仿巖溶碳酸氫鈣改良膨脹土試驗研究

邱維釗，楊秀娟，陶 然，樊恒輝，趙文赫，劉 昊，劉翼飛

(西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

膨脹土中的黏土礦物成分主要是蒙脫石，它對環(huán)境變化，特別是濕熱變化敏感，其反應是吸水膨脹和失水收縮，產(chǎn)生膨脹壓力[1]。含有膨脹土的路堤、地基或邊坡通常會發(fā)生基礎沉陷、建筑物變形開裂、邊坡崩塌等工程地質(zhì)災害，給人們的生命財產(chǎn)帶來巨大的損失[2-3]。為了滿足膨脹土地區(qū)工程建設的需求，需要對膨脹土進行加固改良。目前處理膨脹土的方法主要是化學改性[4]，常見的改性劑有石灰、水泥等[5-6]。但這些土壤固化材料在生產(chǎn)及工程應用中，容易對生態(tài)環(huán)境造成污染破壞，而且往往由于攪拌不均勻造成改良效果不好[7-8]。為此，人們又相繼研發(fā)了離子型土壤固化劑、微生物誘導碳酸鈣沉積[9-11]等技術(shù)來改良特殊土的工程性質(zhì)。含鈣離子土壤固化技術(shù)改良膨脹土的機理都涉及到具有膠結(jié)性的碳酸鈣晶體生成于土體之中，依靠碳酸鈣的膠結(jié)作用來達到加固土體的目的，如石灰加固和微生物誘導碳酸鈣沉積技術(shù)。這些方法均能達到良好的加固效果，但也存在著一定的問題，如傳統(tǒng)的含鈣離子土壤固化技術(shù)發(fā)揮作用的碳酸化作用需要的時間較長[12-13]，微生物誘導碳酸鈣沉積受環(huán)境以及培養(yǎng)液等條件限制較多[14]。本研究從自然界鐘乳石和黃土中鈣質(zhì)結(jié)核的形成機理出發(fā)，提出了一種環(huán)境友好型的土體加固技術(shù)，即仿巖溶碳酸氫鈣加固土體的技術(shù)(Calcium Bicarbonate from Pseudo-Karstification，簡稱CFPK)，進行了自由膨脹率、無荷膨脹率、收縮、直接剪切、酸堿度和碳酸鈣含量測定、粒度分析和掃描電鏡試驗，以期探明CFPK改良膨脹土的效果及作用機理。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗土樣

試驗用土取自陜西省漢中市洋縣漢江二級階地，取土深度2 m以下，土樣觸感膩滑，呈灰白色。土樣基本物理性質(zhì)指標見表1。

表1 土樣基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of soil sample

2.2 仿巖溶碳酸氫鈣溶液的制備

仿巖溶碳酸氫鈣溶液的制備裝置包括一個供氣設備和一個耐壓容器，制備裝置示意圖見圖1。

圖1 仿巖溶碳酸氫鈣溶液的制備裝置示意圖Fig.1 Diagram of devices for calcium bicarbonate solution formed by pseudo-karstification

2.3 土樣制備

按照液固比(質(zhì)量比)0∶1、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、8∶1、10∶1、12∶1將膨脹土與仿巖溶碳酸氫鈣溶液混合，攪拌均勻后先真空抽氣2 h(提供負壓條件，促進碳酸氫鈣的快速分解，提高工作效率)再自然風干，磨細過篩，裝袋備用。部分土樣采用純水進行了對照試驗。

2.4 試驗方法

自由膨脹率、無荷膨脹率、收縮、直接剪切、酸堿度及碳酸鈣含量的測定試驗按照《土工試驗方法標準》[15](GB/T 50123—2019)進行。其中，直接剪切試驗采用快剪試驗，酸堿度試驗采用電測法，碳酸鈣含量的測定采用氣量法進行。

陽離子交換量試驗按照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》(第2版)[16]進行，土壤交換性鹽基的提取采用乙醇洗鹽、氯化銨-乙醇溶液交換提取法，交換性陽離子的測定采用日本日立公司生產(chǎn)的型號為ZA3000的原子吸收光譜儀進行。

粒度分析試驗采用英國生產(chǎn)的型號為Mastersizer 2000E的激光粒度儀進行。將制備好的土樣過2 mm孔徑篩，為了避免生成的碳酸鈣膠結(jié)在測試過程中被破壞，測試過程中均未對土樣進行超聲分散處理。

掃描電鏡試驗采用型號為FEI Quanta 600 FEG的場發(fā)射掃描電鏡，對不同液固比仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理并風干后的土塊進行掃描。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 自由膨脹率試驗

將土樣分別過0.5 mm孔徑篩和過2 mm孔徑篩，并用不同液固比仿巖溶碳酸氫鈣溶液對2種粒徑的土樣進行處理，風干后再按照《土工試驗方法標準》[15](GB/T 50123—2019)要求進行試驗。試驗結(jié)果見圖2(a)。

《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[17](GB 50112—2013)規(guī)定，土樣自由膨脹率40%≤δef<65%時，膨脹土的膨脹潛勢為弱，屬于低膨脹土；65%≤δef<90%時，膨脹土膨脹潛勢為中，屬于中膨脹土；當δef≥90%時，膨脹土膨脹潛勢為強，屬于高膨脹土。由圖2(a)可以看出，未經(jīng)處理的膨脹土樣自由膨脹率為90%，屬于強膨脹土； 隨著液固比的增加，土樣的自由膨脹率呈現(xiàn)先大幅降低后小幅上升，進而趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象；用過0.5 mm篩的膨脹土制備的土樣自由膨脹率從90%降低到液固比為6∶1時的57.5%，從高膨脹(≥90%)降低到低膨脹(<60%)，當液固比大于6∶1后自由膨脹率穩(wěn)定在60%左右；用過2 mm孔徑篩膨脹土制備的土樣，自由膨脹率從90%降低到液固比為6∶1時的65%，繼而在70% ～ 75%之間浮動，從高膨脹(≥90%)降低到中膨脹(60%≤δef<90%)。自由膨脹率試驗結(jié)果表明，CFPK對膨脹土的膨脹性具有較好的改良效果。這同時也反映出粒徑對CFPK的改良效果具有一定的影響，即土樣制備時所用的土粒粒徑越細，仿巖溶碳酸氫鈣溶液對于膨脹性的改良效果越好。

3.2 無荷膨脹率試驗

將過2 mm篩的膨脹土用不同液固比的仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理，風干后過2 mm孔徑篩，按干密度1.52 g/cm3(壓實度0.98)，含水率24.3%，制備無荷膨脹率試樣，試樣高20 mm，直徑61.8 mm。試驗結(jié)果見圖2(b)。

由圖2(b)可以看出：隨著液固比的增大，無荷膨脹率整體呈現(xiàn)出降低的趨勢，當液固比小于6∶1時，無荷膨脹率降低的幅度比較明顯，但當液固比大于6∶1時，無荷膨脹率降低的趨勢逐漸變緩；當液固比為6∶1和12∶1時，無荷膨脹率分別由15.0%降低到8.4%和8.0%，分別降低了44%和47%。

3.3 線收縮率試驗

線收縮率試驗的土樣處理及試樣制備過程同無荷膨脹率試驗的土樣處理及試樣制備過程。不同液固比仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理下土樣的線收縮率結(jié)果如圖2(c)所示。

由圖2(c)可以看出：隨著液固比的增大，線收縮率先大幅下降，后降幅逐漸變緩；當液固比達到6∶1時，線收縮率降低到7.0%以下，線收縮率從8.0%降低到6.5%，降低了19%，隨后降幅變緩，線收縮率降至6.4%后便不再發(fā)生明顯變化。

圖2 徑仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理后膨脹土的自由膨脹率、無荷膨脹率、線收縮率Fig.2 Free swelling ratio, unloading expansion rate and linear shrinkage rate of expansive soil treated by CFPK

3.4 抗剪強度試驗

按干密度1.55 g/cm3(壓實度1.00)，含水率24.3%制備試樣?？辜魪姸扰c豎向壓力的關系曲線如圖3所示，τ(0∶1)=0.09σ+85.5表示素土抗剪強度和豎向壓力的擬合關系，τ(4∶1)=0.11σ+88.1表示經(jīng)過液固比為4∶1的仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理的土樣抗剪強度和豎向壓力的擬合關系，以此類推。

圖3 抗剪強度與豎向壓力關系Fig.3 Relationship between shear strength and vertical pressure

由圖3可以看出，仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理的土樣抗剪強度有了一定程度的提高，且在300 kPa和400 kPa豎向壓力下的提高幅度高于100 kPa和200 kPa豎向壓力下的提高幅度。

由抗剪強度試驗所得的黏聚力和內(nèi)摩擦角結(jié)果見表2。由表2可以看出，隨著液固比的增大，黏聚力呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，內(nèi)摩擦角逐漸增大，變化幅度不明顯。至液固比為6∶1時，黏聚力最大，為93.1 kPa，相比素土的黏聚力增加了15%。

表2 黏聚力和內(nèi)摩擦角Table 2 Results of cohesion and internal friction angle

4 改良機理分析

4.1 陽離子交換量試驗

土樣交換性陽離子分量、總量及交換性鈉離子百分比(Exchangeable Sodium Percent,簡稱ESP)見表3。交換性鈉離子百分比ESP的計算如式(1)所示。

表3 土樣交換性陽離子含量Table 3 Content of exchangeable cations in soil sample

(1)

式中：CNa+為交換性鈉離子含量(cmol/kg)；CEC為陽離子交換量(cmol/kg)。ESP<7%，屬非分散土；ESP=7%～10%，屬過渡分散土；ESP=10%～15%，屬分散土；ESP≥15%，屬強分散土，有嚴重管涌的可能性[18]。

由表3可以看出:隨著液固比的增加，交換性陽離子總量和交換性Ca2+含量呈現(xiàn)出先降低后升高的規(guī)律，且在液固比為6∶1時達到最低；在液固比為10∶1時，交換性陽離子總量和交換性Ca2+含量又升高到膨脹土的水平；交換性K+、Na+、Mg2+的含量和ESP值則變化不明顯。分析原因是因為仿巖溶碳酸氫鈣溶液在制備過程中有下列反應存在：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

4.2 碳酸鈣含量和酸堿度的變化

液固比對土樣碳酸鈣含量和酸堿度的影響見表4。

表4 液固比對土樣酸堿度和碳酸鈣含量的影響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值為8.19，碳酸鈣含量為5.46 g/kg，而經(jīng)過仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理的土樣，隨液固比的增大，pH值增大，碳酸鈣含量整體呈增加趨勢。試驗測得0.4 MPa下配制仿巖溶碳酸氫鈣溶液時碳酸鈣的溶解度為1.41 g/L。由表4結(jié)果可以看出，不同液固比仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理下土樣中碳酸鈣含量的增加規(guī)律比較符合這個數(shù)值。值得說明的是，隨著pH值的增大，土體的負電荷增大，吸附更多的H+、Ca2+等陽離子，雙電層厚度增大，團聚作用減弱，膨脹收縮變形增大。這也是液固比超過6∶1時，改性土膨脹性有所上升的原因之一。

4.3 激光粒度分析試驗

在激光粒度分析試驗中，為使試驗結(jié)果具有可比性，在制樣時采用純水做了對照試驗，即用純水代替CFPK作為對照，分析結(jié)果見表5。

表5 粒度分析結(jié)果Table 5 Analysis result of particle size

由表5可以看出，素土的砂粒含量為42.3%，純水對照土樣的砂粒含量為39.9%，而經(jīng)仿巖溶碳酸氫鈣溶液固液比為6∶1、8∶1、12∶1處理的土樣，砂粒含量分別為47.2%、47.6%和51.1%。從粒度分析結(jié)果可以看出，經(jīng)仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理的土樣，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為離子交換反應促進了土顆粒的絮凝，進而促進了大顆粒的形成；另一方面是因為碳酸氫鈣分解生成了具有膠結(jié)性的碳酸鈣，把小顆粒膠結(jié)成了較大的顆粒。大顆粒的形成一方面減小了土顆粒的比表面積，降低了土顆粒與水接觸的機會，另一方面提高了土體的抗剪強度，從而起到了降低脹縮性、提高抗剪強度的作用。

4.4 掃描電鏡試驗

圖4(a)和圖4(b)分別為1 000倍放大倍數(shù)下，經(jīng)液固比為6∶1的純水和6∶1的仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理的土樣下表面掃描結(jié)果。圖5(a)和圖5(b)分別為5 000倍放大倍數(shù)下，經(jīng)液固比為6∶1的純水和6∶1的仿巖溶碳酸氫鈣溶液處理的土樣的側(cè)斷面掃描結(jié)果。膨脹土和仿巖溶碳酸氫鈣溶液混合后，在風干過程中，大顆粒最先發(fā)生沉降，導致風干后土樣的下表面聚集了大量的較大顆粒，這些顆粒間連接松散，孔隙較大，如圖4(a)所示；而經(jīng)碳酸氫鈣溶液處理的土樣，在碳酸氫鈣分解生成的具有膠結(jié)作用的碳酸鈣的膠結(jié)作用下，松散的顆粒發(fā)生了團聚，孔隙被填充，結(jié)構(gòu)變得更加致密，如圖4(b)所示。圖5(a)顯示出未經(jīng)碳酸氫鈣溶液處理的土顆粒間排列呈面-面結(jié)合的“層流結(jié)構(gòu)”，其基本結(jié)構(gòu)單元為片狀和疊片狀顆粒[21]，大多呈彎曲和褶皺狀，而圖5(b)顯示經(jīng)過碳酸氫鈣溶液處理的土樣，彎曲和褶皺結(jié)構(gòu)消失，內(nèi)部孔隙明顯減少，斷面變得更加平滑，結(jié)構(gòu)變得更加致密。

圖4 6∶1純水和CFPK處理的土樣下表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of lower surface of soil samples treated with 6∶1 pure water and CFPK

圖5 6∶1純水和CFPK處理的土樣側(cè)斷面微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of side of soil samples treated with 6∶1 pure water and CFPK

綜上所述，仿巖溶碳酸氫鈣溶液改良膨脹土的機理可以解釋如下：仿巖溶碳酸氫鈣溶液加入土體后首先發(fā)生了離子交換反應，一價的H+置換出了二價的Ca2+，由雙電層理論可知，離子交換反應減小了雙電層的厚度；Ca(HCO3)2分解產(chǎn)生了具有膠結(jié)性的CaCO3結(jié)晶，將小顆粒膠結(jié)成了大顆粒，起到了降低脹縮性、提高抗剪強度的作用。隨著液固比的增加，高液固比的碳酸氫鈣溶液提供了高濃度的Ca2+，抑制了H+對于Ca2+的交換作用，但其制備的土樣膨脹性仍低于膨脹土的膨脹性的原因一方面是高濃度的Ca2+可以起到壓縮雙電層的作用，另一方面是較高比例的仿巖溶碳酸氫鈣溶液可以分解產(chǎn)生更多的碳酸鈣結(jié)晶，膠結(jié)更多的土顆粒。仿巖溶碳酸氫鈣溶液在土體中的化學反應方程式如下：

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O ；

(7)

土-Ca2++2H+→土-2H++Ca2+；

(8)

(9)

仿巖溶碳酸氫鈣加固土體技術(shù)是利用巖溶作用的原理，經(jīng)過巖溶反應，使單顆粒狀的碳酸鈣變成具有膠結(jié)性的碳酸鈣，其反應過程、反應物及生成物沒有有毒物質(zhì)生成，只是碳酸鈣的狀態(tài)發(fā)生了改變，因此是一種生態(tài)友好型的加固技術(shù)。但是，由于碳酸氫鈣的溶解度比較低，一方面導致加固效率不高，另一方面二氧化碳和水浪費較多。已有研究表明，二氧化碳壓力、溫度、溶液中的其他離子以及碳酸酐酶有助于巖溶反應的進行[20-21]。因此，在以后的研究中，需要通過物理化學與生物等措施，提高碳酸氫鈣溶解度，循環(huán)利用水和二氧化碳，達到高效、生態(tài)、經(jīng)濟的目的。

5 結(jié)論與展望

(1)仿巖溶碳酸氫鈣溶液可以顯著地降低膨脹土的脹縮性，并在一定程度上提高土體的抗剪強度。從改良效果及經(jīng)濟性等方面考慮，認為仿巖溶碳酸氫鈣溶液與膨脹土的最優(yōu)配比是6∶1。

(2)仿巖溶碳酸氫鈣改良膨脹土的機理是通過離子交換作用，溶液中的H+置換了土顆粒吸附的Ca2+，減小了雙電層厚度；通過巖溶作用，新形成的碳酸鈣具有沉積膠結(jié)和填充作用，顆粒間聯(lián)結(jié)強度和團粒化作用得到增強，從而降低了土體脹縮性。

(3)仿巖溶碳酸氫鈣加固土體技術(shù)是以液體為媒介發(fā)揮作用，參考其他液體改良劑的實際應用，仿巖溶碳酸氫鈣溶液可通過滲透和注漿2種方式加入到土體中，對土體進行加固改良。但仿巖溶碳酸氫鈣溶液的制備過程中需要較多的水，因含水過高而影響實際工程中對土壤的改良操作，因此后續(xù)仍需對仿巖溶碳酸氫鈣溶液的制備工藝和工程應用工藝進行深入研究。

(4)碳酸氫鈣的溶解度較低，現(xiàn)有條件下配制的仿巖溶碳酸氫鈣溶液對土體的加固效率較低，且仿巖溶碳酸氫鈣分解產(chǎn)生的二氧化碳氣體和水暫時無法做到回收重復利用。如何利用物理、化學與生物技術(shù)提高碳酸氫鈣的溶解度以及實現(xiàn)二氧化碳和水的循環(huán)利用是未來研究的主要方向。

(5)仿巖溶碳酸氫鈣改良膨脹土的研究成果尚少，對碳酸氫鈣分解產(chǎn)生的碳酸鈣的具體形態(tài)等微觀層面的內(nèi)容有待進一步研究。