改性黃河砒砂巖筑壩材料性能試驗

李長明,姚文藝,王立久,申震洲,劉慧,冷元寶

(1.華北水利水電大學土木與交通學院,河南 鄭州 450045; 2.黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003;3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

水土流失、黃河淤積,是我國黃河中下游地區近百年來一直面臨的嚴峻問題,究其原因在于黃土高原地區生態退化,土壤侵蝕嚴重。黃土高原的生態退化和水土流失,又以面積約為1.67萬km2的砒砂巖區最為劇烈。砒砂巖是一種由砂巖、砂頁巖和泥質砂巖構成的巖石互層[1],由石英、長石、碳酸鹽等原生礦物和蒙脫石、高嶺石、伊利石等次生黏土類礦物組成,從顏色上又分為白色、灰白色、灰黃色及紫紅色砒砂巖等[2]。砒砂巖屬孔隙式膠結,干燥時堅硬,但遇水即潰散成沙[3-4],因此,砒砂巖是黃河粗泥沙的主要來源。砒砂巖區的水土流失及生態退化問題給當地的經濟發展造成了嚴重的影響。為治理砒砂巖區的水土流失及生態退化問題,不少學者研究了沙棘柔性壩、工程淤地壩等措施對砒砂巖區水土流失的治理效果[5-6],已有研究結論表明,沙棘柔性壩和工程淤地壩可以有效地治理砒砂巖區的水土流失,其中尤以工程淤地壩攔沙蓄水治理效率最高[7-9]。然而,當地筑壩材料匱乏,交通不便,外部輸入筑壩材料造價高昂,現有使用砒砂巖直接碾筑的淤地壩因未解決砒砂巖的遇水膨脹潰散問題,在洪水中損毀嚴重[10]。因此,探明砒砂巖的水蝕潰散機理,改變其遇水潰散的特性,解決難以直接用砒砂巖筑壩的問題,將改性砒砂巖材料應用到當地的淤地壩工程中去,具有十分重要的意義。砒砂巖的組成主要分為3類:構成砒砂巖骨架的石英、長石和碳酸鹽等結晶較好的粗大顆粒物;蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等風化黏土物質組成的填充在顆粒物間的填充物;以及顆粒物之間和顆粒物與填充物接觸界面的膠結物(主要是游離氧化物,如氧化鐵等)。砒砂巖顆粒物間填充的黏土礦物—蒙脫石具有遇水強烈膨脹的性質,砒砂巖潰散主要因其巖體難以承受內部的膨脹作用[11]。

本文對砒砂巖的潰散抑制改性機理及改性材料的性能進行研究。通過固化改性試驗,研究改性劑的種類、濃度對砒砂巖膨脹的抑制效果,以期明晰砒砂巖改性機理,研制砒砂巖改性筑壩材料,為砒砂巖的開發利用及砒砂巖區水土流失治理提供技術支撐。

1 試驗材料及方法

1.1 材料

砒砂巖原料取自內蒙古準格爾旗暖水鄉,改性試劑為天津市科密歐化學試劑有限公司生產的分析純試劑。砒砂巖原巖水中潰散形態見圖1,將砒砂巖原巖烘干碾碎后進行顆粒粒徑、體積觀測及氧化物組成分析,砒砂巖粉體顆粒粒徑分布見圖2。通過X射線熒光發射譜分析儀(XRF)測出了砒砂巖的各氧化物SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O、MgO、Fe2O3、其他的質量分數分別為65.64%、14.35%、8.02%、1.07%、1.81%、3.95%、4.03%、1.13%。

圖1 砒砂巖水中崩解形態

圖2 砒砂巖顆粒粒徑分布

1.2 試驗設計

為考察同種鹽類,不同類型離子改性劑對砒砂巖膨脹的抑制效果,選用10種氯鹽改性劑:KCl、NaCl、NH4Cl、LiCl、CaCl2、MgCl2、CuCl2、BaCl2、AlCl3、FeCl3,每種改性劑溶液有4種濃度:0.005 mol/L、0.01 mol/L、0.05 mol/L、0.1 mol/L。

使用梅特勒-托利多公司生產的型號為ME204的分析天平(精度為0.1 mg)稱量2.0 g樣品,將稱好的樣品加入到盛有改性劑溶液的具塞量筒中靜置(圖3),待試樣體積穩定后讀取試樣的體積。采用梅特勒-托利多公司生產的TGA/DSC1型差熱分析儀(溫度范圍為50～1 000℃,加熱速率為10℃/min)對樣品的熱分解性能進行分析;使用D500型X射線衍射儀(XRD)(Cu靶,掃描范圍為10°～70°,掃描速度為2°/min)分析試樣的礦物成分;使用JEOL JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀測試樣微觀結構;使用ZJ型應變控制式直剪儀測試試樣的力學性能。

圖3 改性試驗試樣

2 試驗結果分析

2.1 試樣固結體積

圖4 不同改性劑改性效果

對砒砂巖進行改性,關鍵在控制其遇水膨脹的特性,這是防治砒砂巖遇水潰散的關鍵,試樣固結體積是考察不同改性劑對砒砂巖膨脹抑制效果的關鍵參數,若砒砂巖遇水膨脹性得到控制,則砒砂巖淤地壩的遇水損壞情況將得到大大的改觀。

相同改性劑條件下的改性樣品的體積減小率(改性試樣體積減小量與原樣體積之比)與改性劑濃度關系如圖4所示。試樣體積減小率隨改性劑濃度增大而先增長后減小。對一價改性劑(KCl、NaCl、NH4Cl和LiCl),改性后試樣的體積減小率隨改性劑濃度在5%～35%之間變化,改性劑濃度為0.05 mol/L時試樣的體積減小率達到最大。對CaCl2、MgCl2、CuCl2和BaCl24種二價改性劑,試樣體積減小率在5%～48%之間變化,除MgCl2改性劑外,其余試樣體積減小率均在0.05 mol/L濃度時取得最大值。對三價改性劑AlCl3和FeCl3,試樣體積減小率在25%～50%之間變化,在0.01 mol/L濃度時體積減小率取得最大值,三價改性劑對試樣的膠凝固結效果最佳。

改性劑中陽離子的水合半徑及表面電荷密度(離子攜帶電量與離子表面積的比值)對試樣的固結效果影響顯著。由陽離子水合半徑與試樣體積減小率的關系(圖5)可見,改性后試樣的體積減小率大致呈現隨陽離子水合半徑增大而增大的趨勢。這是因為陽離子的水化能力及離子外層包裹的水化膜厚度與離子的晶體半徑關系密切。對同價離子,離子的半徑越小,其表面的電荷分布越密集,與水的作用就越強,在離子周圍形成的水化膜越厚,固結效果越差,故試樣體積減小率隨離子水合半徑增大而增大[12-17]。此外,試樣的水化膨脹還受離子表面電荷密度的影響[18-19]。

圖5 不同濃度下試樣體積減小率與陽離子水合半徑關系

2.2 試樣抗剪強度

選取砒砂巖原樣及經過濃度為0.05 mol/L的NaCl、CaCl2和FeCl3改性的試樣,按照SL 237—1999《土工試驗規程》測試其抗剪強度,結果見圖6。由圖6可知,試樣體積減小率和抗剪強度均與改性劑中陽離子表面電荷密度有很好的相關性,隨著改性劑中陽離子表面電荷密度從0增加到0.18 C/m2,試樣的體積減小率從0增長到了50%,抗剪強度從48 kPa提高到了138 kPa。由此可見,固化改性后,砒砂巖的遇水膨脹性得到抑制的同時,材料的抗剪強度也得到了顯著的提高,達到了抑脹固化的效果。

圖6 試樣體積減小率和抗剪強度與表面電荷密度的關系

2.3 XRD分析

砒砂巖的水化膨脹與其內部膨脹性黏土礦物蒙脫石的晶層間距關系緊密。將改性試樣烘干研磨成粉后進行XRD測試,觀測改性后砒砂巖中各礦物成分及砒砂巖中膨脹性黏土礦物結構的變化情況,結果見圖7。砒砂巖的主要礦物成分為石英(SiO2, PDF#01-065-0466)、長石(NaAlSi3O8, PDF# 01-009-0466)、碳酸鹽(CaCO3, PDF# 01-047-1743)及蒙脫石(Ca0.2(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·4H2O, PDF#01-013-0135),不難看出,改性前后砒砂巖的礦物成分并無明顯變化,但礦物的衍射峰強度發生了變化,其中膨脹性黏土礦物蒙脫石的衍射峰強度及位置均發生了明顯變化。改性后,砒砂巖中蒙脫石在晶層間距d=1.53 nm(2θ=6°)附近的主衍射峰向高角度(2θ=7°～9°)偏移,衍射峰強度降低且變得平緩,d減小到1.07～1.50 nm?？梢?改性后砒砂巖中膨脹性黏土礦物蒙脫石的結構發生了顯著改變,晶層間距明顯減小,晶層間距的減小可以有效地抑制蒙脫石的水化膨脹,試樣的固結體積明顯減小,這與2.1節試樣固結體積的變化結果相一致。

1—砒砂巖原樣；2—NaCl改性試樣；3—KCl改性試樣；4—MgCl2改性試樣；5—CaCl2改性試樣；6—FeCl3改性試樣圖7 不同改性劑改性試樣XRD圖

2.4 熱重(TG-DTG)分析

圖8 試樣TG和DTG曲線

對改性試樣的熱分解特性進行分析,研究改性試樣在不同溫度下的熱分解特性。圖8是砒砂巖原樣和經KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2、AlCl3改性后試樣的TG和DTG曲線。從試樣的TG圖看(圖8(a)),試樣在50～200℃間有一個陡峭的失重臺階,在600～800℃間有一個平緩的失重臺階。50～200℃的質量損失為自由水和弱結合水的脫去所引起,砒砂巖原樣在50～200℃間的質量損失率為13.3%,KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2、AlCl3改性試樣在50～200℃間的質量損失率分別為7.7%、8.2%、8.0%、8.5%、4.7%,改性試樣中的自由水和弱結合水的量在改性后有顯著的下降。DTG結果與TG結果一致,砒砂巖原樣在120℃附近有一個大的尖銳的脫水吸熱峰,在645℃附近有一個脫羥基的吸熱峰,改性后,試樣120℃附近的脫水吸熱峰強度變小且向低溫度方向偏移至95～118℃間,說明改性后試樣中的自由水和弱結合水量大幅減少?？傊?改性后試樣中的自由水和弱結合水的量大大減少,說明改性試樣的水化膨脹能力得到了顯著的抑制,發生了明顯的固結作用,這與試樣體積及抗剪強度結果相一致。

2.5 SEM分析

圖9為砒砂巖原樣及改性試樣的SEM圖。由圖9(a)可以看出,未改性的砒砂巖原樣的SEM圖呈現出結構疏散的大塊顆粒,顆粒間交錯鑲嵌在一起,大裂隙夾雜其間,巖體結構疏松,孔隙和裂縫尺寸較大,外部水易侵入引起巖體膨脹潰散。圖9(b)(c)(d)分別為經KCl、CaCl2和AlCl3改性后試樣的SEM圖。圖9(b)表明,經KCl改性后,試樣的孔隙和裂縫的尺寸明顯減小,顆粒間的連接更為緊湊,巖體的結構得到改善;圖9(c)表明,經CaCl2改性后,試樣的結構得到進一步的改善,顆?；具B接成為一個整體;根據圖9(d)可見,經AlCl3改性后試樣的SEM圖呈現為質地均勻密實的塊體基質,孔隙和裂縫基本消失。

圖9 原樣及改性試樣SEM圖

3 結 論

a. 利用固結膠凝改性技術有效抑制砒砂巖的水化膨脹研制淤地壩筑壩材料是可行的。改性后試樣的膨脹性得到了明顯抑制,對一價改性劑(KCl、NaCl、NH4Cl和LiCl)、二價改性劑(CaCl2、MgCl2、CuCl2和BaCl2)和三價改性劑改性后試樣,其體積減小率隨改性劑濃度分別在5%～35%、5%～48%和25%～50%間變化,一價和二價改性劑濃度為0.05 mol/L時體積減小率取得最大值,而三價改性劑濃度在0.01 mol/L時體積減小率取得最大值。

b. 試樣水化膨脹受改性劑中陽離子化合價、半徑及離子表面電荷密度等因素的影響,試樣體積減小率隨陽離子表面電荷密度的增大而增大,且化合價高、離子半徑小的陽離子改性劑對砒砂巖膨脹抑制效果更好。隨著改性劑中陽離子表面電荷密度從0增加到0.18 C/m2,試樣的體積減小率從0增長到了50%,抗剪強度從48 kPa提高到了138 kPa.

c. 改性后試樣中膨脹性礦物蒙脫石的衍射峰從低角度向高角度偏移,晶層間距d從1.53 nm減小到1.07 nm,50～200℃范圍的質量損失率從13.3%下降到4.7%,砒砂巖的水化膨脹能力顯著下降,試樣中自由水和弱結合水的含量明顯減少,改性后試樣的孔隙和裂縫顯著減少,隨著改性劑陽離子價態增大而愈加均勻密實。