EN-1離子土壤固化劑對滑坡滑帶土擾動樣的改性機(jī)理研究

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(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.工程學(xué)院;b.教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，武漢 430074)

1 研究背景

滑帶土是滑坡的重要組成部分，與滑坡的變形和穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系。對于因滑動帶土質(zhì)不良而引起的滑動，除了采取工程措施外，廣泛使用的其它土體改良方法主要有電滲排水、焙燒、灌漿等，也可以采用排水工程來減少水的負(fù)面作用[1-2]。電滲排水法一般只能處理小型飽和土質(zhì)滑坡，且耗電量大，不經(jīng)濟(jì)。焙燒法一般僅適用于治理非飽和的小型滑坡?；瘜W(xué)灌漿在滑坡治理中較常用[3-4]，而對于飽和黏性土滑帶而言，由于滲透系數(shù)低，如何將漿材灌入滑帶是一大難題。

離子土壤固化劑最早是由美國科學(xué)家雷諾研發(fā)，是一種由多個強(qiáng)離子組合而成的水溶性化學(xué)物質(zhì)。它是通過電化原理改變黏土顆粒雙電層結(jié)構(gòu)，能永久地將土壤的親水性變?yōu)槭杷?，同時使土易于壓實(shí)，形成強(qiáng)度較高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體板塊[5]。徐海清[6]采用高壓注漿的方法將離子土壤固化劑注入清江水布埡水電站大巖淌滑坡的滑帶土，并對加固前后滑帶土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗研究。試驗結(jié)果表明：離子土壤固化劑能減小黏性土顆粒結(jié)合水膜厚度，從而提高滑帶抗剪強(qiáng)度。采用離子土壤固化劑改良黏性土的物理化學(xué)性質(zhì)，為治理滑坡提供了一種新思路。項偉等[7]研究表明，離子土壤固化劑能降低滑帶土的塑性指數(shù)，提高其抗剪強(qiáng)度，但并未對塑性指數(shù)降低的原因進(jìn)行詳細(xì)分析。另外，由于專利的保密性，市面上銷售的離子土壤固化劑的有效成分尚不清楚。許多學(xué)者通過ISS改性前后土樣的物質(zhì)成分變化研究了其作用機(jī)理，但未從ISS的有效作用成分這個角度進(jìn)行深入分析[8-11]。

本文采用EN-1離子土壤固化劑(ISS)處理黃土坡滑坡滑帶土擾動樣，并對處理前后的土樣進(jìn)行了阿太堡試驗、交換性陽離子及比表面積試驗，解釋了塑性指數(shù)降低的原因。另外，采用紅外光譜法和原子吸收法分析了ISS的主要成分，并在此基礎(chǔ)上探討了ISS改性滑帶土的機(jī)理，為滑坡的治理研究提供一種新的思路。

2 試驗概況

2.1 試驗用土

黃土坡滑坡位于三峽庫區(qū)巴東縣，可分為臨江1號崩滑堆積體、2號崩滑堆積體、變電站滑坡和園藝場滑坡4個主要部分以及近期發(fā)生的小滑坡，總面積約為135×104m2，總體積約為6 934×104m3。本文試驗用土取自黃土坡滑坡II號崩滑體TP4平硐。土樣主要為粉質(zhì)黏土夾碎石，呈黃褐、灰褐及灰白色。依照《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[12]進(jìn)行一系列試驗，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，級配累積曲線見圖1。由表1和圖1可知，所采土樣粉粒含量大于60%，黏粒含量大于27%，且具有弱膨脹性，為粉質(zhì)黏土。

表1 土樣的基本性質(zhì)

圖1 土樣的粒徑級配累積曲線

2.2 試驗試劑及儀器

EN-1土壤固化劑是一種離子型固化劑，由美國C.S.S技術(shù)公司生產(chǎn)，是一種高濃縮的酸性有機(jī)溶液。濃縮狀態(tài)下無揮發(fā)性、有強(qiáng)烈刺激性酸味，為不易燃、有腐蝕性、溶于水的醬黑色液體，一經(jīng)稀釋，則是無毒、無公害、無污染、不破壞生態(tài)環(huán)境的高分子復(fù)合材料。硫酸含量大于1%，單位體積含硫量為1 mg/cm3，沸點(diǎn)為282 ℃，相對密度為1.7，pH值小于1。

WFX-110型原子吸收光譜儀(北京瑞麗分析儀器公司)由光源、原子化系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成。本試驗中采用的光源為：鉀、鈣、鈉、鎂空心陰極燈；其他可用到的儀器有F-Sorb 3400全自動比表面積測試儀及傅里葉變換紅外光譜儀Equinox 55(德國Bruker公司)。

2.3 試樣的制備處理

先將試驗土樣自然風(fēng)干，碾碎后過0.5 mm篩，加入不同體積配比(0，1∶50，1∶100，1∶150，1∶200，1∶300)的ISS水溶液，與離子土壤固化劑混合后土樣的含水率控制在28%(液限)左右，拌合均勻，并采用電動攪拌機(jī)連續(xù)攪拌24 h，密閉保濕一周后，自然風(fēng)干，并按不同試驗要求備樣。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 ISS對土的塑性指數(shù)的影響

塑性指數(shù)是反映土顆粒與水相互作用的靈敏指標(biāo)之一，在一定程度上反映了土的親水性能。它與土的顆粒組成、黏土礦物成分、陽離子交換性能、土的比表面積等有著十分密切的關(guān)系，塑性指數(shù)越高，結(jié)合水膜越厚[13]。土的可塑性反映土粒間的連結(jié)程度，故和土的力學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)。大量研究表明，黏性土的許多力學(xué)參數(shù)均與塑性指數(shù)有密切關(guān)系[14-15]。因而，可以將塑性指數(shù)作為評價滑帶土工程性質(zhì)的一項重要指標(biāo)。按照規(guī)程[12]將2.3節(jié)中制備的土樣進(jìn)行不同水(體積比)ISS配比的液塑限試驗，結(jié)果見表2。

表2 不同ISS配比下土的塑性指數(shù)

由表2可知，經(jīng)ISS溶液處理后土的液限、塑限和塑性指數(shù)都有不同程度的降低。當(dāng)ISS溶液配比為1∶150(體積比)時，滑帶土的液限及塑性指數(shù)降至最低，液限為23.80%，塑性指數(shù)為6.48。與素土相比，降幅分別為14.70%和35.59%。

試驗結(jié)果表明，不同配比濃度的ISS溶液對土樣塑性指數(shù)的影響程度不同，ISS溶液配比濃度過高或過低時，土樣的塑性指數(shù)降低程度均不如中間配比濃度ISS作用效果明顯。由此可知，ISS的摻入濃度不是越大越好，而是存在一個最優(yōu)的配比濃度。

3.2 ISS對土的可交換性陽離子的影響

將經(jīng)ISS處理前后的土樣用蒸餾水洗鹽3～5遍，直至上部離心液與素土離心液電導(dǎo)率相接近。洗鹽的目的是除去ISS已經(jīng)交換出來的鹽基以及未參與作用的ISS溶液帶入的多余可溶鹽。將洗鹽后的土樣在低溫40 ℃環(huán)境下烘干24 h，過0.15 mm篩，采用BaCl2緩沖法并參照規(guī)程[12]測定土樣的陽離子交換量(CEC)，并采用原子吸收法測定交換性陽離子的成分及含量，結(jié)果見表3。

由表3可知，經(jīng)ISS處理后土樣的CEC值和鹽基總量明顯降低，CEC值和鹽基總量最低可降至9.25 cmol/kg和6.24 cmol/kg，較未處理的素土降幅分別為39.58%和38.94%。交換性陽離子以交換性Ca2+為主，隨著ISS濃度的增大，可交換性陽離子Na+，K+，Mg2+，Ca2+的濃度的變化趨勢為先減小后增大，對應(yīng)的鹽基總量也是先減小后增大。當(dāng)ISS溶液的配比為1∶150時，陽離子交換容量和鹽基總量同時達(dá)到最小值。陽離子交換量與鹽基總量減少，表明土的水化能力變?nèi)?，親水性能降低。土的塑性指數(shù)與其陽離子交換性能、比表面積等密切相關(guān)。結(jié)合表2結(jié)果可知，經(jīng)ISS溶液處理后，土的塑性指數(shù)與其陽離子交換性能呈正相關(guān)關(guān)系，且ISS溶液的最優(yōu)配比為1∶150。

表3 經(jīng)ISS處理前后土的CEC及可交換陽離子成分含量

3.3 ISS對土的比表面積的影響

巖土材料的工程性質(zhì)與顆粒的表面特性有關(guān)，而比表面積的大小與顆粒尺寸、形狀和黏土礦物的吸附性能等密切相關(guān)[16]。將自然風(fēng)干土樣過0.01 mm篩備用。比表面積試驗(B.E.T)時，將過篩土樣放至F-Sorb 3400全自動比表面積儀中，樣品前處理為抽真空48 h，加熱溫度為90 ℃。在較低溫條件下進(jìn)行加熱、抽真空是為了保證土樣中水分不發(fā)生沸騰汽化而影響土樣孔結(jié)構(gòu)。前處理完成后，測試其比表面積，結(jié)果見表4。

表4 經(jīng)ISS處理前后土的比表面積

由表4可知，素土的比表面積為24.830 9 m2/g，經(jīng)配比為1∶150的ISS溶液處理后土的比表面積降至14.350 1 m2/g，降幅達(dá)42.21%。經(jīng)ISS溶液處理后，土粒的比表面積減小，反映了隨土顆粒直徑增大，比表面能降低，親水性也就減弱。這與3.2節(jié)中結(jié)果相呼應(yīng)，即經(jīng)ISS溶液處理后，土的塑性指數(shù)與其陽離子交換性能及比表面積均呈正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合塑性指數(shù)及陽離子交換性能的變化，表4進(jìn)一步證明了ISS溶液的最優(yōu)配比為1∶150。

4 改性機(jī)理分析

EN-1離子土壤固化劑加入土中后，與土顆粒及黏土礦物發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)作用，從而顯著降低了土顆粒的親水性。為了探明ISS的主要作用成分及其與土顆?；蝠ね恋V物發(fā)生的反應(yīng)，采用紅外光譜技術(shù)和原子吸收法對ISS原液進(jìn)行了分析，并探討了作用機(jī)理。

圖2為ISS的紅外光譜圖，其中3 670.92 cm-1為游離的羥基峰，2 980.31 cm-1及2 901.95 cm-1為C-H強(qiáng)特征峰，1 400.81 cm-1為不對稱羰基峰，1 248.95～1 054.18 cm-1為R-SO3(R為長鏈烴基)對應(yīng)的特征峰。由此可知，ISS中存在親水基為磺酸基的烴基化合物，屬于一種陰離子表面活性劑，可能為ISS中的主要作用活性成分。表5為ISS中交換性陽離子的含量。由表5可知，ISS中的交換性陽離子總量為285 g/mL，而生活用自來水的硬度(以Ca2+為標(biāo)準(zhǔn))為450 g/mL，ISS中交換性陽離子含量遠(yuǎn)低于自來水中陽離子的含量，證明了與土樣發(fā)生離子交換的不是ISS中的交換性陽離子。根據(jù)ISS的物理化學(xué)性質(zhì)可知，ISS的pH值小于1，所以與土樣發(fā)生離子交換的可能是H+。

圖2 ISS的紅外圖譜

表5ISS中交換性陽離子含量

Table5ContentsofexchangeablecationsofISS

陽離子濃度/(g·mL-1)陽離子濃度/(g·mL-1)Mg2+10.0Na+147.5Ca2+70.0K+57.5

結(jié)合試驗結(jié)果，可初步分析ISS改性土體工程性質(zhì)的作用機(jī)理：

(1) ISS中含陰離子表面活性劑，當(dāng)ISS加入土體后，能降低滑帶土顆粒表面結(jié)合水的表面張力，并對土顆粒表面進(jìn)行潤濕，使表面活性劑長鏈可以很容易在土粒表面鋪展開，有利于離子交換作用的迅速進(jìn)行，置換出土體中固有的陽離子，或者占據(jù)土顆粒表面的離子空位，從而改善土顆粒表面電荷性質(zhì)。

(2) ISS的pH值小于1，溶于水后能解離出大量H+，形成強(qiáng)電荷的水溶液。另外，H+的交換順序優(yōu)先于其他交換性陽離子，使ISS溶液能較快地通過離子交換、離子配對、形成氫鍵等作用在土顆粒表面發(fā)生吸附。當(dāng)吸附完成后，表面活性成分中的極性基團(tuán)磺酸基朝向土顆粒，而主鏈的疏水基團(tuán)烴基一致朝外，吸附在土顆粒表面的結(jié)合水被“疏水尾”擠出，并在土粒表面形成一層包裹膜，有效地阻止了外來水的浸入，增強(qiáng)了土體的水穩(wěn)定性，這個過程是不可逆的。

(3) 當(dāng)ISS溶液與土顆粒表面作用時，ISS中含烴基長鏈利用相鄰鏈節(jié)上帶有的正電荷或羥基，將相鄰的土顆粒通過分子鏈聯(lián)結(jié)起來，最終使整個土體形成牢固的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，極大地改善了土體的工程性質(zhì)。

根據(jù)上述機(jī)理分析，陽離子交換量、可交換陽離子含量、比表面積及塑性指數(shù)的變換規(guī)律都能得到較好的解釋。

5 結(jié) 論

EN-1土壤固化劑能夠降低土樣的陽離子交換容量、交換性陽離子量、比表面積及塑性指數(shù)。經(jīng)配比為1∶150的ISS溶液處理后，上述指標(biāo)與素土降幅較大：① CEC值和鹽基總量分別為9.25 cmol/kg和6.24 cmol/kg，降幅分別為39.58%和38.94%；②比表面積為14.350 1 m2/g，降幅達(dá)42.21%；③ 液限為23.80%，塑限為17.32%，塑性指數(shù)為6.48，降幅分別為14.70%，2.91%和35.59%。研究表明，用ISS溶液改性土體工程性質(zhì)，摻量不是越多越好，而是存在最優(yōu)配比值。

EN-1土壤固化劑主要通過表面潤濕、離子吸附、聯(lián)結(jié)包裹等機(jī)制來加固土體，不可逆地排出土顆粒表面的結(jié)合水，并形成整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高土體的穩(wěn)定性。新型土工材料ISS用以改良以滑帶土為控制型滑坡的治理提供了新思路，具體實(shí)施方法有待進(jìn)一步研究。

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