羟基铝与蒙脱土胶结的微观本质与宏观表现

Hydroxy-aluminum is a positively charged aluminum hydroxide hydrate, and can be expressed as AI(OH)2+. Investigation of effect of hydroxy-aluminum and montmorillonite cementation on expansive soil is a frontier subject in the cross field of soil mechanics, and it has the important theory significance and the practical application prospect. By using the artificial compund of hydroxy-aluminum and montmorillonite coated,a series of laboratory experiments are conducted to determine the types and dosage of the cementing agent. Influences of aging time, aging test temperature and other factors on the formation of complex are discussed according to the experiments. The aging process and transformation characteristics are studied through the XRD, SEM, XEDS, FT-IR, SSA, CEC analysis,then the cementation mechanism is revealed and a micromechanics model is established. Based on the quantum chemistry calculation, the quantitative relationship between the micro characteristics and the macro cohesion of the compund is determined and the relationship between the cement content and free expansion rate is derived as well.Furthermore, the effect of hydroxy-aluminum treatment of expansive soil is evalutated, and the corresponding electrolyte solution is confected and used to investigate the feasibility of field in-situ treatment of expansive soil.

羟基铝是一种带正电荷的氢氧化铝水合物，可以表示为AI(OH)2+。羟基铝与蒙脱土胶结作用对膨胀土性质的影响是土力学交叉领域的前沿课题，具有重要的理论意义和实际应用前景。以室内实验研究为主，在人工合成羟基铝与蒙脱石的包被、胶结复合物的基础上，根据宏观粘聚力和自由膨胀率试验确定试验胶结剂类型和掺合量。试验探讨老化时间、老化温度等因素对复合物形成的影响，通过XRD、SEM、XEDS、FT-IR、SSA、CEC等分析方法，逐步探讨复合物的老化转化过程，转化特点，揭示二者胶结的机理，建立胶结土微细观力学模型。通过量子化学计算，确定微观特性与宏观粘聚力以及胶结物含量与自由膨胀率之间的定量关系，评价羟基铝胶结法处理膨胀土的处理效果。在室内转化实验成功的基础上，初步尝试配制电解质溶液，探讨用电化学方法处治原位膨胀土的可行性。

铝（氢）氧化物和黏土矿物的交互作用在土壤水土保持、污染防治、岩土力学等方面有着重要的作用。十三聚铝ε-Al13是羟基铝溶液中众多铝形态的一种，具有尺寸适中、电荷较高的特点，在粘土矿物柱撑等领域具有广泛的应用。本文采用室内化学合成、试验检测和室内宏观、微观试验以及电化学模型试验相结合的研究手段，通过制备羟基铝溶液对蒙脱土进行改性，研究改性前后其宏观物理力学特性和微观结构特征的变化规律，并探讨电化学方法改性膨胀土的可行性，主要研究内容如下：.1. 根据Al(Ⅲ)溶液的非自发水解原理，采用碱中和滴定法合成羟基铝溶液，同时考虑羟基铝合成过程中总铝浓度、碱化度、反应温度、碱化率、老化时间等五种因素对十三聚铝ε-Al13相对含量的影响，采用单因素法确定各影响因素的代表值。根据各因素代表值选取3个水平，运用正交试验设计原理建立了9组实验方案，并进行极差分析和方差分析，最终确定合成十三聚铝ε-Al13的优化方案。.2. 在实验室合成不同配合比（Al3+/蒙脱土摩尔质量比、碱化度（OH-与Al3+的摩尔比））的羟基铝与蒙脱土的胶结样，进行宏观试验研究。主要通过颗粒分析、Atterberg Limits、自由膨胀率、膨胀力、三轴剪切等试验方法探讨羟基铝对蒙脱土物理力学特性的影响。.3. 在宏观试验研究的基础上，对改性后的蒙脱土进行微观试验研究。通过X-射线衍射（XRD）、X射线荧光光谱分析（XRF）、扫描电子显微镜（SEM）、电子能谱（EDS）、傅立叶红外图谱（FT-IR）、差热-热重分析（TGA-DTA）、孔径分布、比表面积（SSA）、阳离子交换量（CEC）、27Al 核磁共振（27Al MAS NMR）等分析测试方法，探讨改性后试样矿物的成分、黏土颗粒形貌、吸附和结合水的性质、原子结构等物理化学特征的变化。基于宏观和微观试验研究结果，揭示了羟基铝和蒙脱土之间的胶结作用机理：离子交换、吸附、包被及化学成键等作用。.4. 结合羟基铝和蒙脱土的作用特点及电化学基本原理，室内配制电解质溶液，进行电化学室内模型试验，研究电解质溶液在电场作用下对膨胀土宏观和微观性能的影响，探讨电化学方法对膨胀土进行改性的可行性。