膨胀土在土木工程中的应用

□何运龙 阎传宝 郭帅军

膨胀土在土木工程中的应用

□何运龙 阎传宝 郭帅军

膨胀土在土木工程上有着广泛的应用，其独特的防渗性能是其他天然材料所无法比拟的，推广应用膨胀土可产生良好的环境效益及经济效益。

膨胀土；渗透性；阳离子交换性；吸附性；润滑性

膨胀土又名膨润土，是一种具有遇水膨胀，失水收缩性质的黏土，由膨胀土构成的地质体在工程中具有许多危害。在水利工程中如高边坡乃至低边坡滑坡，渠坡变形，渠底隆起，尤其是高边坡，由于裂隙的作用常发生深层较大规模滑坡，危害不容小视；建筑工程中地基胀缩变形隆起，房屋墙体开裂；公路、铁路工程中无论是路堤还是路堑工程，当路基出现严重的崩解时，会造成路基局部坍塌、隆起或裂缝，且极易造成边坡失稳。虽然膨胀土在工程中造成诸多危害，但在工程中同其他化工领域作为一种矿产资源，却也有着许多有益的应用。诸如钻井工艺中的护壁材料、水库中的防渗材料、垃圾填埋场中的防渗、隔污材料，吸附剂、沙漠治理中的防渗保水材料、以及有着几千年历史文明的陶瓷制造等等。

1.地质成因

膨胀土在世界各地广泛分布，类型多样。在我国不同地区也有大范围分布，如东北、华北、华南等地，地质时代主要为白垩纪、侏罗纪、第三纪、第四纪。白垩纪、侏罗纪膨胀土多为原生火山岩风化型，第三纪、第四纪膨胀土多为沉积类型。膨胀土多分布于断陷盆地、凹陷盆地等地质构造单元内，岩相以河流-湖泊相为主。

膨胀土是由中酸性喷出及浅成火山岩经风化以及搬运沉积而成，主要为硅铝酸盐在碱性环境下生成蒙脱石、伊利石、高岭石等矿物而形成。一种为原生的喷出岩，凝灰岩、火山灰等在海洋环境下沉积风化；一种为原生矿床经流水搬运、沉积，常与砂砾岩呈互层，相互伴生。

2.膨胀土的分类

膨胀土的主要矿物成分是蒙脱石，次要黏土矿物包括高岭石、伊利石、绿泥石等，其中伊利石、高岭石和绿泥石等与蒙脱石机械混合，同时构成规则或不规则的间层矿物。非黏土矿物有石英、长石、黄铁矿等铁的氧化物以及火山碎屑及一些易溶盐等。

膨胀土的分类一般有3种方案，一是按蒙脱石交换阳离子的种类及其比例划分属性，二是蒙脱石层电荷高低划分属型，三是按蒙脱石与其他黏土矿物构成特殊的间层结构分类。

按照膨胀土中蒙脱石的可交换性阳离子种类、数量和比例，可分为钠基膨胀土、钙基膨胀土及过渡类型膨胀土。按照蒙脱石层电荷高低划分成为高层电荷蒙脱石与低层电荷蒙脱石两大类，实际上，在自然界普遍存在两种类型的过渡类型。自然界中黏土矿物既有单矿物存在，也有不同黏土矿物的互相交叠，它们很容易形成一种特殊的间层结构，这种间层结构可分为规则间层矿物和不规则间层矿物。

3.膨胀土的特性

膨胀土的颜色主要有灰白色、灰绿色、浅黄杂色、浅红、紫红等，具蜡脂光泽。膨胀土的结构类型有泥质、粉砂质等结构。构造类型主要有层状、致密块状。膨胀土一般吸湿性强、易崩解、遇水膨胀。有较好的黏结性，在阳光下曝晒干裂成碎块，密度一般在2g/cm3左右。膨胀土被称为万用黏土，主要是因为它有着许多特性，被应用于很多领域。

膨胀土主要有以下几种特性：一是膨胀性。由于膨胀土的自身结构，可以吸收水使自身体积膨胀，自由膨胀率一般可以达到40%～100%，远高于其他种类黏性土；具有较大的比表面积，蒙脱石的比表面积可达800m2/g，因此膨胀土具有较强的膨胀性。二是黏稠性、润滑性。膨胀土和其他物质混合后具有将别的物质互相黏起来的性能。这时膨胀土本身并不发生化学变化，能形成胶体状态，因此有着将黏性小的材料变浓稠的性能，使用了膨胀土的悬浊液很长时间也不会发生沉淀，从而能形成完美的泥浆状态。变成胶体的膨胀土具有较高的润滑性，在古代被用于马车轮的润滑剂，并且用于各种钻孔施工时的润滑剂。三是塑性。膨胀土具有较高的液限和塑限，一般为高液限黏土，吸附水的能力相当强，可以吸收几倍于自身重量的水。四是渗透性。膨胀土具有极小的渗透性，天然状态下自然沉积的膨胀土渗透系数一般小于10-6cm/s甚至可达10-9cm/s，属微～极微透水，在砂中加入少量膨胀土即可大大降低砂的渗透性，自然沉积的砂土混合地层中，渗透系数远远小于纯砂地层。五是阳离子交换性。蒙脱石层间的离子可与溶液中的离子进行等电量交换，交换和吸附作用相互可逆，多层状的蒙脱石由于离子交换作用，水化离子中的水分子进入层间，产生较强的膨胀作用，钠基膨胀土的这一膨胀作用远大于钙基膨胀土的这一作用。六是灵敏度及触变性。灵敏度为相同含水量的原状土与重塑土无侧限抗压强度的比值，膨胀土的灵敏度一般较高，也就是说重塑土强度会明显降低，但膨胀土的重塑土经过一定时间的静止后，结构会自行发生变化，强度会逐渐恢复提高至原状土水平。七是稳定及耐久性。土木工程中大量使用的黏土及膨胀土具有较高的承载力及抗风化能力，土体固结后一般不会发生化学变化，为纯天然的无机物矿物质，不会发生老化腐蚀等现象，具有永久的防水性能。

4.膨胀土在土木工程中的应用

由于城市的高速发展，城市中产生的生活垃圾逐渐增加，垃圾处理逐渐成为城市建设必须面临的一大难题，垃圾处理的关键环节就是基底防渗，解决防渗的首选材料就是天然防渗材料黏土，膨胀土和复合土工膜相互结合可增强防渗效果，另外膨胀土的吸附作用，可以有效地耐受各类污染物的侵蚀。

膨胀土还可用于人工湖、水塘、水库、渠道等一些水利工程的水平防渗，膨胀土形成的防渗层可达到部分或全部的不透水，对于透水的砂卵石地层也可采用在地层内灌注膨胀土泥浆的方法使之形成一层较厚的不透水层，起到防渗的作用。

渠道是水利工程建设工程量巨大的一种建筑物形式，目前渠道防渗大量采用复合土工膜材料加混凝土衬砌板的形式，造价较高。如果采用膨胀土制成的土板、土毯来进行防渗，将大量节约材料及加工制作成本，况且膨胀土资源广布、数量巨大，可就地取材，同时这种材料也可起到保护水下生物生存环境的作用。

用膨胀土制成膨胀土板、毯形状，加工简单、制作方便，可以铺贴在地下工程，如各类建筑楼房的地下室，水下工程地下垂直、水平墙面的内外侧，起到非常好的防水效果，在国内外被广泛应用。

膨胀土与粉细砂甚至中细砂混合消除其膨胀性，作为筑堤、筑路的建筑材料，可减少占用耕植土，节约耕地资源。

膨胀土泥浆是一种良好的胶体溶液，作为灌浆材料被大量使用，锥探灌浆技术被广泛应用于渠道防渗、大堤除险加固、坝体防渗等工程中。在钻探施工、防渗墙施工、沉井、顶管、桩基、盾构等施工中用作固壁介质，并起到润滑作用。

5.结束语

综上所述，膨胀土是一种自然形成的矿产资源，在自然界中广泛分布，针对膨胀土这种具有特殊结构的地质体，应避开它对工程不利影响，充分发挥它的作用，特别是防渗性能，使其更广泛的应用在水利工程建设领域中。

2017-02-06

何运龙，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，高级工程师。

阎传宝，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，高级工程师。

郭帅军，男，汉族，河北金石地质工程勘察有限公司，工程师。