膨润土改良土体的机理研究

在盾构整个掘进过程所使用到的膨润土属于是粘土类型当中的一种，其主要成分就是蒙脱石，蒙脱石是2：1型层状铝硅酸盐，其四面体中的硅可以被铝随机置换，八面体中的铝可被同价或低价离子如Ca2+、Na+、Mg2+等类质同象置换，这种类质同象置换过程使蒙脱石晶层面有过剩的负电荷，在层间产生一静电场，因此蒙脱石层间可吸附Ca2+、Na+、Mg2+等阳离子和水(H30+)、氨(NH＋4)等极性分子。正是蒙脱石这种特有的吸附功能使得膨润土具有很强的膨胀能力。

　　从微观结构来看，膨润土颗粒是粒径小于2 μm的无机质，主要结构体系为Si—Al—si，是由云母状薄片堆垒而形成的单个颗粒。这些薄片层的上下表面带负电，因而膨润土的构成单位是互相排斥的。膨润土在水化时，水分子沿着Si—Al—Si结构单位的硅层表面被吸附，使得相邻的结构单位层之间的距离加大。钠基膨润土单位结构层问能吸附大量的水，层间距离大，膨胀率高，钠离子连接各层薄片。膨润土水化后，形成不透水的可塑性胶体，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，形成致密的不透水的防水层，从而达到防水的目的。

　　膨润土一般可分为钠基和钙基膨润土等两种类型，在施工工程中大多数使用的是使用钠基膨润土，其颗粒的单位晶层中存在极弱的键，钠离子本身半径小，离子价低，水很容易进入单位晶层问，引起晶格膨胀，颗粒的体积膨胀为原来颗粒体积的l0～40倍，在吸水之后会形成一道不透水的防渗层。如果再经过一段较长时间，则膨润土颗粒会变成膏脂状，渗透系数可以降到1×10-7m／s以下，几乎不透水。

　　不同压实密度的膨润土的主要差别在于其土体颗粒问孔隙的大小，当密度大时，单位空间中的土体颗粒及吸附水层所占的体积就大，渗流液体通道就窄。由于膨润土的高吸湿膨胀性和自封闭性，遇水时极度膨胀，其密度越大，膨胀倍数越大，同样的渗流空间留给过流液体的通道就越窄，其渗流系数也就降低了。

　　膨润土因为其本身具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能，国外地区从20世纪60年代就已经开始将膨润土用作防渗材料。土压平衡式盾构施工对于新加入的膨润土泥浆的一个最基本要求就是它能够形成“滤饼”，可以形成于土粒内部和土粒之间，由胶结和固结的膨润土组成。这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，这对于稳定地层防止推进中的地面塌起着非常重要的作用。