杨 青，罗小花，邱 欣，吴金洪
（浙江师范大学工学院，浙江 金华 321004）
摘要：为探究液态离子型土壤固化剂改良土的固化机理，以浙中红褐色黏土为典型土质类型，在掌握该类黏土基本物性参数的基础上，通过酸碱度、电导率、等离子体发射光谱、扫描电镜、X射线衍射、BET测试等系列物化及微观试验，探究了典型红黏土固化前后微观结构特征的变化规律。研究结果表明，典型土质为低液限黏土；离子土壤固化剂具有高导电性、强酸性，能使含铁离子物质的胶结作用加强，提高红黏土强度；固化剂与黏土颗粒表面的1价阳离子发生交换，使渗透液电导率增大；固化黏土矿物颗粒以面-面的形式接触，结构更紧密；固化前后各土样的X射线衍射图谱基本重合，未出现新矿物的衍射峰和衍射特征值，无新矿物生成；固化后土体聚集、凝结，逐渐形成较大颗粒，且当固化剂掺量为0.014％时，土样颗粒比表面积和孔容均分别减小至最小值。
关键词：道路工程；固化机理；微观测试；离子土壤固化剂；固化土
液态离子型土壤固化剂作为新的优质筑路材料，是我国公路建设工作实现资源节约、环境友好的重要保证。目前，国内外学者对离子土壤固化剂的固化机理、应用性能等进行了相关研究。Gaetan等人通过对酸性溶液、ES、LS共3种有机固化剂溶液的研究，掌握其基本物性参数，并通过微观与宏观角度探究其处治低液限砂土的固化机理，结果表明：0.002％的ES和2.0％LS掺量下的固化土较原样土能减小3％含水率并降低25％的压实度要求，大大减小了工程实践的难度[1]。Yohannes以CBD为评价指标，探究了SA-44/LS-40固化剂与石灰对浅灰色黏土与红色黏土的固化效果，结果表明浓度为0.08 lit/m3的SA-44/LS-40固化剂和浓度为4％的石灰混合能最大限度地提升红色黏土的CBR值[2]。Pranaykvmar通过物理性质、液限、塑性指数、无侧限抗压强度等指标，评价了水泥、石灰、粉煤灰和纤维等固化材料对Harwood当地土壤的膨胀和收缩性，最终确定石灰和纤维共同掺入情况下，土体的无侧限抗压强度增加显著，膨胀和收缩性减小[3]。加拿大的Dong Ming Zheng结合力学试验与微观观测，对硫化物离子固化剂Conaid进行研究，结果表明：Conaid能有效减少土与自由水的结合，使土体体积减小，有效降低在干湿循环过程中由于土的膨胀对路面造成的伤害[4]。Venkata通过对一种土壤黏结剂的研究以解决膨胀土在工程实践中的应用，该黏结剂能极大减少土壤的线性收缩和自由膨胀，使其无侧限抗压强度提升到30％[5]。Bhaskar利用回归分析、神经网络、有限元分析等方法探究Tex120-E 与Tex121-E两种固化剂对以高岭石、伊利石为主要成分的土壤的固化效果，研究结果表明，该两类固化剂对于低液限类土壤的固化效果较佳[6]。Jones 和Eng对一种磺化油外加剂（Svlphonated Oil Additive）进行研究，探明其作用机理并选取力学性能指标表征其作用效果[7]。
此外，中国地质大学研究了离子土壤固化剂对武汉红色黏土结合作用机理，并进行了配合比设计、性能测试[8-9]；山东水利职业学院、四川大学、西南交通大学等分别研究了离子土壤固化剂改性膨胀土[10-14]、离子土壤固化剂在广东省湛江低等级道路基层中的应用及坝道路路面的路用性能[11-13]；西安雅力新材料科技开发有限公司通过具体项目研究了ISS土壤固化剂的路用性能[15]，提出了其作为路面基层的技术指标，设计了最佳配合比，进行了力学性能指标与研究。
然而，由于离子土壤固化剂处治土的固化机理和控制因素极为复杂，涉及区域地质条件、水文条件、气候条件、以及公路标准等诸多影响因素，在技术上，土壤固化剂处治技术还远未成熟，已有的技术思想和技术方法也亟待完善[16]。此外，公路建设周期长，交通需求日益增大，如不能尽快较好地解决土壤固化剂处治土的相关技术问题，特别的处治土路用长期性能问题，无疑将严重影响到地区的交通建设规模与速度，对地区经济发展也是一种制约。基于此，笔者以红褐色黏土为典型土质类型，在掌握该类黏土基本物性参数及离子土壤固化剂基本物理化学参数的基础之上，通过酸碱度、电导率、等离子体发射光谱、扫描电镜、X射线衍射、BET测试等系列物化及微观试验，探究了基质土固化前后微观结构特征的变化规律。研究成果为离子土壤固化剂应用于我国公路建设提供了技术保障及实践依据。
典型黏土选取浙江金华地区的红褐色黏土，由页岩分化而形成，选取3组试样进行基本物性参数性能指标测试，具体结果如下所述。
1.1 颗粒粒径分布
用筛分法和比重计法对典型黏土进行颗粒粒径分析，得到粒径分配曲线的平均结果，如图1所示。由此可见，粒径尺寸＞0.075，0.075～0.002 mm以及＜0.002 mm范围的颗粒平均质量百分率分别为3.1％，96.4％和0.5％。
图1 黏土颗粒粒径分配曲线
Fig.1 Distribution curve of clay particles
1.2 界限含水率
按照液塑限联合测定法进行界限含水率试验，该方法适用于粒径不大于0.5 mm、有机质含量不大
于试样总质量5％的土，测试结果见表1。按照《公路土工试验规程》（JTGE40—2007）中细粒土的分类方法对土质进行工程分类，可判定试验中典型黏土均为低液限黏土，记为CL。
表1 土样界限含水率
Tab.1 W ater content lim it of soil sam ple
界限含水率土样编号/％液限WL 塑限PL塑性指数IP 1 43.1 23.2 19.9 2 43.0 23.5 19.5 3 43.6 24.5 19.1
1.3 最佳含水率与最大干密度
按照击实试验法进行最佳含水率与最大干密度的测定。以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率之间关系曲线，如图2所示。由此可知，最佳含水率（wopt）和最大干密度（ρmax）分别为16.75％和1.792 g/cm3。
图2 含水率与干密度关系曲线
Fig.2 Curve of relation between water content and dry density
2.1 分子结构特征概述
研究中采用的液态离子型土壤固化剂（以下简称固化剂），由美国Road Bond公司生产，是一种表面活性类液态离子型土壤固化剂。在常温下呈黑褐色，易溶于水，具有高导电性，在水中能离解出阳离子和阴离子。离子土壤固化剂是一种复合的化学配方，含有阴离子型表面活性剂——磺化油，其物质分子量较高并且相邻键节上带有电荷，在结构上它具有独特的二重性，由有机化合物磺酸（RSO3H）的“亲水头”及一个由碳及氢的原子组成的“疏水尾”构成，其分子示意图，如图3所示。
由于离子土壤固化剂独特的分子结构及二重性，当它与土壤中的黏土混合后，能去除黏土矿物中的水分，并使其与土壤的颗粒之间产生永久的结合和固化。这种固化，主要依靠壤固化剂“亲水头”与黏土颗粒表面上金属阳离子之间所形成的化学链，并且这种结合十分强大。
图3 磺化油分子示意图[17]
Fig.3 Schematic diagram of sulfonated oilmolecule
2.2 离子土壤固化剂溶液离子成分分析
离子土壤固化剂在使用前，需要用水进行稀释，由于浓度的不同，其水溶液呈现出颜色逐渐变浅的黄色，不同稀释比的固化剂水溶液颜色状态，如图4所示。
图4 不同稀释比的固化剂水溶液
Fig.4 Aqueous solution of stabilizer w ith different dilution ratios
为探究固化剂溶液中含有的离子成分，选用离子体发射光谱仪（ICP-AES）和DX-120型离子色谱仪对固化剂溶液中的阳离子和阴离子成分进行了分析，测试结果，如表2所示。测试结果显示，100倍稀释条件下，固化剂水溶液中主要含有K＋，Na＋，Ca2＋，Mg2＋等4种主要阳离子。其中：2价阳离子Ca2＋浓度最高，Mg2＋浓度最小；1价阳离子Na＋离子浓度高于K＋，但要明显高于2价阳离子Mg2＋浓度。阴离子中，Cl-离子浓度最大，其次依次为
表2 固化剂溶液主要阴阳离子浓度
Tab.2 Ion concentrations of stabilizer solutions
阳离子类型 浓度值/ （mg·L-1） 阴离子类型 浓度值/ （mg·L-1）Ca2＋ 489.1 Cl-127.8 Mg2＋ 8.9 NO-30.26 Na＋ 237.6 SO2-416.6 K＋ 92.7— —
2.3 离子土壤固化剂溶液pH值和电导率分析
采用便携式pH计和电导率仪对不同稀释比下固化剂溶液的pH值与电导率进行了测试，试验中选用的溶质为蒸馏水，不同稀释比条件下的pH值和电导率值，见表3。由测试结果可知：（1）不同配比下固化剂溶液的pH值都小于7.0，且稀释比小的溶液
呈强酸性，说明固化剂溶液偏酸性。（2）固化剂溶液的电导率随原液掺入量的增大明显增加，这是由于固化剂是一种电解质，当它溶于水后，能解离出带阳离子和阴离子，当其溶液浓度发生变化时，其对应的电导率也产生变化。溶液的pH值对黏土的力学性质有一定影响，酸性溶液能使含铁离子物质的胶结作用加强，使红土的强度增大，形成正方向的力学效应；而碱性溶液使含铁离子物质的胶结作用降低，使红土的强度降低，形成负方向的力学效应。
表3 不同稀释比下的pH值和电导率
Tab.3 PHs and conductivities in different dilution ratios
体积稀释比 pH值 电导率/（vs·cm-1）1∶50 1.10 88.3 1∶100 1.15 47.6 1∶150 1.25 35.6 1∶200 1.35 28.9 1∶250 1.4 24.6 1∶300 1.43 21.6 1∶350 1.49 19.4 1∶400 1.53 17.6 1∶500 1.65 15.0 1∶600 1.69 13.1 1∶700 2.47 11.8 1∶1 000 2.84 9.1蒸馏水6.7 2.56
3.1 基于渗透液性质变化的固化机理分析
采用变水头试验装置，对不同固化剂掺入量的固化土渗透液进行采集，通过测定分析渗透液电导率和离子浓度变化规律，揭示固化剂对于典型黏土的固化机理。试验中典型黏土固化剂掺入量分别为0％，0.012％，0.014％，0.016％，0.018％和0.020％共6种工况条件，渗透试验用水为蒸馏水，不同固化剂掺量条件下蒸馏水渗透液，如图5所示。电导率和总含盐量的测试结果，如表4所示。渗透液阳离子浓度变化结果，如表5所示。
图5 固化土蒸馏水渗透液
Fig.5 Distilled water penetrant of stabilized soil
表4 不同固化剂掺量下渗透液电导率和TDS
Tab.4 Conductivities and TDSs in different stabilizer contents
固化剂掺量 电导率/（vs·cm-1）TDS/（mg·L-1）2.56 1.29原样土 43.9 21.95 0.012％ 56.65 28.3 0.014％ 67.4 33.7 0.016％ 62.6 31.3 0.018％ 55.35 27.65蒸馏水0.020％ 55.85 27.95
表5 不同固化剂掺量条件下渗透液阳离子浓度值（单位：mg/L）
Tab.5 Cationic concentrations of penetrantsw ith different stabilizer contents（unit：mg/L）
离子类型0.020％渗透液Ca2＋固化剂水溶液原样土渗透液0.012％渗透液0.014％渗透液0.016％渗透液0.018％渗透液489.1 85.32 24.32 13.16 76.72 42.47 32.41 Mg2＋ 8.9 2.73 2.25 2.09 2.34 2.40 2.24 Na＋ 237.6 105.40 147.21 149.82 123.72 129.53 120.17 K＋92.7 27.01 49.04 30.26 32.65 35.27 45.36
由渗透液电导率和总含盐量的测试结果可知：（1）蒸馏水的电导率值相对较低，为2.56 vs/cm；（2）原样土渗透液的电导率有了较大增幅，为43.9 vs/cm，主要是因为黏土中含有一定的可溶性盐，当进行蒸馏水渗透时，土中高浓度的盐离子向蒸馏水中进行扩散和转移，进而导致导电率增大；（3）当不同掺量固化剂加固土进行蒸馏水渗透时，其渗透液的电导率比蒸馏水渗透液电导率有了明显提高，0.012％，0.014％，0.016％，0.018％，0.020％固化剂掺量的固化土渗透液的电导率分别为56.65，67.4，62.6，55.35，55.85 vs/cm，分析认为产生增大的原因在于固化剂的掺入导致了离子交换反应，吸附在黏土颗粒表面的亲水性阳离子被交换，致使渗透液的电导率增大，而0.014％固化剂掺量条件下渗透液电导率增大最为显著，表明此种掺量条件下离子交换反应最为显著。
由渗透液阳离子浓度测试结果可知：（1）相对于原样土渗透液而言，固化剂的掺入使渗透液中Ca2＋和Mg2＋浓度变小，其中当掺量为0.014％时，Ca2＋浓度降低率为84.6％，Mg2＋浓度的降低率为23.4％；（2）固化剂的掺入使渗透液中Na＋和K＋浓度变大，Na＋浓度最大增加率为39.7％，K＋浓度的最大增加率为30.6％。4种阳离子浓度的变化表明，
固化剂水溶液中的阳离子与黏土颗粒表面发生阳离子交换，而Ca2＋和Mg2＋浓度变小。Na＋和K＋浓度变大的试验现象表明，通过离子交换反应水溶液中的2价Ca2＋和Mg2＋离子被黏土颗粒截获吸附，同时土颗粒表面之前吸附的1价Na＋和K＋离子被解吸。
图6 固化土微观结构形态
Fig.6 M icrostructuremorphology of stablized soil
3.2 基于微观结构形态特征的固化机理分析
为对比研究固化剂固化土前后土样样品的微观结构形态变化，采用日本日立S-4800扫描电子显微镜对原样土以及0.010％，0.012％，0.014％，0.016％和0.018％固化剂掺量的固化土样品进行了放大倍数为15 000倍的电镜扫描，如图6所示。由扫描电镜测试图片可知：（1）15 000放大倍数条件下，原样土素土的微观结构类型主要是以团聚体或粒团的堆叠结构为主，伴随有架空结构，但很少见到紊流结构和絮凝结构，结构单元体主要以点-面、边-面形式接触为主，孔隙较发达。（2）加入不同比例固化剂后的固化土，其结构单元体也是以团聚体结构或堆叠结构为主，孔隙大大减小，结构单元体以面-面、边-面形式接触为主。（3）加入不同掺量固化剂的固化土其结构单元体上表面胶结物胶结特征更明显，黏土矿物片状颗粒以面-面的形式接触非常紧密。分析认为：胶结物特征的出现是由于红黏土原样中含有游离氧化铁、硅、铝等胶结物质，它们将不同骨架颗粒黏结在一起，形成具有一定结构联结力的堆叠结构，进一步表明土颗粒之间的引力增大，接触更紧密，导致土的结构和孔隙发生了较大变化。（4）固化剂对黏土的结构改变是明显的，微观结构主要是以团聚体结构为主，且团聚体明显增大，孔隙减少，结构变得更加紧密，这从微观上反映了红黏土经固化剂处理后其强度明显提高的直接原因。
3.3 基于固化前后矿物成分变化的固化机理分析
采用日本PHILIPS单晶X-射线衍射仪，对加固前后红黏土样进行了X射线衍射试验。典型非黏土矿物和黏土矿物的特征谱线如表6所示。
根据试样制备方法，将制备的土样放入X射线衍射仪进行测试，土样包括：原样土样品以及0.010％，0.012％，0.014％，0.016％，0.018％和0.020％不同固化剂掺量的固化土样品。不同土样条件下X射线衍射图谱，如图7所示。
对照不同材料的特征衍射峰，分析结果可知：（1）原样土的X射线衍射图谱中出现了石英、长石、赤铁矿的特征衍射峰，说明该土样中包括石英、长石和赤铁矿非黏土矿物；（2）原样土的X射线衍射图谱中出现了高岭石和伊利石的特征衍射峰，说明该土样中包括高岭石和伊利石黏土矿物；（3）对比固化剂固化前后土样的X射线衍射图谱和特征衍射
峰，可以发现图谱形态基本重合，未出现新矿物的衍射峰和衍射特征值，这说明原样土经过固化剂处理后土中并没有新矿物生成；（4）原样土经固化剂处理后，土样矿物的衍射峰依然存在，只是个别晶面间距稍微减小，这反映出固化剂与原样土相互作用时，只是与黏土颗粒表面吸附的阳离子产生交换作用，但并不导致黏土矿物晶格结构解体或破坏。
表6 典型非黏土和黏土矿物的特征谱线
Tab.6 Characteristic spectral line of typical non-clay and clay m inerials
4.26 3.34 2.23 1.98 1.82长石 3.32 3.23 3.78 4.23 —赤铁矿 2.70 1.45 1.70 3.69 1.84针铁矿 4.21 2.45 1.72 1.56 —高岭石 7.15 3.58 2.38 1.78 1.43伊利石 10.12 5.11 3.3 — —绿泥石 14.26 7.15 4.75 3.54 2.85蛭石矿物类型 特征衍射峰值d/nm 1 2 3 4 5石英14～14.5 7.12 4.73 3.51 2.83
图7 固化土的X射线衍射图谱
Fig.7 X-ray diffraction spectrum of stablized soil
3.4 基于土颗粒孔隙结构特征的固化机理分析
采用比表面积及孔径测试仪与BET氮气吸附法，对固化剂固化前后土样的比表面积以及孔隙结构进行了测试。测试样品包括：原样土以及0.010％，0.012％，0.014％，0.016％，0.018％和0.020％固化剂掺量的固化土。比表面积随固化剂掺入量的变化规律，见图8。
由测试结果可知： （1）原样土比表面积为35.299 m2/g，经过固化剂处理后（固化剂掺量依次为0.010％，0.012％，0.014％，0.016％，0.018％和0.020％）其比表面积分别减小到32.27，29.72，29.21，29.95，29.51，31.05 m2/g，表明固化剂固化前后，土颗粒的大小发生了明显变化，经固化剂处治后的土颗粒粒径增大，导致了土粒比表面积减小，其中固化剂掺入量为0.014％时，土样颗粒比表面积最小为29.21 m2/g。（2）原样土经固化剂处理后，土粒的比表面积减小，反映了土颗粒粒径增大。分析认为，造成比表面积减小的原因，主要是由于固化剂是一种电解质，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子，通过与黏土颗粒表面吸附的阳离子进行离子交换反应，其结果是减小了双电层厚度，结合水膜变薄，从而引起黏土颗粒间的作用力发生变化，进而导致土的结构发生变化。（3）由于固化剂减小了双电层厚度，降低了土粒之间的相互排斥使颗粒间的引力增加，从而使颗粒得以相互靠近，促使土颗粒之间的聚集、凝结，土颗粒逐渐形成更大的颗粒，土的结构也相应地发生了变化，这一点在扫描电镜观察土的微观结构以及渗透液离子浓度变化研究中也得到了证实。不同土样的孔体积与氮气压力比的相关关系，见图9，总孔容随固化剂掺量的变化规律，见图10。
图8 比表面积随固化剂掺量的变化规律
Fig.8 Law of specific surface area varying w ith stabilizer content
图9 孔体积与氮气压力比的相关关系
Fig.9 Correlation between pore volume and oxygen pressure ratio
图10 总孔容随固化剂掺量的变化规律
Fig.10 Law of total pore volume varying w ith stabilizer content
由图9可知，与原样土相比，不同固化剂掺量固化土的孔体积脱附等温线发生了改变，在相同的压力条件下，每一个孔隙的孔体积普遍比原样土孔体积小，这表明经过固化剂处理后的红黏土孔隙结构发生了变化，孔隙减小，土体变得更加密实。
由图10可知，原样土的总孔容为0.084 cm3/g，经过固化剂处理后，掺量依次为0.010％，0.012％，0.014％，0.016％，0.018％，0.020％的土样孔容分别减小到0.075，0.074，0.074，0.078，0.083，0.082 cm3/g。与原样土相比，不同固化剂掺量的固化土的总孔容变小，这表明固化剂固化前后，其土颗粒的大小发生了明显变化，经固化剂处治后的土颗粒孔隙减小，土体颗粒得以相互靠近，进而更加密实，这一结论与比表面积试验研究结果相一致。
综上所述，固化剂固化机理的系列研究成果表明，经过固化剂处理后的黏土颗粒表面吸附的结合水膜厚度减小，颗粒之间的引力增大，颗粒之间排列更紧密，孔隙减少，逐步形成更大的团聚体，结构更加密实。事实上，固化剂处理后的黏土颗粒表面结合水膜厚度减小的原因，一方面通过离子交换反应，另一方面也归功于固化剂独特的分子结构及二重性。
（1）离子土壤固化剂能有效减小黏土颗粒表面吸附的结合水膜厚度，使粒间的距离减小，颗粒之间的引力增大，使颗粒之间排列更紧密，形成更大的团聚体结构，从而使固化土样孔隙减少，结构更加密实。
（2）离子土壤固化剂处理后土中并没有新矿物生成，而是与黏土颗粒表面吸附的阳离子产生交换作用，并不会导致黏土矿物晶格结构产生解体破坏。
（3）经离子土壤固化剂处治后土样微观结构主要是以团聚体结构为主，团聚体明显增大，孔隙减少，结构变得更加紧密，其强度明显提高。
（4）液态离子型土壤固化剂作为新的优质筑路材料，能有效改良浙江金华地区的红褐色黏土性能，对其处治黏土的微观结构特征及固化机理的研究为离子固化剂在我国公路建设中的运用奠定了理论基础。
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Analysis of Microstructure Characteristics and Stabilization Mechanism of Ionic Soil Stabilizer Treated Clay
YANG Qing，LUO Xiao-hva，QIU Xin，WU Jin-hong
（School of Engineering，Zhejiang Normal University，Jinhva Zhejiang 321004，China）
Abstract：In order to stvdy the stabilization mechanism of ionic liqvid soil stabilizer，taking Zhejiang red clay as typical soil type，on the basis of getting basic physical parameters of the soil，by a series of physical，chemical and microstrvctvre tests，involving pH，condvctivity，plasma emission spectra，scanning electron microscopy，X-ray diffraction and BET test，the variation regvlarities of microstrvctvre characteristics of typical red clay before and after stabilization are analyzed.The research resvlt shows that（1）the typical soil is low liqvid limit clay；（2）the ionic soil stabilizer has high condvctivity and strong acidity，which can strengthen the cementation of thematerial containing iron ion and increase the strength of red clay；（3）the penetrant condvctivity can be increased by ion exchange reaction between the stabilizer and the＋1 cationics on the svrface of clay particles；（4）themineral particles of stabilized soil are contacted in the form of piece to piece，which makes soil strvctvral closer；（5）the X-ray diffraction atlas of the soil samples before and after stabilization are coincided，no diffraction peak and diffraction eigenvalve，indicating there is no new mineral prodvcing；（6）the soil aggregated，coagvlated and gradvally formed larger particles after stabilization，especially，when the stabilizer content is 0.014％，the svrface area and pore volvme of soil sample particles are redvced to theminimvm valves respectively.
Key words：road engineering；stabilization mechanism；microstrvctvre testing；ionic soil stabilizer；stabilized clay
doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2015.11.006
中图分类号：U416.223
文献标识码：A
文章编号：1002-0268（2015）11-0033-08
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