膨脹土在土木工程中的應(yīng)用

□何運(yùn)龍 閻傳寶 郭帥軍

膨脹土在土木工程中的應(yīng)用

□何運(yùn)龍 閻傳寶 郭帥軍

膨脹土在土木工程上有著廣泛的應(yīng)用，其獨(dú)特的防滲性能是其他天然材料所無(wú)法比擬的，推廣應(yīng)用膨脹土可產(chǎn)生良好的環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益。

膨脹土；滲透性；陽(yáng)離子交換性；吸附性；潤(rùn)滑性

膨脹土又名膨潤(rùn)土，是一種具有遇水膨脹，失水收縮性質(zhì)的黏土，由膨脹土構(gòu)成的地質(zhì)體在工程中具有許多危害。在水利工程中如高邊坡乃至低邊坡滑坡，渠坡變形，渠底隆起，尤其是高邊坡，由于裂隙的作用常發(fā)生深層較大規(guī)模滑坡，危害不容小視；建筑工程中地基脹縮變形隆起，房屋墻體開(kāi)裂；公路、鐵路工程中無(wú)論是路堤還是路塹工程，當(dāng)路基出現(xiàn)嚴(yán)重的崩解時(shí)，會(huì)造成路基局部坍塌、隆起或裂縫，且極易造成邊坡失穩(wěn)。雖然膨脹土在工程中造成諸多危害，但在工程中同其他化工領(lǐng)域作為一種礦產(chǎn)資源，卻也有著許多有益的應(yīng)用。諸如鉆井工藝中的護(hù)壁材料、水庫(kù)中的防滲材料、垃圾填埋場(chǎng)中的防滲、隔污材料，吸附劑、沙漠治理中的防滲保水材料、以及有著幾千年歷史文明的陶瓷制造等等。

1.地質(zhì)成因

膨脹土在世界各地廣泛分布，類型多樣。在我國(guó)不同地區(qū)也有大范圍分布，如東北、華北、華南等地，地質(zhì)時(shí)代主要為白堊紀(jì)、侏羅紀(jì)、第三紀(jì)、第四紀(jì)。白堊紀(jì)、侏羅紀(jì)膨脹土多為原生火山巖風(fēng)化型，第三紀(jì)、第四紀(jì)膨脹土多為沉積類型。膨脹土多分布于斷陷盆地、凹陷盆地等地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)，巖相以河流-湖泊相為主。

膨脹土是由中酸性噴出及淺成火山巖經(jīng)風(fēng)化以及搬運(yùn)沉積而成，主要為硅鋁酸鹽在堿性環(huán)境下生成蒙脫石、伊利石、高嶺石等礦物而形成。一種為原生的噴出巖，凝灰?guī)r、火山灰等在海洋環(huán)境下沉積風(fēng)化；一種為原生礦床經(jīng)流水搬運(yùn)、沉積，常與砂礫巖呈互層，相互伴生。

2.膨脹土的分類

膨脹土的主要礦物成分是蒙脫石，次要黏土礦物包括高嶺石、伊利石、綠泥石等，其中伊利石、高嶺石和綠泥石等與蒙脫石機(jī)械混合，同時(shí)構(gòu)成規(guī)則或不規(guī)則的間層礦物。非黏土礦物有石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦等鐵的氧化物以及火山碎屑及一些易溶鹽等。

膨脹土的分類一般有3種方案，一是按蒙脫石交換陽(yáng)離子的種類及其比例劃分屬性，二是蒙脫石層電荷高低劃分屬型，三是按蒙脫石與其他黏土礦物構(gòu)成特殊的間層結(jié)構(gòu)分類。

按照膨脹土中蒙脫石的可交換性陽(yáng)離子種類、數(shù)量和比例，可分為鈉基膨脹土、鈣基膨脹土及過(guò)渡類型膨脹土。按照蒙脫石層電荷高低劃分成為高層電荷蒙脫石與低層電荷蒙脫石兩大類，實(shí)際上，在自然界普遍存在兩種類型的過(guò)渡類型。自然界中黏土礦物既有單礦物存在，也有不同黏土礦物的互相交疊，它們很容易形成一種特殊的間層結(jié)構(gòu)，這種間層結(jié)構(gòu)可分為規(guī)則間層礦物和不規(guī)則間層礦物。

3.膨脹土的特性

膨脹土的顏色主要有灰白色、灰綠色、淺黃雜色、淺紅、紫紅等，具蠟脂光澤。膨脹土的結(jié)構(gòu)類型有泥質(zhì)、粉砂質(zhì)等結(jié)構(gòu)。構(gòu)造類型主要有層狀、致密塊狀。膨脹土一般吸濕性強(qiáng)、易崩解、遇水膨脹。有較好的黏結(jié)性，在陽(yáng)光下曝曬干裂成碎塊，密度一般在2g/cm3左右。膨脹土被稱為萬(wàn)用黏土，主要是因?yàn)樗兄S多特性，被應(yīng)用于很多領(lǐng)域。

膨脹土主要有以下幾種特性：一是膨脹性。由于膨脹土的自身結(jié)構(gòu)，可以吸收水使自身體積膨脹，自由膨脹率一般可以達(dá)到40%～100%，遠(yuǎn)高于其他種類黏性土；具有較大的比表面積，蒙脫石的比表面積可達(dá)800m2/g，因此膨脹土具有較強(qiáng)的膨脹性。二是黏稠性、潤(rùn)滑性。膨脹土和其他物質(zhì)混合后具有將別的物質(zhì)互相黏起來(lái)的性能。這時(shí)膨脹土本身并不發(fā)生化學(xué)變化，能形成膠體狀態(tài)，因此有著將黏性小的材料變濃稠的性能，使用了膨脹土的懸濁液很長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)發(fā)生沉淀，從而能形成完美的泥漿狀態(tài)。變成膠體的膨脹土具有較高的潤(rùn)滑性，在古代被用于馬車輪的潤(rùn)滑劑，并且用于各種鉆孔施工時(shí)的潤(rùn)滑劑。三是塑性。膨脹土具有較高的液限和塑限，一般為高液限黏土，吸附水的能力相當(dāng)強(qiáng)，可以吸收幾倍于自身重量的水。四是滲透性。膨脹土具有極小的滲透性，天然狀態(tài)下自然沉積的膨脹土滲透系數(shù)一般小于10-6cm/s甚至可達(dá)10-9cm/s，屬微～極微透水，在砂中加入少量膨脹土即可大大降低砂的滲透性，自然沉積的砂土混合地層中，滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純砂地層。五是陽(yáng)離子交換性。蒙脫石層間的離子可與溶液中的離子進(jìn)行等電量交換，交換和吸附作用相互可逆，多層狀的蒙脫石由于離子交換作用，水化離子中的水分子進(jìn)入層間，產(chǎn)生較強(qiáng)的膨脹作用，鈉基膨脹土的這一膨脹作用遠(yuǎn)大于鈣基膨脹土的這一作用。六是靈敏度及觸變性。靈敏度為相同含水量的原狀土與重塑土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，膨脹土的靈敏度一般較高，也就是說(shuō)重塑土強(qiáng)度會(huì)明顯降低，但膨脹土的重塑土經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的靜止后，結(jié)構(gòu)會(huì)自行發(fā)生變化，強(qiáng)度會(huì)逐漸恢復(fù)提高至原狀土水平。七是穩(wěn)定及耐久性。土木工程中大量使用的黏土及膨脹土具有較高的承載力及抗風(fēng)化能力，土體固結(jié)后一般不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，為純天然的無(wú)機(jī)物礦物質(zhì)，不會(huì)發(fā)生老化腐蝕等現(xiàn)象，具有永久的防水性能。

4.膨脹土在土木工程中的應(yīng)用

由于城市的高速發(fā)展，城市中產(chǎn)生的生活垃圾逐漸增加，垃圾處理逐漸成為城市建設(shè)必須面臨的一大難題，垃圾處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是基底防滲，解決防滲的首選材料就是天然防滲材料黏土，膨脹土和復(fù)合土工膜相互結(jié)合可增強(qiáng)防滲效果，另外膨脹土的吸附作用，可以有效地耐受各類污染物的侵蝕。

膨脹土還可用于人工湖、水塘、水庫(kù)、渠道等一些水利工程的水平防滲，膨脹土形成的防滲層可達(dá)到部分或全部的不透水，對(duì)于透水的砂卵石地層也可采用在地層內(nèi)灌注膨脹土泥漿的方法使之形成一層較厚的不透水層，起到防滲的作用。

渠道是水利工程建設(shè)工程量巨大的一種建筑物形式，目前渠道防滲大量采用復(fù)合土工膜材料加混凝土襯砌板的形式，造價(jià)較高。如果采用膨脹土制成的土板、土毯來(lái)進(jìn)行防滲，將大量節(jié)約材料及加工制作成本，況且膨脹土資源廣布、數(shù)量巨大，可就地取材，同時(shí)這種材料也可起到保護(hù)水下生物生存環(huán)境的作用。

用膨脹土制成膨脹土板、毯形狀，加工簡(jiǎn)單、制作方便，可以鋪貼在地下工程，如各類建筑樓房的地下室，水下工程地下垂直、水平墻面的內(nèi)外側(cè)，起到非常好的防水效果，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。

膨脹土與粉細(xì)砂甚至中細(xì)砂混合消除其膨脹性，作為筑堤、筑路的建筑材料，可減少占用耕植土，節(jié)約耕地資源。

膨脹土泥漿是一種良好的膠體溶液，作為灌漿材料被大量使用，錐探灌漿技術(shù)被廣泛應(yīng)用于渠道防滲、大堤除險(xiǎn)加固、壩體防滲等工程中。在鉆探施工、防滲墻施工、沉井、頂管、樁基、盾構(gòu)等施工中用作固壁介質(zhì)，并起到潤(rùn)滑作用。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，膨脹土是一種自然形成的礦產(chǎn)資源，在自然界中廣泛分布，針對(duì)膨脹土這種具有特殊結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，應(yīng)避開(kāi)它對(duì)工程不利影響，充分發(fā)揮它的作用，特別是防滲性能，使其更廣泛的應(yīng)用在水利工程建設(shè)領(lǐng)域中。

2017-02-06

何運(yùn)龍，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，高級(jí)工程師。

閻傳寶，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，高級(jí)工程師。

郭帥軍，男，漢族，河北金石地質(zhì)工程勘察有限公司，工程師。