鈣礬石和碳硫硅鈣石引起灰土地基鼓脹病害機(jī)理初探

駱 軍，米海珍，曹亞鵬

（1.甘肅金廈建筑安裝有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730030）

0 引 言

灰土地基是一種常用的人工地基，具有較好的承載力和抗?jié)B透性，且施工工藝簡便，費(fèi)用低廉，得到了應(yīng)用廣泛。然而，在某機(jī)場航站施工中，卻出現(xiàn)了灰土不固結(jié)，并發(fā)生鼓脹的反?，F(xiàn)象。通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)發(fā)生地坪鼓脹的現(xiàn)象并非該機(jī)場一例，在機(jī)場周邊的新區(qū)范圍內(nèi)，許多工程都不同程度地發(fā)生了類似的工程病害。該現(xiàn)象得到了有關(guān)部門的重視，成立了“蘭州新區(qū)濕陷性黃土鹽漬化對(duì)建筑物地基的影響研究”課題組。

本文結(jié)合某機(jī)場航站樓的檢測、試驗(yàn)、研究工作，對(duì)鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成過程和生成條件作了進(jìn)一步探究，揭示鈣礬石和碳硫硅鈣石生成的化學(xué)反應(yīng)過程及誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)的條件。

1 工程概況

某機(jī)場 T2航站樓于 2013年7月完成地坪施工后，由于當(dāng)時(shí)屋蓋尚未施工完成，于當(dāng)年8月雨季時(shí)遭受大量雨水浸泡，雖經(jīng)及時(shí)清理，但仍然有大量雨水滲入地基土中，至年底時(shí)，該航站樓行李分揀大廳、D 區(qū)運(yùn)機(jī)位候機(jī)廳、B 區(qū)行李提取大廳、1 號(hào)變電室等區(qū)域均發(fā)生地面鼓脹病害。施工方于 2014年1月至 2016年1月對(duì)病害區(qū)域進(jìn)行多次返工處理，但效果甚微，部分區(qū)域鼓脹病害仍在加劇，至今工程病害仍未得到根治，嚴(yán)重影響各功能區(qū)域的正常運(yùn)營。

為了進(jìn)一步探明灰土地基發(fā)生鼓脹的原因，對(duì)現(xiàn)場原土及灰土采取土樣，進(jìn)行了易溶鹽含量檢測，模擬膨脹試驗(yàn)，以及 X 射線衍射試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡試驗(yàn)，對(duì)灰土地基的鼓脹規(guī)律和特性有了一定的認(rèn)識(shí)，并在土樣中發(fā)現(xiàn)了膨脹能力極強(qiáng)的礦物元素——鈣礬石和碳硫硅鈣石。

2 鈣礬石和碳硫硅鈣石特性

根據(jù)已有研究，鈣礬石和碳硫硅鈣石在生成的過程中，分子量持續(xù)增大，而且結(jié)合的水分子也越來越多，最終形成無序排列的針狀結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致土壤的空隙率增加達(dá)到 200 % 以上。該場地地基土中鈣礬石和碳硫硅鈣石含量的變化導(dǎo)致該場地發(fā)生長時(shí)間的連續(xù)鼓脹。因此，鈣礬石和碳硫硅鈣石的膨脹是造成場地土發(fā)生鼓脹的主要因素。

2.1 鈣礬石

鈣礬石（Ettringite）是一種無色到黃色的鈣鋁硫酸鹽礦物，通常為無色針狀晶體，部分脫水會(huì)變白。其化學(xué)分子為 Ca6［Al（OH）6］2·（SO4）3·26H2O。

鈣礬石首先是在德國的埃特林根（Ettringen）發(fā)現(xiàn)的一種礦物，故其英文名為（Etteringite）；因含有3個(gè)分子的硫酸鈣（CaSO4），故又稱為三硫型水化硫鋁酸鈣，與硫酸鈣不足時(shí)生成的單型水化硫鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O）相區(qū)別。其中結(jié)晶水的數(shù)量與所處的環(huán)境有關(guān)。在鈣礬石晶胞中，水分子的容積達(dá) 51.37 %，由此可見，鈣礬石是一個(gè)高結(jié)晶水的水化物。

另外，鈣礬石的分子式也有寫成：3CaO·Al2O3· 3CaSO4·32H2O［1］，這是因?yàn)殇X的氧化條件不同所致。

目前對(duì)鈣礬石的研究主要集中在混凝土中的性狀，膨脹性是鈣礬石最大的特性，水泥中 CaO、Al2O3和CaSO4水化形成鈣礬石能使固相體積增大約 120 %。

2.2 碳硫硅鈣石

碳硫硅鈣石（Thaumasite）在結(jié)構(gòu)上與鈣礬石非常相似，其化學(xué)分子式為 Ca6［Si（OH）6］2（SO4）2（CO3）2· 24 H2O。同樣的，對(duì)碳硫硅鈣石的研究也集中在混凝土中的性狀。形成碳硫硅鈣石的機(jī)理有三種：第一種認(rèn)為碳硫硅鈣石是水泥石中的水化物凝膠與硫酸鹽及碳酸鹽在適當(dāng)條件下直接反應(yīng)生成；第二種認(rèn)為碳硫硅鈣石由鈣礬石過度項(xiàng)逐漸轉(zhuǎn)化而成；第三種則認(rèn)為碳硫硅鈣石是以鈣礬石為結(jié)晶模版進(jìn)行異項(xiàng)結(jié)晶形成［2］。無論哪一種生成機(jī)理，都與鈣礬石有著密切關(guān)系，在整個(gè)碳硫硅鈣石的生成過程中，都伴隨有鈣礬石的形成。

3 鈣礬石和碳硫硅鈣石的形成機(jī)理和反應(yīng)過程

3.1 鈣礬石形成的機(jī)理

1）［Al（OH）6］3-八面體和鋁氧八面體形成之后，再與鈣多面體交替排列形成鈣鋁多面柱，最后由SO42-進(jìn)入柱間溝槽串聯(lián)形成（此為鈣礬石形成的三過程）。其中速率最慢的［Al（OH）6］3-形成過程為鈣礬石形成的控制步驟。形成鈣礬石諸離子中 AlO2-最低，是影響鈣礬石形成速率的最活躍的因素［3］。

2）鈣礬石的形成由液相的 Ca2+，SO42-，OH-，AlO2-的含量來決定。若CaO，SO3，Al2O3含量增高，就會(huì)增加鈣礬石的生成量。

3）鋁酸鈣、氫氧化鈣和硫酸根離子相互作用可形成鈣礬石，鈣礬石可吸水腫脹，固相體積增大約120 %，或者說，固相體積增大至 227 %［4］。

3.2 鈣礬石和碳硫硅鈣石生成的反應(yīng)過程

灰土是由土和石灰兩種基本成分組成的。石灰是氧化鈣（生石灰）和氫氧化鈣（消石灰）的統(tǒng)稱。不論生石灰、消石灰，水化后和土壤中的二氧化硅或三氧化二鋁以及三氧化二鐵等物質(zhì)結(jié)合，發(fā)生水化反應(yīng)，可生成膠結(jié)體的硅酸鈣、鋁酸鈣以及鐵酸鈣，它可將土壤膠結(jié)起來，使灰土逐漸硬化，增加了土壤顆粒間的附著強(qiáng)度。

硅酸鈣的生成是灰土固結(jié)過程中正常的、有益的反應(yīng)環(huán)節(jié)，也是形成灰土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，由于硅酸鈣的形成，才將土顆粒相互膠結(jié)，產(chǎn)生一定強(qiáng)度。

然而，由于部分灰土工程中，灰土中混入一定量的硫酸鹽，它在熟石灰形成的堿性環(huán)境中，將和土中的鋁離子和鈣離子以及水分子結(jié)合生成鈣礬石，并進(jìn)一步結(jié)合土中或灰土中的硅酸鹽和碳酸根離子生成碳硫硅鈣石。其反應(yīng)過程如下：

式（1）為硫酸根離子與土中的鋁離子和鈣離子以及水分子結(jié)合生成鈣礬石的過程，式（2）為鈣礬石進(jìn)一步結(jié)合土中或灰土中的硅酸鹽和碳酸根離子生成碳硫硅鈣石的過程。

4 鈣礬石和碳硫硅鈣石生成的條件

通過長期研究，美國科學(xué)院、工程院雙院士，加州大學(xué)伯克利分校詹姆斯·米切爾（James K.Mitchell）教授，在 1986年的太沙基演講中提出了鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成條件，并引起了學(xué)術(shù)界的深入探討。

鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成需要 5 個(gè)必要因素共同作用缺一不可，分別為：①石灰所提供的鈣離子；②來自土壤中的鋁和硅離子；③堿性的環(huán)境；④水；⑤可溶性的硫酸鹽 SO42-。

一般認(rèn)為，在環(huán)境溫度＞15℃時(shí)，適宜鈣礬石的生成，當(dāng)環(huán)境溫度＜15 ℃ 時(shí)，適宜碳硫硅鈣石的生成（見圖1）。

圖1 鈣礬石和碳硫硅鈣石生成條件示意圖

5 控制灰土地基中硫酸鹽的來源

從以上的反應(yīng)過程和促成化學(xué)反應(yīng)的條件分析，基本解釋了灰土地基鼓脹的原因，其中條件 1 至條件 4 也是灰土固結(jié)所需要的必要條件，而當(dāng)可溶性的硫酸鹽超標(biāo)，才導(dǎo)致鈣礬石和碳硫硅鈣石的進(jìn)一步生成，因此，硫酸鹽是導(dǎo)致灰土鼓脹病害的主要原因。那么，灰土中的硫酸鹽是從何而來？

灰土地基是由石灰、土和水，按照一定比例配合、拌制、碾壓而成的，因此，硫酸鹽的來源也必然與這三者有關(guān)。

5.1 石灰

目前，在建筑消石灰的生產(chǎn)和供應(yīng)環(huán)節(jié)上，基本上是作坊式生產(chǎn)和個(gè)體銷售的模式，由于個(gè)體生產(chǎn)者對(duì)相關(guān)規(guī)范的重視程度不足，造成市場上的消石灰質(zhì)量良莠不齊，石灰的品質(zhì)不能得到有效保證。甚至有些不良商人，故意往石灰里摻假，牟取暴利。

對(duì)于建筑用消石灰，國家于 2013年4月25日發(fā)布了新版中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JC/T 481－2013《建筑消石灰》［5］，2013年9月1日開始實(shí)施。相對(duì)于舊版 JC/T 481－1992《建筑消石灰》［6］中對(duì)消石灰的分類和等級(jí)進(jìn)行了重新定義和規(guī)定，取消原來優(yōu)等品、一級(jí)品、合格品的等級(jí)稱謂，改名稱為 HCL 90、HCL 85、HCL 75，或 HML 85、HML 80，并將相應(yīng)的質(zhì)量要求（CaO+MgO含量）由原來的鈣質(zhì)消石灰≥ 70 %、65 %、60 %，提高到 90 %、85 %、75 %；鎂質(zhì)消石灰≥ 65 %、60 %、55 %，提高到 85 %、80 %。舊版 JC/T 481－1992《建筑消石灰》中對(duì)三氧化硫未作要求，新版 JC/T 481－2013《建筑消石灰》對(duì)三氧化硫的含量有了明確的要求，應(yīng)≤2 %。

因此，為了防止灰土地基病害的發(fā)生，必須嚴(yán)格檢測石灰中三氧化硫的含量。

5.2 土

一般情況下，拌制灰土的土料基本上是就地取材，采用原土進(jìn)行拌制，但是如果土中含有大量的硫酸鹽，勢必在熟石灰 Ca（OH）2產(chǎn)生的堿性環(huán)境中，與熟石灰 Ca（OH）2提供的大量 Ca2+和土壤中的鋁和硅離子在潮濕的環(huán)境中生成鈣礬石和碳硫硅鈣石，造成灰土地基的鼓脹。

因此，在采用灰土地基時(shí)，對(duì)土壤的含鹽量進(jìn)行分析顯得尤為重要，在硫酸鹽漬土地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎采用灰土地基，或采取特殊措施，否則，就有可能造成灰土地基發(fā)生鼓脹病害。

5.3 水

一般情況下，拌合灰土用的水，采用可飲用的水即可。但是，如果采用天然池塘或地下水時(shí)，應(yīng)進(jìn)行含鹽量檢測，以免水中含有大量可溶性硫酸鹽，造成灰土地基發(fā)生鼓脹病害。

6 抑制灰土鼓脹病害措施的嘗試

通過以上研究，基本可以判定，此類灰土地基的鼓脹是由于灰土中生成了膨脹性極大的鈣礬石和碳硫硅鈣石所引起的。而對(duì)于鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成條件和反應(yīng)過程，與混凝土的硫酸鹽腐蝕原理非常類似，是否可以參照其方法進(jìn)行治理呢？

對(duì)于抑制混凝土中硫酸鹽腐蝕的措施，已有文獻(xiàn)報(bào)道，可采用摻加相關(guān)外加劑的方法，例如摻加硝酸鋇、甲酸鈣、氫氧化鋇、碳酸鋇、山梨醇等，均在一定程度上產(chǎn)生了抑制鈣礬石和碳硫硅鈣石生成的效果［7-9］。

筆者通過在灰土土中摻加氯化鋇的方法進(jìn)行治理，取得了一定效果。

首先將現(xiàn)場采取的土樣分為兩組，一組為原樣土，一組在土樣中摻加土樣質(zhì)量 0.6 % 的氯化鋇，調(diào)整兩組土樣的含水率至 15 %，以同樣的壓實(shí)方法，裝填壓實(shí)至壓實(shí)筒中，在 0～16 ℃ 的范圍內(nèi)進(jìn)行了兩個(gè)周期的凍融循環(huán)，觀察土樣的膨脹性，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

試驗(yàn)表明，當(dāng)三七灰土中加入少量 BaCl2溶液后，三七灰土的膨脹性顯著減小，說明可溶性硫酸鹽 SO42-與鋇鹽 Ba2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，轉(zhuǎn)化為難溶的硫酸鋇，抑制了鈣礬石和碳硫硅鈣石的進(jìn)一步生成。

由于氯化鋇本身具有較強(qiáng)的毒性，在工程實(shí)際中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此該方法未在工程實(shí)際中進(jìn)一步應(yīng)用。

圖2 溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線

圖3 膨脹量隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線

7 結(jié) 語

鈣礬石和碳硫硅鈣石引起的灰土地基的鼓脹病害，破壞性大，膨脹機(jī)理復(fù)雜，持續(xù)時(shí)間長，治理難度大。為了保證灰土工程的質(zhì)量，避免后期返工造成損失，應(yīng)在施工之初嚴(yán)格控制原材料中硫酸鹽的含量，并在養(yǎng)護(hù)期間做好防護(hù)措施，防止地基浸水。

本文初步探索了灰土地基發(fā)生鼓脹破壞的原因和機(jī)理，并嘗試了采用化學(xué)添加劑進(jìn)行抑制的方法，進(jìn)行了有益的探索，取得了一些初步成果，但由于試驗(yàn)的深度有限，并未達(dá)到預(yù)期效果，還需要進(jìn)一步深入研究。