馮炳超，高 萍，袁 寧，田小朋，岳冠宇

（甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

2012 年以來，蘭州中川機場［1］、蘭石廠、蘭州新區(qū)舟曲中學等場地，竣工不久后室內及室外地坪、散水出現了較嚴重的膨脹鼓起現象，最大膨脹量超過了 20 cm。膨脹造成了很大的經濟損失，如舟曲中學治理室外膨脹的費用約 3 600 萬元，蘭州新區(qū)某道路灰土路基膨脹造成的損失超過了 3 000 萬元，類似的工程病害在蘭州新區(qū)越來越多。

為了查明蘭州新區(qū)地基土鹽漬化及膨脹的機理，課題組于 2016 年對蘭州新區(qū)的灰土膨脹病害進行了調查，2017 年 2 月開始了試驗研究，于2019 年 2 月～ 2020 年10 月對蘭州新區(qū)灰土膨脹病害的機理和預防進行了研究。通過摻試劑對土壤離子的交換作用進行了試驗驗證，試驗結果驗證了離子交換作用是灰土次生鹽漬化的主要原因。

1 膨脹病害及鹽漬化調查

1.1 蘭州新區(qū)原狀地基土易溶鹽狀況調查

根據 2010～2019 年間蘭州新區(qū)眾多的工程勘察積累和總結，發(fā)現蘭州新區(qū)地基土大部分為非鹽漬土和弱鹽漬土，局部夾薄層中鹽漬土。蘭州新區(qū)原狀粉土、粉質黏土層土中硫酸根離子含量較高，很多場地地基土中硫酸根離子含量在 1 000 mg/kg 以上，局部有 2 000 mg/kg以上的夾層。硫酸根離子及易溶鹽總量明顯高于蘭州其它地區(qū)。pH 值為 7.1～9.3，也高于蘭州其它地區(qū)。按易溶鹽含量劃分，蘭州新區(qū)地基土為非鹽漬土或弱鹽漬土，僅局部夾中鹽漬土薄層。但蘭州新區(qū)的原狀土未發(fā)現膨脹病害發(fā)生。根據統(tǒng)計發(fā)現，蘭州新區(qū)地基土易溶鹽含量差異大，分布不均，各地主要易溶鹽離子量統(tǒng)計如表 1 所示。

表1 蘭州新區(qū)場地土易溶鹽指標統(tǒng)計表

1.2 蘭州新區(qū)灰土膨脹病害及鹽漬化調查

1.2.1 中川機場

中川機場 T2 航站樓于 2013 年 7 月完成地坪施工，2013 年 12 月發(fā)生了室內地面膨脹病害，病害發(fā)生后甲方組織施工單位分別于 2014 年 1～8 月、10～11 月、12 月進行了 3 次返工治理。這 3 次返工時仍使用了灰土墊層并嚴格分層壓實，返工后很快再次發(fā)生病害，嚴重影響了機場的正常運營。該場地原狀土和膨脹灰土的檢測情況如下所述。

1）蘭州機場 T2 航站樓地基土易溶鹽含量偏高，地基中存在鹽漬土夾層，且各處鹽漬土埋深不同。場地原狀土中存在弱鹽漬土，未發(fā)現原狀土膨脹鼓起現象。

2）取樣檢測發(fā)現膨脹灰土全鹽漬化了，所有灰土已成為鹽漬土，膨脹持續(xù)時間長，膨脹量很大?；彝林械囊兹茺}成分主要為硫酸鈉和硫酸鎂，為硫酸鹽鹽漬土，硫酸鈉起膨脹的主要作用?；彝聋}漬化的程度隨時間在變化，其易溶鹽含量和成分都隨時間有變化，尤其是 SO42-變化劇烈，說明鹽類在持續(xù)發(fā)生位置遷移并持續(xù)發(fā)生反應。石灰和土拌合碾壓后土中出現了高含量的硫酸鹽，檢測時不能確定是石灰自身帶來的鹽還是石灰與土發(fā)生反應生成的鹽。

1.2.2 舟曲中學

蘭州新區(qū)舟曲中學為舟曲泥石流災后易地重建項目，項目位于蘭州新區(qū)中川街南側，于 2012 年 9 月建成投入使用。使用后陸續(xù)發(fā)現建筑周邊散水、室外地面、操場等逐漸大面積膨脹，最大膨脹量達 28 cm。據現場實地調查，發(fā)生膨脹的地段地面下全施工了灰土墊層。素土回填區(qū)及原狀土均未發(fā)現膨脹病害。對膨脹的灰土和場地內原狀土取樣進行了易溶鹽試驗和對比，對比結論如下所述。

1）膨脹灰土中 OH-、CO32-、SO42-、Ca2+、K++Na+離子和易溶鹽總量顯著大于場地原土，可見石灰的摻入導致土壤易溶鹽含量顯著增大；灰土 pH 值升高至 11～12，石灰的摻入導致土壤堿性增強，膨脹灰土全部鹽漬化；膨脹灰土中 Cl-、Mg2+含量變化微小，表明石灰的摻入對 Cl-、Mg2+含量影響不大。

2）舟曲中學原土未發(fā)生膨脹病害，建筑物地基未發(fā)生膨脹病害。

1.2.3 蘭州新區(qū)蘭石廠

蘭州新區(qū)蘭石廠于 2012 年開工，2013 年建成投入使用，2014 年陸續(xù)發(fā)現部分散水、個別廠房室內地坪及一處室內設備基礎發(fā)生了較大的膨脹鼓起病害，最大膨脹量超過了 20 cm。根據實地調查發(fā)現，發(fā)生膨脹的地段地基均為灰土墊層。素土墊層、砂石墊層和場地內的原土地段均未發(fā)現膨脹病害。發(fā)生膨脹病害的地段全施工了灰土墊層，說明蘭州新區(qū)蘭石廠的原土和石灰摻合后才產生膨脹，原土自身不產生膨脹病害。部分廠房室內地坪發(fā)生了較嚴重的膨脹，廠房內有一個采用了灰土墊層的設備基礎發(fā)生了膨脹病害，導致基礎明顯上升，廠房內也發(fā)生了明顯膨脹，說明蒸發(fā)、降雨、凍脹等氣候因素不是灰土膨脹的主要影響因素或決定因素。設備基礎發(fā)生膨脹說明膨脹具有一定的膨脹力。

1.2.4 蘭州新區(qū)某道路路基膨脹病害

2018 年，蘭州新區(qū)某道路竣工后不久，發(fā)現一段道路出現了波浪形膨脹鼓起病害，據實地查看出現病害的地段其路基采用了灰土碾壓墊層，采用素土碾壓處理的路基未發(fā)生膨脹病害。

1.2.5 蘭州新區(qū)灰土膨脹病害共同特點總結

1）蘭州新區(qū)原土為非鹽漬土或弱鹽漬土，地基土含鹽量偏高，局部夾薄層中鹽漬土，地基土含鹽量不均勻，蘭州新區(qū)的原土尚未發(fā)現膨脹病害。

2）目前發(fā)現的膨脹病害均發(fā)生在灰土墊層地基、灰土路基、或采用灰土墊層的設備基礎中。

3）蘭石廠、蘭州中川機場 T2 航站樓室內地坪發(fā)生了膨脹，說明氣候不是引發(fā)膨脹的主要因素和決定性因素。對膨脹灰土取樣檢測其全部鹽漬化，灰土中含鹽量大幅增長。

4）GB 50046－2008《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》4.7.2 條規(guī)定土中含有氫離子或硫酸根離子介質時不應采用灰土墊層、石灰樁、灰土擠密樁等。但幾乎所有的土均含有硫酸根離子，且大部分土采用灰土后并不發(fā)生膨脹，規(guī)范對地基土含多少硫酸根離子便不能采用灰土墊層并未作說明，因此尚無法依據規(guī)范條文確定是否可選用灰土墊層。目前設計單位一般是對中腐蝕（SO42-＞4 500 mg/L）以上的地基土不采用灰土墊層，微腐蝕條件下仍采用灰土墊層，但根據工程實踐發(fā)現，蘭州新區(qū)微腐蝕條件下的灰土不能排除膨脹病害發(fā)生的可能。

2 室內試驗及次生鹽漬化原理分析

根據大量實地調查發(fā)現蘭州新區(qū)的膨脹病害均發(fā)生在灰土層中［2］，故首先進行了土摻石灰等后再分析摻和樣品的易溶鹽試驗。

2.1 原土摻石灰試驗

通過原土摻入石灰后和原土進行易溶鹽試驗對比發(fā)現［3］，土摻入石灰后樣品中的 SO42-和 CO32-及 Na++K+、Ca2+等易溶鹽離子含量均大幅增加，具體如表 2 所示。

表2 原土與原土摻石灰后易溶鹽含量對比表

通過實驗數據看出原土中 SO42-、Ca2+、Na++K+和易溶鹽總量較小，而加入石灰后土樣中 SO42-、Ca2+、Na++K+和易溶鹽總量都顯著增大。摻灰 30 d 時 SO42-、Ca2+、Na++K+和易溶鹽總量達到峰值。摻灰 60 d 時 SO42-、Na++K+和易溶鹽總量比 30 d 時有降低，對比情況如圖 1、圖 2 所示。

圖1 原土和原土摻石灰后陰離子對比圖

圖2 原土和原土摻石灰后陽離子對比圖

2.2 原土摻氫氧化鈣、氫氧化鎂試驗

為了查明土與石灰摻和后，摻和土樣品中 SO42-等易溶鹽離子量大幅增加的原因是因石灰中的 Ca（OH）2引起的還是因石灰中的雜質（含硫化物）引起的，進行了土摻純 Ca（OH）2后的易溶鹽試驗。

熟石灰的有效成分為約 80 %～90 % 的 Ca（OH）2和約 5 % 的 Mg（OH）2，并含有 10 %～20 % 的礦物雜質（雜質中硫化物一般為 SO3，JC/T 479－2013《建筑生石灰》標準 5.1 條規(guī)定石灰中 SO3含量≤2 %，見圖 3）。由于石灰的成分復雜，所以摻石灰后進行易溶鹽分析尚不能判斷引起摻和樣品中易溶鹽大幅增加的原因是石灰中 Ca（OH）2和 Mg（OH）2引起的，還是因石灰中雜質或硫化物引起的。為了查明這個問題，設計了 2 組樣品（樣品取自蘭州新區(qū)舟曲中學，1 組土樣摻 Ca（OH）2，2 組土樣摻 Ca（OH）2與 Mg（OH）2的混合物，3 組土樣摻石灰）摻純度為＞99.9 % 的化學純試驗，并與 3 組摻石灰的土樣品進行對比。

圖3 石灰和氫氧化鈣成分對比示意圖

摻和后均進行易溶鹽分析，通過對比發(fā)現，摻純Ca（OH）2后易溶鹽離子與摻石灰后易溶鹽離子的含量增幅均很大，且易溶鹽的增幅幾乎在同一數量級上，多數離子數量非常接近（見圖 4）。因此，也說明灰土樣品中易溶鹽離子大幅增加的原因是由于石灰中的 Ca（OH）2引起的，易溶鹽大幅增加是由于 Ca（OH）2和土體發(fā)生的作用；這間接說明了石灰中雜質及 SO3不是造成摻和樣品中易溶鹽大幅增加的原因。

圖4 加入不同試劑土樣易溶鹽含量對比

通過離子數量對比發(fā)現，摻入純 Ca（OH）2和摻入石灰（成分為 Ca（OH）2+雜質+少量 S）后土中 SO42-、易溶鹽總量等幾乎在同一個數量級上，離子數量相差很小，這說明蘭州新區(qū)灰土次生鹽漬化是石灰中主要成分 Ca（OH）2引起的，不是石灰中的雜質或石灰中 SO3引起的，也不是因為石灰的質量問題或石灰等級問題引起的次生鹽漬化。

2.3 原土摻硫酸鈣試驗

為什么摻 Ca（OH）2后摻和樣品的易溶鹽含量會大幅增加呢？Ca（OH）2和土發(fā)生了什么作用？這還需通過試驗來說明。從化學反應原理中發(fā)現，Ca（OH）2進入土壤后，會和土壤中 SO42-生成 CaSO4，其也可能引起膨脹。在實驗室進行土摻 CaSO4后易溶鹽試驗。土摻入 CaSO4后，摻和樣品中易溶性的 SO42-、Ca2+及易溶鹽總量大幅增加，Na++K+也有一定增長（見圖 5）。

圖5 舟曲中學素土同加 CaSO4 后土樣易溶鹽對比

CaSO4在農業(yè)上常用于堿性鹽漬土的治理改良劑，其改良原理是 Ca2+可交換土壤膠體中吸附性的 Na+、K+，Na++K+被 Ca2+置換到土壤溶液中會導致土壤堿性增強，進而土膠體中被吸附的吸附態(tài)的 SO42-會被解吸到土壤溶液中成為易溶性 SO42-，農業(yè)上在通過灌溉流動水洗去土壤中的易溶性 SO42-離子。

2.4 摻石灰或 Ca（OH）2 后摻和樣品易溶鹽大幅增加的機理

2.4.1 土壤膠體離子交換原理

根據土壤的三相組成原理，土壤固體中的膠體顆粒是土壤中最活躍的固體成分。膠體是指粒徑為 1～100 納米的顆粒，膠體具有吸附性和離子交換作用。吸附性是指帶電膠體土顆粒能吸附土中離子。離子交換作用是指膠體土顆粒上吸附的離子能與土壤中其它同電荷的離子發(fā)生離子交換作用，達到動態(tài)平衡。這種以物理吸附為基礎，又和化學反應相似的特征稱吸附或離子交換作用（見圖 6）。土壤膠體所能吸附的各種陽離子總量稱為陽離子交換量（CEC，又稱土壤交換性鹽基），即土壤吸附的堿金屬和堿土金屬離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）的總和。

圖6 土壤膠體離子交換示意圖

離子交換的過程也叫作離子吸附與離子的解吸。離子的吸附指離子從土壤溶液中轉移到土壤膠體顆粒上；離子的解吸為吸附在膠體上的離子轉移到土壤溶液中。離子的吸附和解吸的過程是可逆的、動態(tài)平衡的。當吸附到膠體表面上的離子與溶液達成平衡后，如果再摻入石灰或其它試劑，導致平衡改變，土膠體吸附的離子會解吸到土壤中，這種解吸作用直至建立新的平衡。

蘭州新區(qū)發(fā)生灰土膨脹的場地，地基土壤膠體中吸附著大量的堿金屬離子，這些離子平時被土膠體顆粒吸附而不溶于水，易溶鹽試驗無法測到吸附態(tài)的鹽離子。當摻入石灰、Ca（OH）2、CaSO4等后發(fā)生了離子交換作用，即摻入物導致土壤膠體顆粒解吸出易溶鹽離子。具體交換作用是Ca2+從土壤膠體中交換出大量的 Na+離子到土壤溶液中，一個 Ca2+可交換兩個 Na+得到交換性鈉（見圖 7）。故摻入石灰、Ca（OH）2后 Na+、K+含量的增加是由于石灰或摻入物中的 Ca2+、Mg2+將土壤膠體中的 Na+、K+置換了出來。

圖7 土壤陽離子交換示意

2.4.2 陽離子對土壤膠體的凝聚力

吸附性陽離子飽和的土壤，呈中性或堿性，稱為巖基飽和土壤；陽離子飽和度小的土壤呈酸性。飽和度越高，離子與膠體的結合能越低，被代換到土壤溶液中的機會越高。通過鹽基試驗發(fā)現，蘭州新區(qū)土壤離子的陽離子飽和度較高（見 2.4.3 節(jié)）；摻入石灰或摻入氫氧化鈣后其中的 Ca2+、Mg2+導致土壤鹽基飽和，離子與膠體的結合能降低，故摻入石灰后土壤吸附的離子被代換到土壤溶液中的機會就快速提高。

2.4.3 土壤鹽基試驗對比

為了查明蘭州新區(qū)膨脹場地舟曲中學吸附態(tài)陽離子的含量，取灰土膨脹場地舟曲和灰土不膨脹場地彭家坪的土樣進行了陽離子含量對比試驗。根據中國農業(yè)科學院土壤實驗室對樣品中陽離子含量的測定發(fā)現（見表 3），蘭州新區(qū)灰土膨脹場地（新區(qū)舟曲中學）地基土中 Na+的含量遠高于非膨脹場地（彭家坪）地基土中 Na+含量，即膨脹場地的陽離子飽和度較高。蘭州市彭家坪在實際工程中尚未發(fā)現過灰土膨脹案例，而蘭州新區(qū)舟曲中學發(fā)生了嚴重的灰土膨脹病害。從鹽基試驗對比可知，舟曲中學地基土中 Na+含量遠高于彭家坪的地基土，Na+含量高時，加入石灰后由于鈣離子交換出更多的可溶性 Na+，可溶性 Na+被置換出來后，Na+增加了土壤的堿度，造成地基土堿化，土壤 pH 值大幅升高。

表3 陽離子含量試驗結果

土壤堿度，主要來源于土壤中交換性鈉水解所產生的 OH-以及強堿鹽 Na2CO3、NaHCO3的水解，此外土壤膠體上交換性鈉離子的相對數量也決定著土壤堿度，土壤堿比度如式（1）所示。

2.4.4 陰離子交換性能

土壤陰離子交換量（AEC）指土壤膠體能吸附的各種陰離子的總量，以每千克土壤中所有陰離子物質的量（mol/kg）表示。

1）易被土壤吸收、吸附的陰離子。

易被土壤吸收的陰離子有磷酸根（H2PO4-、HPO42-、PO43-）、硅酸根（HSiO3-、SiO32-）及某些有機酸陰離子（如草酸根、檸檬酸根等）。通常這些酸根離子是與陽離子反應生成不溶性化合物而沉淀在土粒表面，并不是離子交換吸附作用。

2）很少或根本不被吸附的陰離子。

有些離子不被土壤吸收，很容易隨水流失，如氯離子（Cl-）、硝酸根離子（NO3-）、亞硝酸根離子（NO2-）等，這些離子在土壤中和陽離子結合都是易溶鹽類，而且不被帶負電土壤膠體所吸附，甚至出現負吸附，極易隨水流失。

3）介于上述兩者之間的陰離子。

如SO42-、CO32-、HCO3-及某些有機酸陰離子，土壤膠體可吸附，但吸附這些離子的能力很弱，故容易發(fā)生離子交換作用。

4）影響土壤對陰離子吸附的因素。

陰離子的價數越大，吸附力越強。土壤對一些常見陰離子的吸附力的大小順序為：NO3-＜Cl-＜SO42-＜CH3COO-＜H2BO3-＜HCO3-＜PO43-＜OH-。OH-是個例外，雖為一價離子，但土壤對它的吸附力很強。這是因為 OH-離子半徑小，并能同土壤中帶正電荷膠粒的雙電層中的鐵、鋁離子結合，生成解離度很小的化合物。故石灰摻入土壤后，生成了 OH-，OH-很容易將膠體吸附的硫酸根離子交換出來。土壤膠體中組成成分中鐵、鋁氧化物增多，土壤吸收陰離子的能力也逐漸增大。

土壤 pH 值變化會引起膠體電荷改變。堿性增強，增大負電荷量；而酸性增強，則正電荷增多。因此在酸性條件下，土壤膠體吸附陰離子的能力增大；在堿性條件下，吸附力則減弱。摻入石灰后，陽離子交換作用使土壤堿性增強，從而使土壤膠體吸附陰離子的能力變弱，即土壤膠體吸附硫酸根離子的能力變弱，膠體吸附的 SO42-被大量解吸了出來。因此摻入石灰、Ca（OH）2等后 SO42-大幅增加。另外，土體 pH 值的高低影響著離子的交換能力，pH 值越高土體中 SO42-離子越容易交換。

土中摻入石灰后，由于 pH 值增高，增加了 SO42-的交換能力，導致原來被土壤膠體吸附的 SO42-離子被解吸了出來。SO42-含量升高和 Na+含量增加導致土壤溶液中硫酸鈉的含量增加，這是造成地基土膨脹的主要原因之一（Na2SO4吸水后體積膨脹 3.1 倍）。

2.4.5 土壤中礦物對離子交換的影響

新區(qū)的膨脹病害土主要為黃土，黃土的礦物成分約有 60 多種，其中以石英（約 50 %）、長石（約 20 %）、碳酸鹽類（約占 10 %）和黏土礦物（包括伊利石、高嶺石、綠泥石、蒙脫石等）。蒙脫石由于具有巨大的內表面、較大的表面能和負電荷，其吸附的離子主要是在晶層間，因此土壤中蒙脫石對陽離子的吸附力強，離子交換性差，加入石灰等后從蒙脫石中交換出的離子數量少（見圖 8）。

圖8 蒙脫石吸附的離子示意圖

而高嶺石負電性弱，吸附的離子主要在晶層外表，外層吸附的離子多（見圖 9），故容易被交換。而蘭州新區(qū)的黃土均含有蒙脫石和高嶺石，土壤中高嶺石吸附的離子交換性強，易被交換，不同地點的次生鹽漬化程度不同，不能排除其與土壤中礦物含量（尤其是高嶺石）的影響。

圖9 高嶺石吸附的離子示意圖

3 蘭州新區(qū)灰土次生鹽漬化的原因

1）蘭州新區(qū)的地基土含鹽量偏高，原土主要為非鹽漬土和弱鹽漬土，局部夾薄層中鹽漬土，含鹽量不均勻，原土尚未發(fā)現膨脹病害。蘭州新區(qū)目前發(fā)現膨脹病害的均為采用了灰土墊層的散水和地坪、采用了灰土墊層的路基及個別以灰土為地基的設備基礎，即新區(qū)的黃土狀土和石灰摻和后，在上覆壓力小的散水、地面、路基上出現了膨脹病害。另發(fā)現一例廠房內設備基礎下灰土墊層地基發(fā)生了膨脹病害。

2）蘭州新區(qū)地基土中含有較多的吸附性離子，當土中摻入石灰或 Ca（OH）2等后，地基土固體顆粒中膠體顆粒吸附的 SO42-、Na+等很容易被交換至土壤溶液中，交換作用使灰土成為次生鹽漬土。而土壤膠體吸附的 SO42-、Na+在不摻試劑或石灰時其吸附力較強，而易溶鹽試驗時，是先按土水 1∶5 攪拌后制作浸出液，然后檢測浸出液中的易溶鹽，故通過易溶鹽試驗不能檢測出土中吸附態(tài)的離子。

3）通過摻石灰和摻純 Ca（OH）2后樣品中 SO42-、Na+及易溶鹽總量的對比發(fā)現，蘭州新區(qū)灰土次生鹽漬化的原因是石灰中主要成分 Ca（OH）2引起的離子交換作用，不是因為石灰中雜質或 SO3的影響，石灰中雜質及硫元素不是引起灰土鹽漬化的原因；蘭州新區(qū)石灰的質量或石灰等級也不是引起鹽漬化的原因，故外購石灰或提高石灰等級并不能避免灰土的鹽漬化。

4）石灰和土摻和后，石灰中主要成分 Ca（OH）2與 Ma（OH）2中 Ca2+和 Mg2+對土壤膠體中 Na+的交換作用及硫酸根離子被交換出來是蘭州新區(qū)灰土鹽漬化的主因，是灰土中易溶鹽迅速增加的主要內因。

5）浸水、蒸發(fā)、毛細水上升、凍脹等引起的鹽分遷移是輔助外因，室內灰土地坪、灰土基礎也發(fā)生了膨脹病害，說明輔助外因不起決定性作用。

6）石灰中的 Ca（OH）2還能使土中膠體顆粒分散，導致更多的吸附性 Na+被 Ca2+置換了出來，摻入導致置換出更多易溶鹽離子，Na+增加引起土體堿性增強，形成次生鹽漬土。

7）土壤中的礦物成分對離子的吸附與解吸作用不同，土壤中礦物含量差異及吸附的離子含量對離子交換作用有較大影響。

4 結語

本研究查明了蘭州新區(qū)灰土鹽漬化的原因是由于石灰中 Ca（OH）2引起的離子交換作用，石灰中雜質及硫及石灰等級不是引起灰土鹽漬化的原因，Ca（OH）2中 Ca2+對土壤膠體中 Na+的交換作用是蘭州新區(qū)灰土鹽漬化的主因，Na+增加引起土體堿性增強，是灰土易溶鹽迅速增加的主要內因。浸水、蒸發(fā)、毛細水上升、凍脹等引起的鹽分遷移是輔助外因，外因作用不起決定性作用。后續(xù)研究宜結合農業(yè)上土壤的研究成果，進行 CEC 對比試驗，查明不同地域的土質吸附的陰陽離子總量的差異，并指明離子總量與灰土膨脹病害的關系。Q