文|史作咏者

编辑|史作咏者

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在工程应用中，膨润土会与孔隙水溶液产生强烈的物理化学作用，如带负电的蒙脱石片层水化和层间可交换阳离子的水化等，在这些物理化学作用的影响下，土体在宏观上表现出膨胀行为。

国内外学者针对膨润土的膨胀行为问题已经进行了大量的研究，结果表明蒙脱石层电荷量、层间阳离子类型以及所处的孔隙溶液环境都会对膨润土膨胀性产生影响。

Aderemi采用蒙特卡洛分子动力学模拟的方法，以不同层电荷的蒙脱石与贝德石为研究对象，再选择五种不同的碱金属阳离子作为层间阳离子来研究层间阳离子和层电荷对膨胀性黏土膨胀性的影响。

结果发现在不同层间碱金属阳离子的影响下，蒙脱石的膨胀力沿碱金属族从上到下逐渐降低；随着层电荷的降低，膨胀力也降低。

但是该研究结果来源于数值模拟，并未进行实验验证，涂志斌等使用不同种类的化学溶液探究不同浓度、不同类型阳离子和pH对钠基膨润土自由膨胀率的影响。

发现钠基膨润土的自由膨胀率随着盐溶液浓度的升高而下降。

溶液浓度小于0.25mol/L时溶液阳离子价态越高对膨胀的抑制越显著，浓度超过0.25mol/L后K+对自由膨胀率的影响最为显著。

有关盐溶液对膨润土自由膨胀率影响的实验研究较多，但有关层电荷对土体膨胀行为的实验研究较少。

为了研究阳离子交换量对膨润土膨胀行为的影响，需要在不改变膨润土其他物理力学性质的前提下改变膨润土的阳离子交换量量，固定蒙脱石层间Li+的方法可以给予我们启发。

Hofmann-Klemen效应指出在高温加热的条件下，部分具有极小半径的阳离子（如Li+、Ni+）会不可逆地迁移到蒙脱石晶格中，迁移后的小阳离子在温度恢复后无法再回到蒙脱石的层间，不会参与阳离子交换。

同时，小阳离子迁移的程度受温度和加热时间影响，因此，膨润土的CEC可以通过可控的方式降低，有研究证明，通过固定Li+来降低蒙脱石的CEC的方式不会对蒙脱石的其他结构特征造成影响。

通过这种方式降低CEC后的土被称为减电荷蒙脱土，RCMs可以被应用于蒙脱土的固定负电荷密度与其相关性质之间关系的研究，Komadel等对前人研究RCMs性质变化的实验结果进行了总结，实验结果表明。

CEC的减少会导致蒙脱土膨胀性减弱和层空间的塌陷，在CEC降低至原来的68%后，蒙脱土在水中的自由膨胀性被完全抑制。

扩散双电层理论常常被用来解释膨胀土的膨胀行为，双电层厚度的改变决定了膨润土膨胀变形的大小。

但双电层厚度公式并没有考虑蒙脱石层电荷的影响，因此无法描述不同层电荷密度的膨胀土之间膨胀行为的差别，Wei考虑了土颗粒与孔隙溶液间的物理化学效应。

在电化学平衡基础之上建立了非饱和土的平均粒间应力公式，为研究膨润土的膨胀行为提供了新的思路。

Ma证明了粒间应力理论可以较好地描述在考虑渗透、毛细和吸附作用下白垩岩的化学力学行为，杨德欢和于海浩根据粒间应力公式。

合理解释了粉土与膨润土的混合土与天然粉质粘土在固结慢速直剪实验中测得负黏聚力的现象。

姚传芹使用不同浓度的NaCl和CaCl2溶液对宁明膨胀土开展自由膨胀率实验，并采用粒间应力理论解释了相关实验现象。

宋朝阳应用平均粒间应力对非饱和土化学力学加载试验进行模拟，计算结果与试验结果符合情况良好，进一步验证了粒间应力公式的稳定性与有效性。

选用的土样为商业钠基膨润土，天然含水率为15.9%，其物理性质见表1，土样的主要矿物成分见表2，通过气体比重计法测得土样的比重为2.76。

通过液塑限联合测定法测得土样的液限为262.6%、塑限为60.5%，塑性指数为202.1，根据（GB/T50123―2019）《土工试验方法标准》，测得自由膨胀率为662%，按照氯化钡缓冲液法测得土样的阳离子交换量为74mmol/100g。

为避免所用的盐溶液与土样之间产生离子交换进而影响实验结果，选择不同浓度的LiCl溶液对减电荷锂基膨润土进行自由膨胀率实验，试验使用的LiCl试剂为分析纯级。

选择锥形瓶作为容器，将500g钠基膨润土均匀分散在500ml浓度为1mol/L的LiCl溶液中，再将钠基膨润土与LiCl溶液的悬浊液置于温度设置为80℃的恒温水浴磁力搅拌机中均匀搅拌10个小时，使钠基膨润土与溶液中的Li+充分交换。

待悬浊液冷却至室温，将悬浊液转移到离心管中，然后置于离心机中进行离心，使得土颗粒与溶液分离，倒掉上清液，在离心管中加入去离子水，将离心管置于振动台上，使土颗粒与去离子水充分混合。

重复离心洗涤两次后取部分上清液放入电导率仪中进行测试，并与蒸馏水的电导率结果进行对比，如果上清液的电导率和蒸馏水的相差不大则说明已经洗涤干净。

把洗涤干净的土样转移到烧杯中，放于温度设为80℃的烘箱中烘干后碾碎过筛，得到锂基膨润土。

将锂基膨润土分别置于105℃、125℃、150℃、200℃的烘箱中加热24h，得到具有不同CEC的锂基膨润土：LiM105、LiM125、LiM150、LiM200，最后采用氯化钡缓冲液法测量四种土样的CEC。

根据ASTD5890所规定的自由膨胀率试验方法进行试验，先将过200目筛后的土样放在105℃的烘箱内烘干备用，取90ml盐溶液倒入100ml量筒中。

使用微量药匙将2g烘干的膨润土分20次左右添加到90mL的盐溶液中，每次添加的土量不超过0.1g，10分钟内将所有2g土加入到溶液中。

待所有土加入溶液后，将溶液加满至100mL刻度线，静置24小时后记录量筒中膨润土水化膨胀后的体积，试验所使用的盐溶液为浓度为0.1mol/L、0.2mol/L、0.5mol/L、1mol/L、5mol/L的LiCl溶液。

不同类型的土颗粒可交换阳离子的交换能不同：阳离子的价态越高，其阳离子交换能力越强；相同价态的阳离子，其离子半径越小则交换能力越强。

商业钠基膨润土层间可交换阳离子以Na+（半径0.102nm）为主，其交换能力小于同价态的Li+（半径0.076nm），因此采用离子交换法可以将钠基膨润土改性为锂基膨润土。

在洗涤步骤中，洗涤所使用的蒸馏水的电导率为7.20μS/cm；第一次离心取得的氯化锂溶液的电导率为75.18μS/cm；洗涤一次后的上清液电导率为22.26μS/cm。

洗涤两次后的上清液电导率为11.47μS/cm；洗涤三次后发现上清液为悬浊液，其中混杂了部分土颗粒，此时的悬浊液电导率达到了478.33μS/cm，电导率的回升是悬浊液中的带电土颗粒导致的。

第二次洗涤的上清液电导率和蒸馏水较为接近，说明已经洗涤干净，后续锂基膨润土的制备均洗涤两次即可。

锂基膨润土层间的Li+的半径极小，受Hofmann-Klemen效应影响，高温加热可使Li+向土颗粒晶格内移动，且加热结束后的Li+无法回到层间，迁移的程度受温度和加热时间影响。

迁移到晶格内的Li+会中和土颗粒的层电荷，不会再发生阳离子交换，因此膨润土的CEC会降低。

125℃和150℃样品的CEC为42.9mmol/100g和25.8mmol/100g，约为105℃样品的65%和39%，超过150℃后，土样CEC降低的速度变慢，在加热温度达到200℃时，土样的CEC达到最低值，为22.0mmol/100g，约占105℃样品的33%。

以上结果可以说明加热温度与锂基膨润土CEC之间存在着良好的相关性，大部分的Li+在105～150℃加热24小时后被固定，但仍有部分残留阳离子未被固定。

在不同温度下加热锂基膨润土24小时，可以使膨润土的CEC不同程度地降低，土壤的CEC在105℃到150℃之间降低的程度较大，超过150℃后降低的程度较小。

采用考虑颗粒间物理化学作用的粒间应力来描述相同膨润土在CEC以及盐溶液作用下的自由膨胀变形。

在回弹应力和回弹变形曲线上，几乎所有的实验点都集中在一条曲线附近，这也进一步证明了粒间应力在模拟膨胀土的有效性。

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