆粒組成。土的顆粒組成屬于土的基本參數(shù)，從顆粒組成的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，改性后土體的粉粒含量顯著增大，黏粒含量明顯減小。改性后土體中的粗顆粒含量逐漸增大，細(xì)顆粒含量逐漸減小，表明土的比表面積減小，親水性變?nèi)?，土顆粒與水分的接觸面積減小，土粒的分散程度降低，土粒相互聚集形成相對(duì)緊湊的絮凝結(jié)構(gòu)，證明了羥基鋁及其聚合物對(duì)黏土顆粒具有“團(tuán)聚”“膠結(jié)”作用，從而使黏粒聚凝成團(tuán)，造成粗粉粒含量增大而黏粒含量減小，比較直觀地證明了羥基鋁溶液對(duì)分散性土顆粒大小改變的效果。

（3）pH值。pH值是表征土壤化學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，也是影響土體分散性的重要因素之一。改性前土體的pH值為9.12，呈強(qiáng)堿性，改性后土體pH值隨著鋁土比的增大而降低，土體由強(qiáng)堿性變?yōu)槿鯄A性，這說(shuō)明羥基鋁溶液從分散性土的本質(zhì)因素上改變了分散性土存在的環(huán)境。有關(guān)研究表明，pH值可作為鑒別分散性土與非分散性土的輔助指標(biāo)［14］。因此，從pH值的角度來(lái)看，羥基鋁溶液對(duì)于分散性土有很好的改良效果。

（4）陽(yáng)離子交換量。陽(yáng)離子交換量（CEC）是土體基本物理化學(xué)性質(zhì)之一，是度量土樣對(duì)溶液中的陽(yáng)離子交換吸附性能強(qiáng)弱的指標(biāo)［6］，可反映土中黏粒含量和黏土礦物成分，在一定程度上反映土的物理化學(xué)特性，對(duì)于顆粒越破碎或越細(xì)小的土體，其表面上礦物成分越豐富，可提供離子交換的機(jī)會(huì)越多，其陽(yáng)離子交換量就越大。經(jīng)羥基鋁改性后的分散性土陽(yáng)離子交換量顯著降低，表明改性后分散性土解理的晶面和結(jié)合水膜厚度減小，土體的水化作用減弱，親水性和膨脹性也有所減弱。

2.2 分散性鑒別結(jié)果對(duì)比

對(duì)不同鋁土比的羥基鋁溶液處理過(guò)的膠結(jié)土樣分別進(jìn)行針孔、碎塊和雙比重計(jì)試驗(yàn)。分散性鑒別結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 改性前后土的分散性鑒別結(jié)果

（1）針孔試驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。改性前的土進(jìn)行針孔試驗(yàn)后，最終針孔孔徑約為5 mm，水色很渾濁，呈深灰色，為典型的分散性土；加入羥基鋁溶液改性后，當(dāng)鋁土比為0.08 mmol/g時(shí)，最終針孔孔徑約為3 mm，水色呈稍淺的灰色，為分散性土；鋁土比為0.10 mmol/g時(shí)，最終測(cè)量的針孔孔徑約為2 mm，水色比較渾濁，屬于分散性土；鋁土比為0.20 mmol/g時(shí)，最終針孔孔徑約為1.5 mm，水色稍渾濁，呈淺灰色，鑒定為過(guò)渡性土；鋁土比為0.40 mmol/g和0.60 mmol/g時(shí)針孔孔徑無(wú)明顯變化，水色清澈不渾濁，杯底伴有少量的土顆粒，經(jīng)判別為非分散性土。

針孔試驗(yàn)反映了土壤顆粒所能承受水流的沖蝕能力，其試驗(yàn)結(jié)果可直接定性鑒別試樣的分散性能。從針孔試驗(yàn)的鑒別結(jié)果來(lái)看，羥基鋁溶液對(duì)分散性土的改性有明顯改善的趨勢(shì)，證明羥基鋁溶液是一種良好的分散性土壤改良劑。

圖1 針孔試驗(yàn)土樣

（2）碎塊試驗(yàn)（見(jiàn)圖2）。改性前的土塊在碎塊試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)崩解現(xiàn)象，但在土塊的周圍出現(xiàn)明顯的“云霧狀”并擴(kuò)散到整個(gè)杯底，而且水色許久不清，這是典型的分散性土的特征；在加入羥基鋁溶液處理后，土塊在碎塊試驗(yàn)時(shí)只發(fā)生不同程度的崩解，在鋁土比為0.08、0.10 mmol/g時(shí)，土塊部分發(fā)生崩解，而在鋁土比增大為0.20、0.40、0.60 mmol/g時(shí)，土塊發(fā)生完全崩解，但是自始至終水色沒(méi)有出現(xiàn)明顯的渾濁現(xiàn)象，鑒別結(jié)果均為非分散性土。

圖2 碎塊試驗(yàn)土樣

碎塊試驗(yàn)基于膠體化學(xué)的基本觀點(diǎn)，認(rèn)為某些黏性土在水中產(chǎn)生分散性是由于膠體顆粒的析出，因此采用膠體析出的程度不同作為鑒定標(biāo)準(zhǔn)［7］。土壤膠體在一定條件下可以分散或凝聚在介質(zhì)中，這種凝聚一般是在陽(yáng)離子的作用下產(chǎn)生的，不同陽(yáng)離子的凝聚能力為由碎塊試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，在羥基鋁溶液摻量很低的時(shí)候改良即有明顯的效果，原因可能是羥基鋁溶液的加入，使土壤中鋁離子的含量瞬間增大，而鋁離子具有很強(qiáng)的絮凝感膠能力，這增大了土壤膠體的凝聚作用。隨著羥基鋁摻量的增大，鋁土比為0.20 mmol/g時(shí)土塊發(fā)生崩解的程度開(kāi)始變大，這是由于改性后的土樣黏粒含量越來(lái)越小，粉粒含量越來(lái)越大，土樣呈粉土化，因此遇水極易發(fā)生崩解。

（3）雙比重計(jì)試驗(yàn)。在進(jìn)行雙比重計(jì)試驗(yàn)時(shí)，改性前的土體在加入分散劑和不加入分散劑時(shí)的黏粒含量分別為47.0%和36.5%，分散度為77.7%，由雙比重計(jì)試驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)鑒定為分散性土（分散度＞50%）。改性后的土體分散度隨著羥基鋁鋁土比的增大逐漸降低，土樣由分散性土轉(zhuǎn)為過(guò)渡性土再轉(zhuǎn)為非分散性土。在鋁土比為0.08 mmol/g時(shí)，土體由分散性土轉(zhuǎn)為過(guò)渡性土（分散度為30%～50%），在鋁土比為0.60 mmol/g時(shí)，土體由過(guò)渡性土轉(zhuǎn)為非分散性土（分散度＜30%）。

雙比重計(jì)試驗(yàn)是依據(jù)土體加分散劑前、后黏粒含量的比值對(duì)分散性土進(jìn)行分類的，而從前文中羥基鋁溶液改性前后土體顆粒分析的結(jié)果可以得知，羥基鋁溶液對(duì)土體顆粒大小的改變有明顯的作用。因此，加入羥基鋁溶液的土樣雙比重計(jì)試驗(yàn)的結(jié)果顯而易見(jiàn)，即羥基鋁溶液對(duì)分散性土的分散程度有明顯的抑制作用，表現(xiàn)為土體的分散度隨著鋁土比的增大而逐漸減小，且在一定程度上定量反映了土的分散度與鋁土比之間的相關(guān)關(guān)系。

由以上分散性鑒別試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，幾種分散性鑒別結(jié)果不盡相同，原因是這3種分散性鑒別試驗(yàn)都有各自的適用條件，影響因素也各不相同，以往關(guān)于分散性土的研究也存在類似的結(jié)果［15］。但對(duì)3種鑒別試驗(yàn)分別進(jìn)行分析并結(jié)合土的物理化學(xué)性質(zhì)可知，羥基鋁溶液對(duì)土的分散性確實(shí)有明顯的抑制作用，并且隨著羥基鋁鋁土比的增大，這種抑制作用有逐漸增大的趨勢(shì)。因此，綜合3種分散性鑒別試驗(yàn)結(jié)果可以得出，土樣在羥基鋁鋁土比為0.2～0.4 mmol/g時(shí)完全表現(xiàn)為非分散性土的性質(zhì)。

2.3 土樣分散的原因及羥基鋁作用機(jī)理分析

（1）土樣分散的原因分析。根據(jù)土樣的物理化學(xué)和礦物性質(zhì)可知，土體有較高的pH值和交換性鈉離子含量，當(dāng)土樣的pH值較高時(shí)，黏土礦物表面會(huì)產(chǎn)生較多的負(fù)電荷，若此時(shí)土中含有大量的陽(yáng)離子如Na+，則大量的鈉離子會(huì)吸附到土顆粒表面，使得土顆粒間雙電層變厚，晶體擴(kuò)散的排斥力大于吸引力，凈勢(shì)能表現(xiàn)為排斥力，土體便會(huì)被分散。

（2）羥基鋁與分散性土的作用機(jī)理分析。隨著羥基鋁溶液的加入，土粒相對(duì)密度明顯減小、粒徑變大、陽(yáng)離子交換量變小等結(jié)果都表明了羥基鋁溶液與土樣的膠結(jié)、團(tuán)聚等作用，另外高價(jià)陽(yáng)離子Al3+濃度增大，Na+的濃度降低，且三價(jià)離子的擴(kuò)散雙電層厚度比一價(jià)離子的小，高價(jià)的Al3+進(jìn)入晶層之間或顆粒間隙后，單個(gè)顆?；蛳噜忣w粒表面的雙電層厚度變薄，顆粒間吸引力增大，斥力減弱。此外，羥基鋁溶液能有效降低土壤的pH值，使得黏土礦物邊緣的兩性氧化鋁表現(xiàn)為正電性，與帶負(fù)電荷的土顆粒相互作用，導(dǎo)致顆粒從懸液中絮凝，土樣的分散性逐漸降低。

3 結(jié) 論

（1）3種分散性鑒別試驗(yàn)的結(jié)果不盡相同，但都存在分散性降低的趨勢(shì)，表明羥基鋁溶液在鋁土比為0.20～0.40 mmol/g時(shí)，經(jīng)其改善的土體由分散性土轉(zhuǎn)為非分散性土。

（2）羥基鋁溶液與土體的膠結(jié)使土體的相對(duì)密度降低，對(duì)土體的顆粒組成有明顯的團(tuán)聚作用。改性后土體陽(yáng)離子交換量明顯降低，且pH值降低。

（3）通過(guò)高價(jià)離子的置換、膠結(jié)等作用及降低土體的堿性，羥基鋁溶液能有效改善土的分散性，可作為一種良好的分散性土改性劑。