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离子土壤固化剂加固武汉红色粘土的试验效果及其机理研究

作　者: 卢雪松
导　师: 项伟
学　校: 中国地质大学
专　业: 岩土工程
关键词: 离子土壤固化剂红色粘土渗流规律动力特性微观孔隙结构双电层固化机理
分类号: TU442
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着我国国民经济的高速发展,在南方地区广泛分布的第四系红色粘土,被大量地用作工程建筑材料和地基使用。由于红色粘土具有不良的物理性质与胀缩性,常常会引发许多工程危害,如道路开裂、地基不均匀沉降、边坡失稳和基坑变形破坏等。人们在长期的土壤固化工程当中,逐步认识到采用水泥、石灰、粉煤灰等传统的土壤固化材料存在着明显不足,满足不了工程建设发展和社会发展的需要。为了改善红色粘土的不良物理性质,提高土体的强度、减小土体的变形,采用一种从澳大利亚进口的新型电化学加固材料——离子土壤固化剂(英文名称Ionic Soil Stabilizer,简称ISS,国内俗称“路基实”),对武汉市红色粘土进行了加固。ISS是一种表面活性剂类土壤固化剂,最先是由美国化学教授雷诺(Reynolds)研制成功的,其中含有活性成份磺化油,在常温下为黑褐色液体,易溶于水,它主要是通过物理化学原理,与土体发生一系列的物理化学反应,达到提高土体力学强度和增强水稳定性的作用。ISS具有成本低、施工方便、耐久、保护生态环境和对土壤有广泛的适用性等优点,对于我国建立一个环保型、节约型社会和促进农村经济的建设具有重要的现实意义。由于ISS引入我国较晚,同时缺乏理论研究的支持,ISS在我国的工程应用大多是一些小型工程,较大型的工程还不敢采用这种新技术。针对这个问题,本论文结合国家自然科学基金项目(No.40972185)“离子土壤固化剂对红粘土结合水的影响”和国家自然科学基金项目(No.40672188)“离子土壤固化剂加固滑坡滑带土的机理研究”,从不同的方面开展了大量的室内试验,对ISS加固红色粘土的固化机理和加固效果进行了深入研究。本文主要开展了以下研究工作：(1)利用等离子体发射光谱仪和离子色谱仪对离子土壤固化剂中所含有的离子成份进行了试验研究,研究结果表明：ISS是一种离子浓度较高的溶液,易溶于水,在水中能离解出带正电荷的阳离子[X]n+和带负电荷的阴离子[Y]n-,阳离子主要以K+、Na+、Ca2+、Mg2+为主,其中Na+离子浓度最高；阴离子主要以Cl-、NO3-和SO42-为主,其中S042-离子浓度最高；ISS对人体、牲畜和大自然均无损害,有利于保护生态环境。(2)运用最大气泡压力法对ISS溶液的表面张力进行了试验研究,研究结果表明：ISS溶于水后能明显降低水的表面张力,并且随着浓度的增加,表面张力呈下降趋势。由于ISS溶于水后能明显降低水的表面张力,这样ISS水溶液就很容易在土颗粒表面铺展开,有利于离子交换反应的迅速进行,为ISS固化土体创造了条件,这一作用使ISS极易进入扩散层,改善粘土颗粒表面的电荷性质。(3)对不同配比的ISS固化土进行了无侧限抗压强度和界限含水量试验研究,研究结果表明：ISS加固红色粘土的最优配比可以通过塑性指数或者无侧限抗压强度的变化来进行确定。由于采用塑性指数指标快速、经济、适用,建议以最低塑性指数来确定ISS加固土的最优配比。在强度变化规律上,ISS固化土强度随着龄期的增长而增加,其中0-28天龄期内强度增长速度较快,到达28天以后,强度增长速度减慢。(4)在ISS最优配比和最佳含水量下,对不同密度的ISS固化土进行了剪切试验研究,研究结果表明：ISS加入红色粘土后,能明显提高土的粘聚力,但对内摩擦角的影响较小；此外,在最佳含水量和一定的压实度范围内,密度对ISS固化土抗剪强度参数的影响具有一定的规律性,其抗剪强度参数与压实度(密度)呈良好的线性关系,具体表现为粘聚力随密度的增加而增加,内摩擦角随密度的增大而减小。(5)对ISS加固红色粘土进行了试验效果研究,研究结果表明：红色粘土经ISS加固后,明显改进了其工程性质,包括增加强度、干密度、凝聚力、持水能力和减小压缩变形,同时改善了土的塑性、膨胀性、收缩性和吸水性能。(6)利用自制的渗流试验装置,对同一个土柱先后进行了纯水、ISS水溶液、再纯水三个阶段的一维垂向渗流试验,研究结果表明：①在稳定流条件下,纯水在红色粘土中的渗流规律不符合达西线性渗流规律,属于非线性渗流规律,存在着起始水力梯度Ⅰ0,当在较低的水力梯度范围内,渗流速度比较低时,符合达西渗流定律；当水力梯度升高后,偏离达西定律线性规律,土体的渗透系数不再是定值。②无论是在稳定流或非稳定流入渗条件下,ISS水溶液在红色粘土中的一维垂向渗流规律都不符合线性达西定律,同时存在起始水力梯度。③在稳定流条件下,经ISS渗透作用后的红色粘土,纯水在土中的渗流规律不符合达西线性渗流定律,存在明显的起始水力梯度,但纯水在土体中的渗流速度比原样平均下降了43%,其渗透性明显变小。(7)通过逐级施加动荷载,考虑不同的围压,对ISS固化土进行了室内动三轴试验研究,研究结果表明：红色粘土经ISS处理后,土的动力特性有了很大程度的改善,其最大动剪切模量比原样平均增长了27.72%,并且围压对ISS固化土的动剪切模量和阻尼比都有着很大的影响,在相同的应变条件下,随着围压的增大,动剪切模量增加而阻尼比减小。除此之外,ISS固化土的动剪模量比与动剪应变的相关曲线和红色粘土原样的有关曲线形状基本一致,只是在相同应变时数值大小不同,并且它们的动剪切模量都随动剪应变幅值的增大而降低。(8)采用冷冻真空升华干燥法制备样品,借助扫描电镜对ISS加固红色粘土前后的微观结构进行了试验研究,研究结果表明：在红色粘土原样中,其微观结构类型主要是以团聚体或粒团的堆叠结构为主,并伴随有架空结构,结构单元体主要以点-面、边—面形式接触为主,孔隙较发育；经ISS加固后的红色粘土,其微观结构主要是以团聚体结构为主,但团聚体明显增大,孔隙减少,结构变得更加紧密,结构单元体主要以面—面和边—面形式接触为主。同时从SEM照片中还可以看到,红色粘土经ISS加固后,结构单元体上表面胶结物胶结特征更明显,粘土矿物片状颗粒以面—面的形式接触非常紧密。(9)应用分形理论,借助ARCGIS软件来矢量化3000倍的SEM照片,同时采用孔径测试仪对土中的孔隙进行测试,定量分析了土中孔隙的变化特征。红色粘土样经ISS加固后,单位区域内的孔隙分布数量明显减小,土颗粒数量增多,孔隙/颗粒的比值由固化前的1.390减小到1.031,说明了红色粘土经ISS处理后,孔隙减少,土体变得更密实。经过ISS处理后的红色粘土,在相同的压力条件下,并不是每一个对应的孔体积都比红色粘土原样小,其减小的孔隙体积主要是小于3.006101nm孔径的体积。(10)通过一系列的X射线衍射试验研究,得出了武汉红色粘土主要含有高岭石、伊利石和蛭石三种粘土矿物,非粘土矿物主要是石英、长石和赤铁矿；同时通过对比ISS加固红色粘土前后的X衍射图谱和衍射特征值,红色粘土经ISS处理后,土中并没有新的矿物生成,只是粘土矿物的晶面间距稍微减小。(11)借助Zeta电位仪对粘粒的电动电位进行了测试,研究结果表明：红色粘土在加入ISS后,其ζ电位都有不同程度的降低,反映了结合水膜变薄,但不同配比下降低的幅度不同,在最优配比下的ζ电位降至最低,由红色粘土原样的-31.02 mV降至-17.62mV,降低幅度达到43.2%,并且ζ电位与ISS配比的变化规律和塑性指数基本是一致的；同时毛电位试验表明,ISS虽然能够减小红色粘土的ζ电位,但ζ电位值仍然存在,说明了粘土颗粒表面仍然存在双电层结构,只不过是扩散层的厚度变小了。(12)通过对不同时段的渗流浸出液离子成分测试,研究了ISS加固土体过程中各离子浓度随时间的变化规律,得出了红色粘土中可溶盐主要含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+等四种阳离子,阴离子主要含有Cl-、NO3-和SO42-,并在试验的前期有溶出现象。通过Na+/Ca2+,Na+/Mg2+值的变化情况,得出了ISS水溶液中的Na+离子与粘土颗粒表面吸附的Ca2+、Mg2+离子进行了阳离子交换反应,其浓度与反应的程度有直接关系。(13)ISS通过物理化学原理,减小了结合水膜厚度,其主要作用有二个方面：①依靠ISS“亲水头”与粘土颗粒表面上金属阳离子所形成的化学链作用,ISS分子占据了红色粘粒颗粒表面上的部分阳离子空位,赶走了吸附在红色粘土颗粒表面上亲水性阳离子,同时ISS被吸附在粘土矿物的表面；②ISS“疏水尾”围绕着红色粘土颗粒表面形成了一个油性层,“疏水尾”对红色粘土颗粒表面上的水有一定的排挤作用,并阻止水份进入这个体系。正是在以上的共同作用下,ISS减小了红色粘土颗粒表面的结合水膜厚度。结合水的厚薄对粘性土的物理力学性质影响很大,由于ISS使双电层的厚度变小,结合水膜变薄,这样就降低了土粒之间的相互排斥能而使吸引力增加,颗粒之间得以相互靠近,从而使土体变得更密实,土的强度也相应提高。这也是ISS加固红色粘土的反应机理。(14)能谱测试表明,红色粘土经ISS处理后,土粒表面上的C元素发生了明显变化,从无到有,证实了ISS分子与土颗粒相结合的作用,这一作用也是ISS与土体发生物理化学反应、改进土的工程特性的重要原因之一。(15)综合所有的试验结果与分析,得出了ISS加固红色粘土的固化机理主要受下面五个因素的综合作用：①ISS溶于水后能显著降低水的表面张力,有利于土粒的吸附和离子交换反应的迅速进行,为ISS固化土体创造了条件,这一作用使ISS极易进入扩散层,改善红色粘土颗粒表面的电荷性质。②ISS的“亲水头”能与粘土颗粒表面的金属阳离子形成化学链作用,使ISS分子与粘土颗粒相结合。③依靠ISS“亲水头”与粘土颗粒表面上阳离子所形成的化学链作用,ISS分子占据了红色粘粒颗粒表面上的部分阳离子空位,赶走了吸附在红色粘土颗粒表面上亲水性阳离子,同时ISS的“疏水尾”对红色粘土颗粒表面上的水有一定的排挤作用,并阻止水份进入这个体系,以至于无需多大的机械力就可将其排出。在以上的共同作用下,ISS使粘粒双电层的厚度减小,结合水膜变薄,从而降低了土粒之间的斥力而使吸引力增加,使颗粒之间相互靠近,土体变得更密实,土的强度提高。④粘土—水界面存在着“膜效应”,当粘土矿物晶层间的阳离子浓度与水中的阳离子浓度有差异时,二者之间就会形成一种所谓的“膜效应”,即离子浓度高的一边会吸水,低的一边会失水,而ISS是一种离子浓度很高的溶液,当它与粘土矿物的晶层接触时,会影响到粘土矿物层间水的脱失,从而使粘土矿物的晶面间距减小,晶层靠近。⑤ISS溶液中的阳离子是一种有机阳离子,它除了具有带正电荷的无机阳离子的功能外,还能通过碳、氢等与晶层底面氧产生氢键等,因而对带负电荷的粘土矿物晶层具有更强大的吸引力,使晶层间距变得比较稳定而不易受孔隙液性质变化的影响,即红色粘土中胀缩性晶体此时不发生明显的体积胀缩变化,这一作用减弱了红色粘土的胀缩能力。在上述五个因素的综合作用下,经过ISS与红色粘土以及它们自身之间的物理、物理化学和化学的作用下达到固化红色粘土的目的。本文研究的创新性体现在：(1)利用自制的渗流试验装置,对同一个土柱先后进行了纯水、ISS水溶液、再纯水三个阶段的一维垂向渗流试验,通过分析渗流速度与水头梯度的关系,研究了ISS水溶液在红色粘土中的渗流规律。(2)通过逐级施加动荷载,考虑不同的围压效应,对ISS固化土进行了室内动三轴试验,研究了ISS固化土的动力特性。(3)通过对同一土柱不同时段的渗流浸出液离子成分测试,分析了ISS加固土体过程中各离子浓度随时间的变化规律,并对ISS的固化反应机理进行了深入研究。

全文目录

摘要  6-10
ABSTRACT  10-20
第一章绪论  20-31
  §1.1 选题依据和研究意义  20-22
  §1.2 国内外研究现状  22-27
    1.2.1 土壤固化剂的发展及其类型研究现状  23-26
    1.2.2 离子土壤固化剂加固土体的研究现状  26-27
  §1.3 发展趋势及存在问题  27-28
  §1.4 论文主要研究内容及技术路线  28-31
    1.4.1 研究内容  28-29
    1.4.2 技术路线  29
    1.4.3 本文的创新点  29-31
第二章 ISS与红色粘土研究  31-48
  §2.1 离子土壤固化剂(ISS)研究概况  31-33
  §2.2 ISS的离子成分及其溶液性质研究  33-40
    2.2.1 ISS的离子成分测试研究  33-36
    2.2.2 ISS溶液性质研究  36-40
  §2.3 红色粘土研究  40-47
    2.3.1 红色粘土的定义及其成因  40-42
    2.3.2 红色粘土的基本特性  42-46
    2.3.3 红色粘土的物理力学性质  46
    2.3.4 红色粘土研究存在的不足与需要解决的问题  46-47
  §2.4 本章小结  47-48
第三章 ISS加固红色粘土的试验效果研究  48-70
  §3.1 ISS加固红色粘土的最优配比设计  48-53
    3.1.1 试样用土及其基本物理性质指标  48
    3.1.2 固化材料  48-49
    3.1.3 ISS最优配比设计  49-53
  §3.2 比表面积研究  53-58
    3.2.1 试样制备和试验方法  54-55
    3.2.2 试验结果与分析  55-58
  §3.3 膨胀和收缩试验研究  58-59
    3.3.1 试样制备和试验方法  58
    3.3.2 试验结果与分析  58-59
  §3.4 抗剪强度规律研究  59-63
    3.4.1 试样制备和试验方法  60-61
    3.4.2 试验结果与分析  61-63
  §3.5 土的压缩性试验研究  63-65
    3.5.1 试样制备和试验方法  64
    3.5.2 试验结果与分析  64-65
  §3.6 土—水特征曲线研究  65-67
    3.6.1 试样制备和试验方法  65-66
    3.6.2 试验结果与分析  66-67
  §3.7 ISS加固效果  67-68
  §3.8 本章小结  68-70
第四章离子土壤固化剂在红色粘土中的渗流试验研究  70-90
  §4.1 室内渗流试验仪器概述  70-73
    4.1.1 仪器简介  70-71
    4.1.2 计算原理  71-73
  §4.2 本文渗流试验装置介绍  73-77
    4.2.1 定水头实验装置  73-75
    4.2.2 变水头实验装置  75-76
    4.2.3 试样的制备装置  76-77
  §4.3 渗流试验方案  77-80
    4.3.1 试样的制备方案  77-78
    4.3.2 基于定水头实验装置的渗流试验  78-80
    4.3.3 基于变水头试验装置的渗流试验  80
  §4.4 渗流试验结果分析  80-89
    4.4.1 试验材料和步骤  80
    4.4.2 纯水在红色粘土中的渗流规律  80-82
    4.4.3 ISS水溶液在红色粘土中的渗流规律  82-86
    4.4.4 土体与ISS作用后的渗透特性  86-89
  §4.5 本章小结  89-90
第五章 ISS加固红色粘土前后的动力特性试验研究  90-101
  §5.1 动荷载的分类及土动力特性的试验方法概述  90-91
  §5.2 动三轴试验概述  91-94
  §5.3 土的动应力-应变关系和阻尼特性  94-96
  §5.4 ISS加固红色粘土前后的试样动力试验过程  96-97
  §5.5 ISS加固红色粘土前后的动力试验结果及分析  97-99
    5.5.1 动剪切模量  97-98
    5.5.2 阻尼特性  98-99
    5.5.3 ISS固化土样的最大动剪切模量  99
  §5.6 本章小结  99-101
第六章 ISS加固红色粘土前后的微观孔隙结构特征研究  101-114
  §6.1 微观结构研究概况  101-102
  §6.2 微观结构定性分析  102-107
    6.2.1 制样方法  102-103
    6.2.2 样品制备与试验步骤  103-104
    6.2.3 试验结果与分析  104-107
  §6.3 微观结构定量化研究  107-109
    6.3.1 分形理论概述  107
    6.3.2 孔隙定量化研究  107-109
  §6.4 孔隙结构特征研究  109-113
    6.4.1 试验目的  109-110
    6.4.2 试验制备与试验步骤  110
    6.4.3 试验结果与分析  110-113
  §6.5 本章小结  113-114
第七章 ISS加固红色粘土前后的矿物鉴定研究  114-129
  §7.1 X射线衍射的研究  114-116
    7.1.1 概述  114
    7.1.2 X射线衍射的基本原理  114-116
  §7.2 X射线衍射试验研究  116-128
    7.2.1 仪器与试剂  116
    7.2.2 试样制备  116-117
    7.2.3 非定向样品的X射线衍射图谱  117-120
    7.2.4 自然定向片样品的X射线衍射图谱  120-122
    7.2.5 乙二醇处理定向片样品的X射线衍射图谱  122-124
    7.2.6 盐酸处理定向片样品的X射线衍射图谱  124-126
    7.2.7 氯化钾处理定向片样品的X射线衍射图谱  126-128
  §7.3 本章小结  128-129
第八章 ISS加固红色粘土的机理研究  129-151
  §8.1 土中的水  129-131
    8.1.1 水分子结构及其相互作用  129-130
    8.1.2 土中水的类型与特性  130-131
  §8.2 粘土颗粒与水的相互作用  131-138
    8.2.1 粘土颗粒表面带电的原因  132-133
    8.2.2 粘土颗粒表面的双电层  133-134
    8.2.3 影响扩散层厚度的因素  134-135
    8.2.4 ξ电位试验研究  135-138
  §8.3 离子土壤固化剂加固红色粘土的反应机理研究  138-146
    8.3.1 渗流过程渗出液成分分析  139-141
    8.3.2 渗出液成分试验结果的分析  141-146
  §8.4 ISS加固红色粘土前后的能谱试验  146-148
  §8.5 ISS加固红色粘土的机理研究  148-149
  §8.6 小结  149-151
第九章结论与展望  151-154
  §9.1 结论  151-153
  §9.2 展望  153-154
致谢  154-155
参考文献  155-160

离子土壤固化剂加固武汉红色粘土的试验效果及其机理研究

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