鈣礬石和碳硫硅鈣石引起灰土地基鼓脹病害機理初探

駱 軍，米海珍，曹亞鵬

（1.甘肅金廈建筑安裝有限責任公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050；3.中國科學院西北生態環境資源研究院，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滲透性，且施工工藝簡便，費用低廉，得到了應用廣泛。然而，在某機場航站施工中，卻出現了灰土不固結，并發生鼓脹的反常現象。通過調查，發現發生地坪鼓脹的現象并非該機場一例，在機場周邊的新區范圍內，許多工程都不同程度地發生了類似的工程病害。該現象得到了有關部門的重視，成立了“蘭州新區濕陷性黃土鹽漬化對建筑物地基的影響研究”課題組。

本文結合某機場航站樓的檢測、試驗、研究工作，對鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成過程和生成條件作了進一步探究，揭示鈣礬石和碳硫硅鈣石生成的化學反應過程及誘發化學反應的條件。

1 工程概況

某機場 T2航站樓于 2013年7月完成地坪施工后，由于當時屋蓋尚未施工完成，于當年8月雨季時遭受大量雨水浸泡，雖經及時清理，但仍然有大量雨水滲入地基土中，至年底時，該航站樓行李分揀大廳、D 區運機位候機廳、B 區行李提取大廳、1 號變電室等區域均發生地面鼓脹病害。施工方于 2014年1月至 2016年1月對病害區域進行多次返工處理，但效果甚微，部分區域鼓脹病害仍在加劇，至今工程病害仍未得到根治，嚴重影響各功能區域的正常運營。

為了進一步探明灰土地基發生鼓脹的原因，對現場原土及灰土采取土樣，進行了易溶鹽含量檢測，模擬膨脹試驗，以及 X 射線衍射試驗和掃描電子顯微鏡試驗，對灰土地基的鼓脹規律和特性有了一定的認識，并在土樣中發現了膨脹能力極強的礦物元素——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，分子量持續增大，而且結合的水分子也越來越多，最終形成無序排列的針狀結構，將導致土壤的空隙率增加達到 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致該場地發生長時間的連續鼓脹。因此，鈣礬石和碳硫硅鈣石的膨脹是造成場地土發生鼓脹的主要因素。

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，部分脫水會變白。其化學分子為 Ca6［Al（OH）6］2·（SO4）3·26H2O。

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

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

目前對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）在結構上與鈣礬石非常相似，其化學分子式為 Ca6［Si（OH）6］2（SO4）2（CO3）2· 24 H2O。同樣的，對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理有三種：第一種認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條件下直接反應生成；第二種認為碳硫硅鈣石由鈣礬石過度項逐漸轉化而成；第三種則認為碳硫硅鈣石是以鈣礬石為結晶模版進行異項結晶形成［2］。無論哪一種生成機理，都與鈣礬石有著密切關系，在整個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理和反應過程

3.1 鈣礬石形成的機理

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-進入柱間溝槽串聯形成（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結合，發生水化反應，可生成膠結體的硅酸鈣、鋁酸鈣以及鐵酸鈣，它可將土壤膠結起來，使灰土逐漸硬化，增加了土壤顆粒間的附著強度。

硅酸鈣的生成是灰土固結過程中正常的、有益的反應環節，也是形成灰土強度的關鍵因素，由于硅酸鈣的形成，才將土顆粒相互膠結，產生一定強度。

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境中，將和土中的鋁離子和鈣離子以及水分子結合生成鈣礬石，并進一步結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合生成鈣礬石的過程，式（2）為鈣礬石進一步結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，美國科學院、工程院雙院士，加州大學伯克利分校詹姆斯·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，并引起了學術界的深入探討。

鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成需要 5 個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堿性的環境；④水；⑤可溶性的硫酸鹽 SO42-。

一般認為，在環境溫度＞15℃時，適宜鈣礬石的生成，當環境溫度＜15 ℃ 時，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

從以上的反應過程和促成化學反應的條件分析，基本解釋了灰土地基鼓脹的原因，其中條件 1 至條件 4 也是灰土固結所需要的必要條件，而當可溶性的硫酸鹽超標，才導致鈣礬石和碳硫硅鈣石的進一步生成，因此，硫酸鹽是導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。

5.1 石灰

目前，在建筑消石灰的生產和供應環節上，基本上是作坊式生產和個體銷售的模式，由于個體生產者對相關規范的重視程度不足，造成市場上的消石灰質量良莠不齊，石灰的品質不能得到有效保證。甚至有些不良商人，故意往石灰里摻假，牟取暴利。

對于建筑用消石灰，國家于 2013年4月25日發布了新版中華人民共和國建材行業標準 JC/T 481－2013《建筑消石灰》［5］，2013年9月1日開始實施。相對于舊版 JC/T 481－1992《建筑消石灰》［6］中對消石灰的分類和等級進行了重新定義和規定，取消原來優等品、一級品、合格品的等級稱謂，改名稱為 HCL 90、HCL 85、HCL 75，或 HML 85、HML 80，并將相應的質量要求（CaO+MgO含量）由原來的鈣質消石灰≥ 70 %、65 %、60 %，提高到 90 %、85 %、75 %；鎂質消石灰≥ 65 %、60 %、55 %，提高到 85 %、80 %。舊版 JC/T 481－1992《建筑消石灰》中對三氧化硫未作要求，新版 JC/T 481－2013《建筑消石灰》對三氧化硫的含量有了明確的要求，應≤2 %。

因此，為了防止灰土地基病害的發生，必須嚴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產生的堿性環境中，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，對土壤的含鹽量進行分析顯得尤為重要，在硫酸鹽漬土地區應謹慎采用灰土地基，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，應進行含鹽量檢測，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。而對于鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成條件和反應過程，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行治理呢？

對于抑制混凝土中硫酸鹽腐蝕的措施，已有文獻報道，可采用摻加相關外加劑的方法，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行治理，取得了一定效果。

首先將現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量 0.6 % 的氯化鋇，調整兩組土樣的含水率至 15 %，以同樣的壓實方法，裝填壓實至壓實筒中，在 0～16 ℃ 的范圍內進行了兩個周期的凍融循環，觀察土樣的膨脹性，其試驗結果如圖2、圖3所示。

試驗表明，當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+發生化學反應后，轉化為難溶的硫酸鋇，抑制了鈣礬石和碳硫硅鈣石的進一步生成。

由于氯化鋇本身具有較強的毒性，在工程實際中進行大規模應用存在較大的安全風險，因此該方法未在工程實際中進一步應用。

圖2 溫度隨時間變化的關系曲線

圖3 膨脹量隨時間變化的關系曲線

7 結 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，膨脹機理復雜，持續時間長，治理難度大。為了保證灰土工程的質量，避免后期返工造成損失，應在施工之初嚴格控制原材料中硫酸鹽的含量，并在養護期間做好防護措施，防止地基浸水。

本文初步探索了灰土地基發生鼓脹破壞的原因和機理，并嘗試了采用化學添加劑進行抑制的方法，進行了有益的探索，取得了一些初步成果，但由于試驗的深度有限，并未達到預期效果，還需要進一步深入研究。