工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1285-1291   (#KB#)    
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  • 收稿日期:2018-05-28
  • 接受日期:2018-07-23
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    吴雪婷
    项伟
    王臻华
    张美霞

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    吴雪婷, 项伟, 王臻华, 等. 2018. 离子土固化剂固化淤泥的微观机理研究[J]. 工程地质学报, 26(5): 1285-1291. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018124.
    WU Xueting, XIANG Wei, WANG Zhenhua, et al. 2018. Microscopic mechanism of solidified silt with ionic soil stabilizer[J]. Journal of Engineering Geology, 26(5): 1285-1291. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018124.

    离子土固化剂固化淤泥的微观机理研究
    吴雪婷, 项伟①②, 王臻华, 张美霞    
    ① 中国地质大学(武汉)工程学院 武汉 430074;
    ② 中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心 武汉 430074
    摘要:采用离子土固化剂对武汉典型淤泥进行化学加固,通过阿太堡界限试验获得不同配合比加固土的塑性指数;对离子土固化淤泥前后的样品开展了压缩性能、微观结构、比表面积、化学成分、能谱分析和阳离子交换等试验,研究离子土固化剂对淤泥加固的宏观表现与微观作用机理。试验结果表明:经离子土固化剂处理后的淤泥压缩性减小,孔隙变小,离子土固化剂促使土颗粒之间聚集、凝结,团聚体明显增大,比表面积减小,比表面能降低,土体结构更致密。淤泥固化前后其化学成分并没有发生改变,离子土固化剂与淤泥胶体颗粒表面的反离子层发生了阳离子交换反应,固化剂稀释液中部分K+、Na+离子被淤泥土截获吸附,黏土颗粒表面的Ca2+、Mg2+离子被解析出,使扩散层厚度变薄,ξ电势降低,黏土胶体颗粒聚结,提高了土颗粒之间的联结强度和稳定性,从而达到土壤改性加固的目的。
    关键词离子土固化剂    淤泥    固化    微观机理    
    MICROSCOPIC MECHANISM OF SOLIDIFIED SILT WITH IONIC SOIL STABILIZER
    WU Xueting, XIANG Wei①②, WANG Zhenhua, ZHANG Meixia    
    ① Faculty of Engineering, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074;
    ② Three Gorges Research Center for Geo-hazard, Ministry of Education, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074
    Abstract: The typical silt in Wuhan is solidified with Ionic Soil Stabilizer(ISS). The plasticity index of soil with different mix proportions is obtained through the test of Atterberg limits. The compressive properties, microstructure, specific surface area, chemical composition, energy spectrum analysis and cation exchange test are carried out before and after the solidification of silt with ISS. The macroscopic and microscopic mechanism of the solidification of silt with ISS are studied. The test results show that the compressive strength of silt treated with ISS decreases and porosity decreases. Ionic Soil Stabilizer promotes aggregation and condensation of soil particles, aggregates obviously increase, specific surface area decreases, specific surface energy decreases, and soil structure is denser. There is no change in the chemical composition of the silt before and after solidification. Cation exchange reaction occurs between the ISS and the counter ion layer on the surface of the silt colloid particles. The K+ and Na+ ions in the diluents of the curing agent are captured and adsorbed by the silt. The Ca2+ and Mg2+ ions on the surface of clay particles are resolved, which makes the thickness of the diffusion layer thinner, the ξ potential decreased, and the clay colloid particles coalesced. ISS improves the strength and stability of the soil particles, so as to achieve the purpose of soil modification and solidification.
    Key words: Ionic soil stabilizer(ISS)    Silt    Solidification    Microscopic mechanism    

    0 引言

    软土广泛分布于我国东南沿海及内陆地区,许多工程项目均兴建在软土地基上。淤泥软基普遍存在着沉降、差异沉降、结构失稳等现象,会导致一系列复杂的环境岩土工程问题。淤泥的处理及其资源化利用已经成为亟待解决的工程问题(朱伟等,2013)。

    离子土壤固化剂(Ionic Soil Stabilizer,ISS)加入到土壤材料中,能改进土壤的工程性质,包括增加压实度、密度、承载能力、凝聚度,减小土壤的水敏感性等。离子土壤强化技术提供一种新的、低成本的、可以就地取材、原位固化的技术方法。

    目前,国内外诸多专家学者开展了ISS固化土的试验及机理研究(Katz et al., 2001崔德山等,2007项伟等,2007卢雪松等,2011雷雯等,2014Zhang et al., 2017),也有不少成功应用ISS固化的工程案例(姚爱玲等,1998单志杰,2010),研究对象主要涉及一般黏土、粉质黏土、粉土、红黏土、黄土、滑带土、膨胀土等(汪益敏等,2009刘清秉等, 2009, 2011Zhao et al., 2014)。关于ISS改良淤泥的相关研究相对较少(杨青等,2015)。

    由于自然界的土体性质差异较大,ISS固化时存在着不同的最优材料配合比;且ISS加固的作用方式和加固效果也可能有很大差别。基于此,本文以武汉的典型淤泥为研究对象,选取美国路邦EN-1作为固化材料,利用ISS对武汉淤泥进行加固,通过试验确定ISS固化淤泥的最优配比;对ISS加固淤泥前后的压缩性能、微观结构和化学成分进行了对比,同时设计了比表面积、能谱分析和阳离子交换等试验,研究ISS对淤泥加固的宏观表现与微观机理。

    1 试验
    1.1 试验土样

    试验用淤泥土样取自武汉市汉口城区香港路一带的某深基坑内,原状土取样深度为11~13 m。取样点地貌单元属于长江一级阶地,是武汉典型的第四系全新统河湖相冲积层(Q4al)。原状土颜色为灰-灰褐色,流塑,高压缩性,含腐植物、有机物及少量螺壳。所用淤泥样品的物理力学参数如表 1所示,其颗粒分析结果如表 2所示。

    表 1 淤泥的物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical properties of silt

    表 2 淤泥的粒度成分 Table 2 Gradation of silt

    1.2 固化材料

    离子型固化剂ISS采用美国路邦EN-1土壤固化剂,EN-1原液呈黑色,含有活性成分磺化油,易溶于水,对生态无破坏、对环境无影响,是一种阴离子型表面活性剂。路邦EN-1的适用土类为:d < 0.075 mm含量大于10%,IP≥10的各类土。

    ISS在使用前被稀释成不同浓度的水溶液,本文ISS加固淤泥的最优配比以最低塑性指数来确定。通过试验得到ISS︰H2O的最优体积比为1︰150,对应的最低塑性指数为16.38(Wu et al., 2016)。

    1.3 试样制备及试验设计

    试验研究过程中共制备了3种样品,分别为:

    (1) 样品1:淤泥原状样。

    (2) 样品2:ISS︰H2O=1︰150的原状土固化样。称取原状块状淤泥样品,将溶度为1︰150的ISS稀释液倒入盛有淤泥的玻璃缸内,搅拌均匀,用保鲜膜包裹,密封养护48 h。

    (3) 样品3:ISS︰H2O=1︰150的重塑土固化样。称取淤泥的风干磨碎粉末样品(已过2 mm土筛),将溶度为1︰150的ISS稀释液倒入盛有淤泥风干粉末的玻璃缸内,使其含水率略高于液限,搅拌均匀,用保鲜膜包裹,密封养护48 h。

    ISS加固武汉淤泥微观机理研究的试验项目包括:淤泥加固前后3种样品的24 h标准固结、扫描电镜(SEM)、比表面积、化学成分分析、能谱分析(EDS)、阳离子交换量。各项试验前将养护好的样品按照不同试验的要求分别备样。

    2 试验数据对比分析
    2.1 固化前后压缩性对比

    对于淤泥而言,在工程中要解决的关键问题是沉降变形。为了研究ISS加固淤泥前后,土的压缩性能的变化,利用南京宁曦土壤仪器有限公司的GDG系列型高压固结仪对固化前后的淤泥进行了24 h标准固结试验研究。制备环刀样时采用液限含水率进行制样,养护7 d后进行固结压缩试验,施加压力等级为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa共4级荷载。各土样的压缩曲线(图 1),计算得到的压缩性指标(表 3)。

    图 1 淤泥固化前后的压缩曲线 Fig. 1 Compression curve of undisturbed silt and solidified silt

    表 3 淤泥固化前后的压缩性指标 Table 3 Compressibility index of undisturbed silt and solidified silt

    图 1表 3分析可知,对比样品1和样品2,ISS处理前后,土体压缩系数降幅约为9%。对比3个样品可以发现,对于淤泥重塑后,其样品已经不具有天然的孔隙结构特征,孔隙减小且减少,压缩性提高,加入ISS后,其压缩系数可降低约23%。经ISS处理后的淤泥压缩系数减小,压缩模量增大,压缩指数减小,土的孔隙变小,土体变得更密实。因此在相同压力作用下,ISS固化样承受外荷载的能力增强,抵抗变形的能力提高。

    2.2 固化前后微观结构对比

    土体的孔隙特征及排列分布是土体产生压缩变形的内因,微观结构和孔隙特征试验所用仪器是荷兰FEI有限公司生产的型号Quanta200的环境扫描电子显微镜(ESEM),为防止拍摄过程中由于样品受到电子束的轰击而产生放电现象,对淤泥原状样和养护龄期为7 d的ISS固化样采用液氮冷冻真空升华干燥法制备样品,并对样品进行了镀金处理。各样品电镜扫描结果(图 2)。

    图 2 淤泥固化前后的电镜扫描图 Fig. 2 SEM photos of undisturbed silt and solidified silt

    分析图 2可知,在淤泥原状样(样品1)中,单矿物颗粒较大,棱角较分明,大部分颗粒呈片状,颗粒间多以边-边、边-面方式连接,其微观结构主要以团聚体或堆叠结构为主,伴随有架空结构,孔隙较发育、分布多。而原状ISS固化样(样品2)中的团聚体厚度和体积增大,矿物颗粒棱角模糊,孔隙减少,结构单元体以面-面和边-面形式接触为主。重塑土ISS固化样(样品3)中,ISS使淤泥微观结构更加致密,结构单元体表面呈现更加明显的胶结特征,黏土颗粒全部以面-面形式接触。结论与宏观压缩性测试结果一致。

    2.3 固化前后比表面积对比

    为了研究加固淤泥前后土颗粒的大小和表面能变化,采用美国康塔仪器公司(Quantachrome Instruments U.S.)生产的全自动比表面和孔径分布分析仪Autosorb-iQ系列,进行了比表面积测试,试验采用蒸汽吸附法进行测定。ISS加固淤泥前后的比表面积测定结果(表 4)。

    表 4 淤泥固化前后的比表面积 Table 4 Specific surface area of undisturbed silt and solidified silt

    表 4的数据可知,淤泥原状土经过ISS处理后(样品2)比表面积降幅达8%,说明ISS加固淤泥原状土后,团聚体增大,土粒比表面积减小。重塑样经过ISS固化后(样品3)比表面积降幅约达11%,其减小幅度更大。ISS促进了土颗粒之间的聚结,减小了比表面积,降低了比表面能,微结构主要以大团聚体为主,SEM图像也证明了这一现象。

    2.4 固化前后化学成分对比

    淤泥固化前后的常规化学全量分析结果(表 5)。从表 5中的全量化学分析结果来看,淤泥固化前后其土颗粒的化学成分并没有发生改变,即ISS并没有改变其元素化学成分。

    表 5 淤泥固化前后的全量化学分析结果 Table 5 Total chemical analysis results of undisturbed silt and solidified silt

    2.5 固化前后能谱对比

    利用带有能谱仪(EDS)的环境扫描电子显微镜对淤泥固化前后的样品分别进行了微区化学组分测试,对加固淤泥前后的元素变化进行了研究。能谱测试结果(表 6),部分能谱图(图 3)。

    表 6 淤泥固化前后的能谱分析 Table 6 Energy spectrum analysis of undisturbed silt and solidified silt

    图 3 淤泥固化前后的EDS能谱图 Fig. 3 EDS energy spectrum of undisturbed silt and solidified silt

    分析表 6图 3中各元素及其含量可知,非固化土(样品1)中不含有C元素,而ISS固化土(样品3)中含有C元素,C元素不仅发生了从无到有的质的变化,且C元素的含量较高,其质量百分含量达到19.92% ~28.69%。样品1不含Ca元素,样品3不含Na或Mg元素,这是由于选取的点分析数量有限,且Na、Mg、Ca等元素含量很低,造成在某些能谱测试点位不显示其含量。

    显然,C元素的来源在于ISS。ISS是一种复合的化学配方,其中含有活性成分磺化油,在结构上具有独特的二重性,即由“亲水头”(磺酸的有机化合物RSO3H)和“疏水尾”(C-H原子组成)构成(杨青等,2015)。ISS依靠“亲水头”中的SO32-离子与黏土颗粒表面吸附的阳离子之间形成的化学链作用,与淤泥颗粒相结合,其“疏水尾”则围绕着黏土颗粒或在黏土层间形成一个油性层,使土颗粒具有疏水性。由于ISS是一种有机分子,其“疏水尾”这部分中含有C元素,因此ISS固化样的土粒表面会出现C元素,而淤泥原样中由于没有ISS,故不含C元素。

    2.6 固化过程阳离子交换与吸附分析

    ISS与土体之间的反应过程是一个复杂的多孔介质、多组分反应性溶质运移的过程,它们之间会经过一系列物理力学、化学和物理化学过程。由于黏土颗粒表面带有负电荷,其表面被吸附的阳离子是可交换的,因此,阳离子交换和离子吸附反应成为影响溶液中离子运移的主要反应类型。

    首先利用可视化三联渗透固结仪在各样品固结的同时采集固结渗出液,然后采用美国Thermo公司生产的ICAP6300型等离子光谱分析仪(ICP-OES法)测试渗出液中阳离子的含量。为了和ISS原液里各离子含量进行对比,分析ISS加固淤泥时的离子交换情况,将ISS的稀释液也进行了等离子光谱分析。各样品的渗出液中其主要阳离子含量(表 7)。

    表 7 固结渗出液及ISS稀释液中主要阳离子浓度 Table 7 Main cations concentration in consolidation diffusate and ISS diluent

    表 7可知,样品1的固结渗出液中K+、Na+、Ca2+、Mg2+这4种阳离子浓度均少于ISS固化样(样品2、样品3)。ISS(1︰150)稀释液中K+离子浓度约是原状样(样品1)渗出液中K+离子浓度的20倍,Na+离子浓度是其7倍;相反,Ca2+离子浓度是其67%,Mg2+离子浓度是其36%;相对原状样(样品1)渗出液而言,ISS(1︰150)稀释液中的K+、Na+离子浓度高,Ca2+、Mg2+离子浓度低。

    试验数据表明,当向淤泥中加入ISS固化剂后,ISS固化样(样品2、样品3)的固结渗出液中Ca2+、Mg2+离子浓度急剧升高,达样品1渗出液的5~6倍;K+、Na+离子浓度略有升高,约为样品1渗出液的2倍左右。由于加入的ISS稀释液中Ca2+、Mg2+离子浓度低于样品1,固化后其浓度反而剧增;加入的ISS稀释液中K+、Na+离子浓度远高于样品1,固化后其浓度仅略有升高;根据这两种相反的阳离子浓度变化情况,可以判断:ISS固化液与淤泥黏土颗粒表面附近的阳离子发生了离子交换作用,ISS稀释液中大部分K+、Na+离子被黏土颗粒截获吸附,黏土颗粒表面的Ca2+、Mg2+离子被解析出,ISS中的K+、Na+离子将淤泥中黏土颗粒表面附近的Ca2+、Mg2+离子置换出来,Ca2+、Mg2+离子在固结压缩过程中随固结渗出液渗出。

    3 ISS固化淤泥的机理研究

    ISS是一种表面活性剂类土壤固化剂,ISS与淤泥混合后,ISS“亲水头”能与黏土颗粒表面形成化学链,并溶解在黏土矿物颗粒表面的结合水层中,其“疏水尾”则围绕着黏土颗粒或在黏土层间形成一个油性层,阻止水进入这个体系。

    根据土体的双电层理论,当往淤泥土体里加入ISS稀释液时,淤泥中土颗粒表面的反离子层中的离子类型和浓度发生改变。ISS稀释液是一种电解质,其离解的K+、Na+阳离子浓度大,具有很高的渗透压,K+、Na+离子从自由溶液进入反离子层使浓度增加,黏土颗粒表面的Ca2+、Mg2+离子则从反离子层跑到自由溶液中,发生着离子交换。

    ISS能够减小黏土颗粒表面吸附的结合水膜厚度,降低胶体的ξ电势,使粒间的距离减小,引力增加,排列更紧密,逐步形成更大的团聚体,提高了土颗粒之间的联结强度和稳定性。ISS固化淤泥机理的示意图见图 4(改自项伟等,2007)。

    图 4 ISS固化淤泥机理示意图(改自项伟等,2007) Fig. 4 Sketch map of mechanism of solidified silt with ISS

    4 结论

    ISS固化武汉淤泥软土ISS:H2O的最优体积比为1︰150,经ISS处理后的淤泥土颗粒粒径增大,土粒比表面积减小,结构更加致密。淤泥固化后的宏观表现为压缩系数和压缩指数减小,压缩模量增大,ISS加固后的淤泥承受外荷载的能力增强,抵抗变形的能力提高。

    黏土颗粒带电表面处形成的独特的双电层结构和土颗粒双电层与周围溶液中的离子交换和吸附对土体的工程力学性质有着直接的影响,而离子型土壤固化剂ISS改良土质的方法就是利用了黏土颗粒与水的这种相互作用机理。

    参考文献
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