Influencing factors and action mechanism of in-situ thermal reinforcement of dispersive soil
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摘要: 分散土是一种水敏性特殊土，常采用石灰等土壤固化材料进行改性处理，但是对于边坡工程，由于改性处理的施工工艺复杂，使得改性成本较高且效果往往达不到设计要求。通过泥球、碎块、针孔、双相对质量密度计等分散性判别试验以及微观结构检测、X射线衍射、红外光谱分析等微观试验，研究了原位热力加固分散土的影响因素及其作用机理。试验结果表明，温度、加热时间、压实度对热力加固分散土具有显著的影响。随着温度的升高、加热时间的延长、压实度的增加，分散土的分散性逐步减弱，直至消除。加热温度低于200℃时，分散土的分散性虽然减弱，但具有可逆性；高于200℃以上时，分散土彻底失去分散性，且具有不可逆性。分散土经过高温处理后，通过颗粒失水凝聚、盐矿物形变胶结等作用，使得颗粒团聚结构增强，水溶性离子溶出量减少，土体碱性降低，双电层厚度减小，进而土颗粒间的引力大于斥力，分散性减弱甚至消失。研究结果表明，原位热力加固技术是一项很有前景的特殊土边坡稳定处置技术。Abstract: The dispersive soil is a kind of special water sensitive soil, which is often modified with lime and other soil solidification materials. However, for slope engineering, due to the complex construction process of modification treatment, the cost is high and the effects often fail to meet the design requirements. The influencing factors and action mechanism of in-situ thermal reinforcement of dispersive soil are studied through the dispersion discrimination tests such as mud ball, fragment, pinhole and double-hydrometer, as well as the micro tests such as microstructure detection, X-ray diffraction and infrared spectrum analysis. The test results show that the temperature, heating time and degree of compactness have significant effects on the thermal reinforcement of the dispersive soil. With the rise of the temperature, the extension of the heating time and the increase of the compactness, the dispersibility of the dispersive soil decreases gradually until it is eliminated. When the heating temperature is lower than 200℃, the dispersity of the dispersive soil is weakened, but it is reversible. When the temperature is higher than 200℃, the dispersibility of the dispersive soil is completely lost and irreversible. After high temperature treatment, through the condensation of dehydrated particles and the deformation and cementation of salt minerals, the particle agglomeration structure is enhanced, the dissolution of water-soluble ions is reduced, the soil alkalinity is reduced, and the thickness of electric double-layer is reduced. Then, the gravity between soil particles is greater than the repulsion, and the dispersion is weakened or even disappears. This study indicates that the in-situ thermal reinforcement technology is a promising technology for the stability of problematic soil slopes.
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Keywords:
- dispersive soil /
- thermal reinforcement /
- heating temperature /
- microstructure /
- action mechanism
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0. 引言
分散土具有遇水易分散流失的特性，抗冲蚀能力低，具有较大安全隐患[1]，在工程应用中多采用石灰等改性材料进行处置。但是，石灰改性分散土施工工艺流程复杂，工程建设成本较高，尤其对于边坡工程，需要专门的碾压机械（图 1），不仅施工难度大，而且往往改性效果不理想。
热力加固法是一种古老的土体改性技术，能够有效提高土体力学强度，消除地基不均匀沉降，可用于处理各种不良土体[2-3]。Litvinov[4-5]采用热处理的方法加固黄土，消除了土体沉降性，并大幅提高了其承载力。宋汉堂[6]、谈鹏燕等[7]进一步阐述了黄土热加固机理，并在其处理方法上进行了创新，以电热丝作为热源，提高了土体加热效率与安全性。针对含水率较高的土体如淤泥质土，高温处理可有效提高其抗压强度与水稳定性。刘云壮等[8]通过试验发现，淤泥抗压强度随加热温度与加热时间的提高而不断增大，800℃高温加热3 h后，在60 d的水解作用下，抗压强度仍可达3 MPa以上，满足了施工要求。此外，在核废料地质处置[9]、污染土热修复领域[10]的相关探索也促进了土体热效应研究的发展并使得土壤热处理技术走向成熟，微波加热等新技术[11]的出现为热力固化改性特殊土的进一步应用创造了条件。
因此，考虑现有分散土处理的局限性与热力加固技术在原位处理中的优势，本文采用泥球、碎块、针孔、双密度计等试验方法，研究了在电加热条件下，不同加热温度、加热时间、压实度等因素对分散土加固改性效果的影响，并对其作用机理进行了探讨分析，以期为特殊土原位热力加固技术的推广应用提供理论与技术支撑。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料
本试验采用的土样是人工配制的化学分散土。原土取自陕西省杨凌示范区扶杨大道的路基，取土深度约2 m，土样为黄褐色，质感细腻。土样取回实验室后，风干，碾碎，剔除植物根系等杂质，按照质量比掺入0.16%的碳酸钠，加纯水至液限，搅拌，静置数天，风干至能过筛状态，过5 mm土壤筛，装袋备用。配制的分散土的基本物理化学性质如表 1所示。
表 1 分散土基本性质Table 1. Basic properties of dispersive soil颗粒相对密度 液限/% 塑限/% 塑性指数 颗粒组成/% 最大干密度/(g·cm-3) 最优含水率/% 易溶盐/(g·kg-1) 有机质/(g·kg-1) pH值 砂粒 粉粒 黏粒 2.71 29.9 18.5 11.4 1.3 64.0 34.7 1.77 16.5 1.7 5.3 9.75 1.2 试验方法
（1）试样制备及加温设备
a）试样制备
将土样配制到最优含水率，按照试验需要的压实度，采用静压法制备Ф4×3.81 cm的圆柱形试件。同时，采用配制好的散粒土（过5 mm筛，没有经过压实处理）进行试验，与压实土的处理效果做对照分析。
b）加温设备
采用上海科恒实业发展有限公司生产的箱式电阻炉（型号：FP-5-12，额定温度：1200℃）、上海南荣实验室设备有限公司生产的鼓风干燥箱（型号：DGX-9143B，额定温度：250℃）进行加热处理。
（2）分散性鉴别试验
根据试样状态不同，采用碎块试验、泥球试验、针孔试验、双密度计试验进行土样的分散性判别。其中，碎块试验、针孔试验、双密度计试验分别按照《分散土研究》相关标准[1]进行。泥球试验与碎块试验的判别标准一样，但是土样处理方式有所区别，前者是在土样中加水使含水率至液塑限之间，抟成1 cm3左右的泥球，放入盛蒸馏水的烧杯中，观察土块中胶粒的分散情况。
（3）作用机理分析试验
主要包括钠离子含量、电导率、酸碱度、颗粒级配、土中结合水和化学健、微观结构以及矿物成分变化等试验。试验仪器分别为日立公司ZA3000型原子吸收光谱仪、上海雷磁仪器厂DDS-11A型电导率仪、奥豪斯仪器（常州）有限公司ST2100实验室pH计、英国Mastersizer 2000E激光粒度仪、Thermo Fisher iS50型傅里叶变换红外光谱仪、日立公司S-4800型场发射扫描电镜以及Rigaku公司Smartlab型多晶X射线粉末衍射仪。
2. 热力加固分散土的影响因素研究
2.1 加热温度对分散土分散性的影响
（1）压实土体
对于呈压实状态的分散土来说，加热温度选择50~400℃，同时以室温下的各项试验结果作为对照，压实度分别为84%，96%，98%，100%，加热时间为1 h，采用碎块试验、针孔试验来研究土的分散性，试验结果如表 2所示。
表 2 加热温度对热力加固分散土的影响（加热1 h）Table 2. Effects of heating temperature on thermal reinforcement of dispersive soil (1 h)加热温度T/℃ 压实度n/% 针孔试验 碎块试验 综合判别结果 作用水头/mm 时间/s 流量/(mL·s-1) 侧视水色 顶视水色 孔径/mm 结果 烧杯中现象 结果 室温 84 50 600 0.28 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 96 50 600 0.48 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 98 50 600 0.65 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 100 50 600 0.38 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 50℃ 84 50 600 0.28 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 96 50 600 0.31 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 98 50 600 0.33 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 100 50 600 0.50 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 100℃ 84 380 300 1.42 透明 微浑 ≥1.0 I 崩解后水微浑 I I 96 380 300 1.08 透明 微浑 ≥1.0 I 崩解后水清澈 ND I 98 1020 300 2.62 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 100 1020 300 2.10 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 150℃ 84 1020 300 1.92 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 96 1020 300 2.27 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 98 1020 300 1.96 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 100 1020 300 1.92 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 200℃ 84 1020 300 2.55 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 96 1020 300 1.87 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 98 1020 300 1.58 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 100 1020 300 1.67 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 300℃ 84~100 — — — — — — — 崩解后水均清澈 ND ND 400℃ 84~100 — — — — — — — 碎块均不崩解 ND ND 注：（1）“D”，“I”，“ND”分别代表分散土、过渡土、非分散土；“—”表示没有进行试验。（2）针孔试验：非分散土，在380~1020 mm水头下针孔不扩大，出水流很清；过渡土，在180~380 mm水头下针孔冲蚀较慢，出水流稍混浊；分散土，在50 mm水头下针孔迅速扩大，出水流混浊。（3）碎块试验：分散土，土块水解后混浊，土很快扩散到整个量杯底部，水呈雾状，经久不清；过渡土，土块水解后四周有微量混浊，但扩散范围小；非分散土，无分散出胶粒的反应，土块水解后在量杯底部以细颗粒状平堆，水色是清的，或稍混浊后很快又变清。 从表 2可看出，当处于室温和加热温度为50℃时，不论何种压实度，针孔试验和碎块试验都表现很强的分散性；当温度增加到100℃时，土体的分散性减弱，其减弱程度和压实度有关，在84%，96%压实度时，表现为一定的过渡性，在98%，100%压实度时，表现为非分散性；当温度增加到150 ℃以上时，不论何种压实度，土样的分散性都消除。温度增加到400 ℃时，试样放入水中，不发生崩解，依然保持块状。由此可知，随着加热温度的升高，压实土体的分散性逐渐减弱，由分散性逐步到过渡性，直到非分散性。
（2）散粒土体
对于呈散粒状态的分散土来说，加热温度选择100~600℃，同时以室温下的各项试验结果作为对照，加热时间均为1 h。分别采用泥球试验、双密度计试验来判别土体分散性的变化情况。
泥球试验结果表明（图 2），当加热温度为100℃时，土样仍表现很强的分散性；当温度增加到150℃时，土体的分散性减弱；当温度达到200~350℃时，土样转变为非分散土；但当加热温度达到400℃以上时，由于土体颗粒与含水状态的变化，土粒间相黏结力大幅减弱，塑性丧失，砂质感明显[12]，所制泥球样愈发松散，入水后很快崩解，又重新表现出一定的分散现象。双密度计试验结果（图 3）同泥球试验结果基本一致，即随着温度的升高，分散性先降低后稳定。
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图 2 加热温度对分散性影响的泥球试验结果照片（散粒体，加热1 h）Figure 2. Pictures of mud ball test results with influences of heating temperature on dispersion (bulk soil heated for 1 h)![]()
图 3 加热温度对分散性影响的双密度计试验结果（加热1 h）Figure 3. Test results of double-hydrometer with influences of heating temperature on dispersion (1 h)2.2 加热时间对分散土分散性的影响
由表 2可见，当处理温度为100℃时，加热1 h后土体分散性就会发生减弱，当加热温度达到150℃时，1 h加热处理后分散性就已消失，因此为了研究加热时间对分散土的影响，选定加热温度为50℃，加热时间选择1，3，5，7 h，压实度分别为84%，96%，98%，100%，采用碎块试验、针孔试验研究在不同加热时间下土体分散性的变化情况，试验结果见表 3，部分典型照片见图 4。
表 3 加热时间对分散性的影响（加热温度50℃）Table 3. Effects of heating time on dispersion (50℃)加热时间t/h 压实度n/% 针孔试验 碎块试验 综合判别结果 作用水头/mm 时间/s 流量/(mL·s-1) 测视水色 顶视水色 孔径/mm 结果 烧杯中现象 结果 1 84 50 600 0.28 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 96 50 600 0.31 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 98 50 600 0.33 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 100 50 600 0.50 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 3 84 180 300 0.63 微浑 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 96 180 300 0.67 透明 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 98 180 300 1.00 透明 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 100 1020 300 1.83 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 5 84 380 300 1.10 透明 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 96 180 300 0.90 透明 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 98 1020 300 2.20 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 100 1020 300 1.75 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 7 84 1020 300 1.97 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 96 1020 300 1.93 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 98 1020 300 1.88 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 100 1020 300 1.97 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND ![]()
图 4 加热时间对分散性影响的针孔试验结果照片（n=100%）Figure 4. Pictures of pinhole test results on influences of heating time on dispersion (n=100%)从表 3、图 4可看出，当土体在50℃加热1 h时，土样仍表现很强的分散性。当土体加热3 h时，除了压实度为100%的土样在针孔试验中表现为非分散性外，其余土样均表现出一定的过渡性。当土体加热5 h时，压实度为84%，96%的土样在针孔试验、碎块试验中均表现为过渡性；压实度为98%的土样在针孔试验中表现为非分散性，但在碎块试验中仍表现为过渡性；压实度为100%的土样在针孔试验和碎块试验中均表现为非分散性。当土体加热7 h时，压实度为84%，96%，98%，100%的土样在针孔试验中表现为非分散性，但在碎块试验中，压实度为84%，96%，98%的土样表现仍表现为过渡性，压实度为100%的土样表现为非分散性。由此可知，随着加热时间的延长，压实土体的分散性逐渐减弱，由分散性逐步到过渡性，直到非分散性。
2.3 压实度对分散土分散性的影响
从前文试验结果可以看出，压实度也是影响土体热力加固效果的重要因素。部分碎块与泥球试验结果见图 5。通过对比图 5（a）中的典型试验照片可得，在同一加热温度下，随着压实度的增大，土样的分散性逐渐减弱。同样由表 2中的100℃和表 3中的3，5 h试验结果可见，在同一加热时间下，随着压实度的增大，土样的分散性也逐渐减弱。
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图 5 压实度对分散性影响的碎块与泥球试验结果照片（T=100℃）Figure 5. Pictures of test results of fragments and mud balls with the influences of compactness on dispersion(T=100℃)为了进一步探索土体赋存状态对热力加固效果的影响，结合2.1节、2.2节中的试验结果对呈散粒状态的分散土进行了深入研究分析。通过泥球试验，对经不同加热温度、加热时间处理后的散粒土样进行了分散性判别，试验结果见图 2、图 5（b）。由图 2可得，在加热温度较低时（150℃以下），处于非压实状态的散粒土并没有像表 2中同温度下的压实土样那样出现分散性减弱甚至消失的现象。此外由图 5（b）可见，散粒土经100℃加热12 h后仍表现出较强的分散性，这说明对于散粒土而言，加热时间对其分散性的影响较小，只会在较高的加热温度（200℃以上）下发生改性。由此可得在土体的热力加固技术中，土体的赋存状态是不可忽视的重要影响因素，压实度越高，改性效果越好。
2.4 热力加固分散土的稳定性检验
考虑到分散土坝基、渠道的长期运营安全与暴雨条件下的边坡稳定及实际运营状况，按最不利状态对热力加固后的土体进行抽气饱和处理，随后采用针孔试验与碎块试验进行分散性判别，以研究热力加固分散土的稳定性。针孔与碎块试验结果见图 6，7。
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图 6 低于200℃加热1 h并抽气饱和处理后土样的针孔与碎块试验结果照片Figure 6. Pictures of pinhole and fragment test results of soil samples heated for 1 h below 200 ℃ and saturated under vacuum![]()
图 7 200℃加热1 h并抽气饱和处理后土样的针孔与碎块试验结果照片Figure 7. Pictures of pinhole and fragment test results of soil samples heated at 200 ℃ for 1 h and saturated under vacuum由表 2可知100℃加热1 h后，压实度为98%，100%的土样在针孔和碎块试验中表现为非分散土；经150℃和200℃加热1 h后的所有土样均表现为非分散性。但是当加热温度低于200℃时，无论压实度与加热时间是多少，经抽气饱和处理后，土体均能恢复到初始分散状态；而当加热温度达到200℃以上时（加热1 h），抽气饱和后，各压实状态的土样仍能保持非分散（图 6，7）。这说明经较低温度（200℃以下）处理后土样的分散性变化仅与水分的迁移有关，具有可逆性；而当处理温度达到200℃以上时，土体的分散性变化将不可逆。所以在实际工程中热力加固分散土的加热温度应保持在200℃以上。
3. 热力加固分散土的加固机理研究
3.1 温度对土中钠离子含量的影响
根据双电层理论，交换性钠离子含量是影响土体分散性的重要因素，土样中交换性钠离子百分比（exchangeable sodium percentage，简称ESP）测定结果见表 4。从试验结果可见，随着加热温度的升高，分散土中吸附的交换性钠离子含量、阳离子总量与ESP值均逐渐降低，交换性钠离子含量的减少导致了土体双电层变薄，使得颗粒间引力大于斥力，从而抑制了土体的分散。热力加固分散土ESP的变化主要受两方面原因的影响：①由于在高温作用下Al3+对硅氧四面体中Si4+的置换能力降低，导致整个土体矿物结构有效负电荷减少，对阳离子的吸引力减弱，而Na+的相对带电量低，与土粒结合能力较弱，所以经高温处理后很难被相黏粒吸附[9, 13]；②Na+原子质量相对较小，随着加热温度的升高，极易随着层间结合水的蒸发而逸散，导致整个土-水-电解质体系中Na+含量降低，即使浸水饱和也无法恢复原状，这也是200 ℃处理后土体分散性彻底消失的重要原因[14]。
表 4 土样交换性阳离子含量Table 4. Contents of exchangeable cations of soil samples温度/℃ 交换性Na+含量/(cmol·kg-1) 阳离子总量/(cmol·kg-1) ESP/% 室温 2.874 17.93 16.03 50℃ 2.552 16.13 15.83 100℃ 2.368 20.93 11.32 200℃ 1.578 14.03 11.25 300℃ 1.498 13.67 10.96 400℃ 1.196 13.44 8.90 500℃ 0.928 12.41 7.48 600℃ 0.573 11.15 5.14 3.2 温度对土的酸碱度的影响
土样经热力加固处理后酸碱度变化的试验结果见图 8。从图 8可看出，随着加热温度的升高，分散土pH值逐渐下降，且温度越高，下降幅度越大。较低温度下加热处理使得土中有机质分解，生成CO2与有机酸，此外还与加热作用下土壤胶体吸附的H+的解离、其他阳离子（Fe3+，Al3+）的交换取代造成的H+析出作用有关[15]。而较高温度下，由于结合水开始蒸发，部分可交换碱金属阳离子随之迁移流失，降低了土体阳离子交换容量[16]，土颗粒失水收缩，比表面积减小，也进一步抑制了土体中盐的水解与阳离子的水化。土体pH的减小，使得相黏土颗粒表面的羟基分解（SiOH →SiO-+ H+）趋势减弱，颗粒有效负电荷减小；此外暴露在相黏土矿物边缘的氧化铝在较低的pH下显正电性，促进了土颗粒絮凝，进而降低了土体分散性[17]。
3.3 温度对土的电导率的影响
电导率反映了土体导电能力的强弱，与孔隙水溶液中离子浓度的大小和流动速率息息相关。热力加固处理后的电导率变化结果见图 9。从图 9可看出，随着加热温度的升高，土体电导率逐渐减小，并且温度越高减小幅度越大。由此可见，加热处理降低了孔隙水溶液离子浓度，这与土体在高温下的颗粒形变以及土中结合水的蒸发有关，在高温作用下，由于电解质溶液的蒸发，原本处于游离态的离子，其中一部分随水散失，另一部分被紧紧吸附包裹在土颗粒周围，从而导致了电导率的下降[14]。从另一角度来看，土中水分的蒸发使得孔隙水压力减小，孔隙气压力与孔隙水压力差变大，在压差作用下小颗粒团聚更加密实，相应比表面积减小，水化析出的离子变少；同时含水的降低也使离子迁移率降低，抑制了离子水化膜的形成，减小了双电层厚度，达到了改良土体分散性的目的。
3.4 温度对土的颗粒级配的影响
为防止分散土烧结颗粒结构被破坏，通过激光粒度仪测定颗粒级配时采取不加分散剂、不煮沸、不超声分散的处理方法，试验结果如表 5所示。由表 5可知，随着加热温度的升高，土体相黏粒与粉粒含量逐渐下降，砂粒含量增加，在加热温度达到200℃之后，各颗粒组成趋于稳定。土体砂粒增多的原因主要是高温的烧结作用，随着水分的散失，原本溶解在孔隙水中的化合物析出，填充在孔隙中充当了粘合剂，结合土颗粒自身的失水收缩作用使得小颗粒发生絮凝团聚，减小了土颗粒比表面积，抑制了水化反应的进一步进行[13, 18]。同时颗粒的絮凝也提高了土体的强度，表现为较强的粒间胶结性，抑制了土颗粒的分散流失。从颗粒组成变化来看，在200℃时细小颗粒的絮凝已基本完成，在水溶液中表现出了较强的稳定性，这与宏观上200℃处理后土体分散性消失的现象相一致。此外，大颗粒的增多导致了土体塑性下降直至消失，这也是散粒土在高温下无法团聚成型，重新表现出一定分散现象的原因[9, 12]。
表 5 粒度分析结果Table 5. Particle size analysis results温度 颗粒组成/%（体积百分比） < 0.005 mm 0.005~0.075 mm 0.075~2 mm 室温 10.3 72.4 17.3 50℃ 9.6 71.1 19.3 100℃ 8.1 68.0 23.9 200℃ 7.6 52.7 39.7 300℃ 8.3 49.8 41.9 400℃ 9.4 49.3 41.3 500℃ 9.4 48.2 42.4 600℃ 8.4 47.5 44.1 3.5 温度影响下土的红外谱图变化
为观察土中结合水与化学键的变化情况，对加热前后的土体进行了傅里叶红外光谱试验，试验结果如图 10所示。由图 10可见，随着加热温度的升高，表征矿物层间吸附水的谱带3420，1634 cm-1与表征层间阳离子水化水的谱带3613 cm-1吸收峰均逐渐降低，降低幅度在200℃下就已较为显著，这表明在高温作用下，颗粒吸附的偶极水减少，阳离子的水化扩散作用受到抑制，同时由于分散土中的大量Na+易与水发生化合，使得较多Na+随水一同蒸发析出，进而导致了土中阳离子浓度降低，双电层厚度变薄[14, 19]。除此之外，由于Na+水化半径大，在高钠条件下，土颗粒表面与水形成的氢键较弱，体现为Si-O-Si（778 cm-1）和Si-O（793 cm-1）的双峰振动，而Na+含量的降低也相对应提高了氢键强度，增加了土颗粒层间连接性，图中Si-O-R（529 cm-1）、Si-O（793 cm-1）与Si-O-Si（778 cm-1）双峰结构谱带吸收强度的降低，也佐证了这一点[20]。
3.6 温度对土的微观结构的影响
为进一步探索高温作用下土体分散性的变化机理，通过微观结构试验，放大500倍观察分散土整体孔隙结构、颗粒排布的分布特征，放大3000倍观察土体颗粒间的胶结状态与土体单元体形态变化情况（图 11）。
图 11（a）~11（f）是在96%压实度条件下，不同加热温度的扫描电镜照片。由图 11（a），11（b）可知，室温下分散土单元大多为粒状架空结构，颗粒间孔隙较大且多呈点-点接触形式，粒缘棱角清晰，颗粒间胶结性较差。由图 11（c）~11（f）可知，随着加热温度的升高，分散土颗粒失水收缩，粒间孔隙逐渐被析出的化合物与发生形变的盐矿物填充，连接方式向面-面接触转变，胶结性变强，整体结构逐渐致密。值得注意的是，在加热温度为100~200℃时，土颗粒结构变化以失水收缩为主，大颗粒团聚体增多，粒间连接力增强，短时间内水分不易侵入，具有一定的抗水蚀能力，所以在针孔、碎块试验中表现出了非分散性；但由于其粒间致密的胶结结构尚未完全成型，在极端情况下水仍能侵入团聚体内部，所以此温度下的非分散具有可逆性，经抽气饱和处理可恢复原状。而当加热温度达到200 ℃以上时，部分相黏土矿物及吸附在土单元表面的盐矿物发生形变，在粒间形成了稳定的胶结物质，一方面使得原来失水收缩形成的团聚体更加稳定致密，不会在水的作用下分散；另一方面这些胶结体在土结构单元表面形成了致密的保护膜，阻止了水的侵入，抑制了小颗粒的流失，所以经此温度处理后土体的分散性彻底消失。此外，随着加热温度的升高，发生形变的盐矿物增多，粒间连接越来越强，表面保护膜愈发致密，水分侵入与颗粒流失愈发困难，所以在处理温度达到400℃后，土块将不再发生崩解。
图 11（g），11（h）是在96%压实度条件下，同一温度（50℃）不同加热时间的扫描电镜照片。由图可知，经50℃加热1 h后土体结构与原始分散土相差不大，虽由于失水收缩形成了部分团聚体，但整体结构依旧松散，宏观上仍表现为分散状态。随着加热时间的变长，水分进一步散失，颗粒间距变小，相应连接力增强，这与100~200℃低温加热1 h后的结构变化类似，此时的团聚体具有了短时间内抗水蚀能力，所以在分散性鉴别时表现为非分散状态，但同样，由于此处理条件下只发生了自由水的蒸发，所以具有可逆性。综上可得，同样压实条件下，加热温度对土体分散性的影响更强，增加加热时间可以降低土体分散性，提高热力加固效果，但如果要使土体分散性发生根本性的变化还应选择合适的加热温度。
3.7 温度对土的矿物成分的影响
从土样微观结构照片上看，经高温加热后，土颗粒间出现了形态各异的胶结物，增强了土体稳定性，为探究胶结物组成与高温下土体的矿物成分变化，对土样进行X射线衍射试验，衍射图谱见图 12。如图所示，随着加热温度的升高，分散土中蒙脱石衍射峰强度降低，逐渐向伊利石转化。而蒙脱石的阳离子交换量、表面负电荷量、比表面积均远高于伊利石，所以经高温处理后，土颗粒间距缩小，吸附Na+能力减弱，双电层变薄，粒间引力占据主导地位，分散性消失[1, 21]。除此之外，从图谱上看，高温处理对土体中铝硅酸盐矿物形态也产生了一定影响，随着温度的升高，钠、钙铝硅酸盐衍射峰发生偏移，从③到④、⑤，这种铝硅酸盐的变化造成了颗粒接触连接形式的转变，结合水蒸发析出的盐结晶与新生成的化合物也可在粒间起到胶结作用。总的来说，高温下的致密结构是蒙脱石等相黏土矿物脱水形变与新转化、生成、析出的铝硅酸盐等化合物共同作用的结果。
3.8 热力加固分散土的作用机理分析
根据上述试验结果，结合分散土的分散机理[1]，认为热力加固分散土的作用机理包括以下3个方面。
（1）高温造成的颗粒失水收缩团聚：随着处理温度的提高，土体中水分散失，孔隙气压与孔隙水压差增大，压差作用下颗粒收缩团聚，粒间吸引力增强，土体中大颗粒增多，比表面积下降，降低了土颗粒与水接触的机会；此外颗粒的收缩团聚造成了土体内部大孔隙增大[3]，使得侵入的水分可沿着这些联通孔隙流出而不会侵蚀团聚体内部，降低了团聚体分散的可能性。但当处理温度较低时，由于只发生了自由水与部分弱结合水的脱附，导致团聚体结构并不稳定，在抽气饱和后可恢复原始结构，重新表现出分散性。
（2）高温造成的盐矿物形变胶结：当处理温度较高时，土中结合水大量脱附，原本溶解在水中的盐矿物析出，蒙脱石向伊利石转化，部分铝硅酸盐发生形变，在失水收缩形成的团聚体中起到了胶结作用，使得颗粒间连接力增强，团聚体更难分散。同时由于发生了颗粒体与矿物结构的变化，此时的分散性转变更具稳定性。此外由于形变盐矿物的填充与胶结作用，在团聚体表面形成了一层致密的“保护膜”，阻止了水分侵入与小颗粒流失，维持了整体结构的稳定性。
（3）高温作用下土颗粒双电层变薄：一般来讲，双电层的厚薄主要与土颗粒吸附的交换性阳离子种类有关，而阳离子的扩散必须要有水作为载体。在高温作用下，由于土中水的蒸发导致颗粒吸附的偶极水减少，阳离子扩散困难，部分Na+随水分蒸发析出，使得颗粒表面扩散双电层变薄，粒间距减小[11, 14]。此外高温作用下土体胶体颗粒变少，吸附阳离子能力减弱，pH降低，颗粒有效负电荷减少，也使得其吸附偶极水与扩散阳离子的能力降低，双电层变薄，粒间引力增强，进而导致分散性减小直至消失。
4. 结论
（1）在原位热力加固分散土技术中，加热温度、加热时间、土体压实度对改性效果均有重要的影响。随着温度的升高、加热时间的延长、压实度的增加，分散土的分散性逐步减弱，直至消除。但当加热温度低于200℃时，分散性变化具有可逆性；高于200℃以上时，分散土彻底失去分散性，且具有不可逆性。
（2）经200℃以上高温处理后，由于Na+随层间水蒸发散失，蒙脱石向伊利石转化，颗粒负电量减少，土体碱性降低导致颗粒双电层变薄，粒间引力占优。此外颗粒的失水凝聚、盐矿物形变胶结等作用，也使得分散土团聚结构增强，水溶性离子溶出量减少，形变盐矿物填充在团聚体孔隙中形成了致密保护膜，阻止了水分的侵入与颗粒流失，消除了土体分散性。
（3）原位热力加固技术是采用热效应原理对土体进行原位处置的一项技术，可用在传统方法难以处理的工况中，具有良好的应用前景。但由于土体导热性差，该技术的普及还存在加热范围小、能耗高等缺陷，技术层面的研究尚不完全成熟，施工工艺也还不完善，未来应参考污染土热修复、核废料地质处置等领域的研究成果与工程经验，引入微波加热等新技术，结合计算机模拟等新方法，对其加热工艺进行深入研究。
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图 2 加热温度对分散性影响的泥球试验结果照片（散粒体，加热1 h）
Figure 2. Pictures of mud ball test results with influences of heating temperature on dispersion (bulk soil heated for 1 h)
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图 3 加热温度对分散性影响的双密度计试验结果（加热1 h）
Figure 3. Test results of double-hydrometer with influences of heating temperature on dispersion (1 h)
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图 4 加热时间对分散性影响的针孔试验结果照片（n=100%）
Figure 4. Pictures of pinhole test results on influences of heating time on dispersion (n=100%)
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图 5 压实度对分散性影响的碎块与泥球试验结果照片（T=100℃）
Figure 5. Pictures of test results of fragments and mud balls with the influences of compactness on dispersion(T=100℃)
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图 6 低于200℃加热1 h并抽气饱和处理后土样的针孔与碎块试验结果照片
Figure 6. Pictures of pinhole and fragment test results of soil samples heated for 1 h below 200 ℃ and saturated under vacuum
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图 7 200℃加热1 h并抽气饱和处理后土样的针孔与碎块试验结果照片
Figure 7. Pictures of pinhole and fragment test results of soil samples heated at 200 ℃ for 1 h and saturated under vacuum
表 1 分散土基本性质
Table 1 Basic properties of dispersive soil
颗粒相对密度 液限/% 塑限/% 塑性指数 颗粒组成/% 最大干密度/(g·cm-3) 最优含水率/% 易溶盐/(g·kg-1) 有机质/(g·kg-1) pH值 砂粒 粉粒 黏粒 2.71 29.9 18.5 11.4 1.3 64.0 34.7 1.77 16.5 1.7 5.3 9.75 
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表 2 加热温度对热力加固分散土的影响（加热1 h）
Table 2 Effects of heating temperature on thermal reinforcement of dispersive soil (1 h)
加热温度T/℃ 压实度n/% 针孔试验 碎块试验 综合判别结果 作用水头/mm 时间/s 流量/(mL·s-1) 侧视水色 顶视水色 孔径/mm 结果 烧杯中现象 结果 室温 84 50 600 0.28 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 96 50 600 0.48 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 98 50 600 0.65 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 100 50 600 0.38 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 50℃ 84 50 600 0.28 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 96 50 600 0.31 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 98 50 600 0.33 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 100 50 600 0.50 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 100℃ 84 380 300 1.42 透明 微浑 ≥1.0 I 崩解后水微浑 I I 96 380 300 1.08 透明 微浑 ≥1.0 I 崩解后水清澈 ND I 98 1020 300 2.62 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 100 1020 300 2.10 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 150℃ 84 1020 300 1.92 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 96 1020 300 2.27 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 98 1020 300 1.96 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 100 1020 300 1.92 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 200℃ 84 1020 300 2.55 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 96 1020 300 1.87 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 98 1020 300 1.58 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 100 1020 300 1.67 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 300℃ 84~100 — — — — — — — 崩解后水均清澈 ND ND 400℃ 84~100 — — — — — — — 碎块均不崩解 ND ND 注：（1）“D”，“I”，“ND”分别代表分散土、过渡土、非分散土；“—”表示没有进行试验。（2）针孔试验：非分散土，在380~1020 mm水头下针孔不扩大，出水流很清；过渡土，在180~380 mm水头下针孔冲蚀较慢，出水流稍混浊；分散土，在50 mm水头下针孔迅速扩大，出水流混浊。（3）碎块试验：分散土，土块水解后混浊，土很快扩散到整个量杯底部，水呈雾状，经久不清；过渡土，土块水解后四周有微量混浊，但扩散范围小；非分散土，无分散出胶粒的反应，土块水解后在量杯底部以细颗粒状平堆，水色是清的，或稍混浊后很快又变清。
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表 3 加热时间对分散性的影响（加热温度50℃）
Table 3 Effects of heating time on dispersion (50℃)
加热时间t/h 压实度n/% 针孔试验 碎块试验 综合判别结果 作用水头/mm 时间/s 流量/(mL·s-1) 测视水色 顶视水色 孔径/mm 结果 烧杯中现象 结果 1 84 50 600 0.28 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 96 50 600 0.31 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 98 50 600 0.33 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 100 50 600 0.50 浑浊 浑浊 ≥2.0 D 崩解后土粒铺满杯底 D D 3 84 180 300 0.63 微浑 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 96 180 300 0.67 透明 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 98 180 300 1.00 透明 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 100 1020 300 1.83 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 5 84 380 300 1.10 透明 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 96 180 300 0.90 透明 微浑 ≥1.5 I 崩解后水微浑 I I 98 1020 300 2.20 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 100 1020 300 1.75 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND 7 84 1020 300 1.97 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 96 1020 300 1.93 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 98 1020 300 1.88 清澈 清澈 1 ND 崩解后水微浑 I I 100 1020 300 1.97 清澈 清澈 1 ND 崩解后水清澈 ND ND
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表 4 土样交换性阳离子含量
Table 4 Contents of exchangeable cations of soil samples
温度/℃ 交换性Na+含量/(cmol·kg-1) 阳离子总量/(cmol·kg-1) ESP/% 室温 2.874 17.93 16.03 50℃ 2.552 16.13 15.83 100℃ 2.368 20.93 11.32 200℃ 1.578 14.03 11.25 300℃ 1.498 13.67 10.96 400℃ 1.196 13.44 8.90 500℃ 0.928 12.41 7.48 600℃ 0.573 11.15 5.14
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表 5 粒度分析结果
Table 5 Particle size analysis results
温度 颗粒组成/%（体积百分比） < 0.005 mm 0.005~0.075 mm 0.075~2 mm 室温 10.3 72.4 17.3 50℃ 9.6 71.1 19.3 100℃ 8.1 68.0 23.9 200℃ 7.6 52.7 39.7 300℃ 8.3 49.8 41.9 400℃ 9.4 49.3 41.3 500℃ 9.4 48.2 42.4 600℃ 8.4 47.5 44.1
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